Метод дублирования. 11 примеров из конструкции ДВС
Дублирование (от французского doubler удваивать) в системе это вид резервирования, имеющего минимальную избыточность.
Статья эволюция развития автомобильных двигателей с начала 90-х годов вызвала интерес, и сильное обсуждение преобразований в двигателестроении. Эта статья будет ее продолжением без временных рамок, но с одним общим условием — все представленные примеры повысили надежность, и ряд других характеристик ДВС в лучшую сторону.
2 ДВС в одном автомобиле (Полный привод без сложной трансмиссии).
Обычно перед инженерами стоит непростой выбор — какой привод выбрать? Идеальным решением конечно будет полный привод, но помимо проблем с развесовкой по осям тут всплывают и дополнительные сложности из за трансмиссии. Простым решением проблемы может служить решение установить два двигателя в автомобиль.
Первые серийные 2-х моторные автомобили появились еще в 1935-ом году.
Немецкая фирма Vidal & Sohn Tempo-Werk GmbH» пытаясь выиграть военный заказ предложила простой и технологичный автомобиль под названием Tempo 1200G.
Число 1200 отображало суммарный объем двух двухтактных моторов, а мощность до 36 л.с. Из оригинальных решений кроме моторов стоит отметить два запасных колеса расположенных по бортам между передней и задней осью. Такое решение позволяло машине передвигаться по бездорожью без риска повредить днище.
Серийный выпуск модели 1200G продолжался до 43-го года, но и после производство продолжилось уже для нужд других стран (Австрия, Турция, Финляндия, Румыния, Болгария, Дания).
Следующий «двухмоторник» — Citroen Sahara.
Этот автомобиль созданный на базе легендарной малолитражки Citroen 2CV стал результатом борьбы за нефтяные контракты в Африке. Простое решение с двумя моторами понравилось заказчикам и в результате в период с 1960 по 1966 год было построено 692 Citroen Sahara. Возросшая мощность и выбор между 3 типами привода на машине были высоко оценены и… сейчас цена этих раритетов одна из самая высокая среди 2CV (от 100 000$).
Кроме этих двух серийных машин были и другие двухмоторные автомобили.
Mini Cooper Twini.
VW Golf II Pikes Peak
VW Scirocco 280/4
MTM TT Bimoto
Mercedes-Benz A38 AMGНе стабильный на лосином тесте MB A-Class был проблемой для имиджа марки.
Дело в том что автомобиль обладал слишком большой «парусностью» по отношению к массе, из-за особенностей установки мотора. В AMG придумали как решить эту проблему… установив сзади второй двигатель!
В А38 установили два двигателя от А190 общей мощностью 254 л. с. и моментом 360 Нм. С помощью такой силовой установки А38 стал набирать 100 км/ч всего за 5,7 с, а максимальная скорость достигла 230 км/ч. Кроме того, спецы AMG уменьшили клиренс на 10 мм.
Интересно, что задний двигатель запускается отдельно от переднего с помощью специального переключателя, встроенного в блок управления стеклоподъемниками.
2 турбины для ДВС (всего несколько десятилетий и уже стандартное решение).
Две турбины на автомобиле сейчас уже не вызывают удивления (некоторые машины уже имеют и больше), но по прежнему с точки зрения надежности это одно из наиболее приемлемых решений. Аналоги решения проблемы инерционности турбины вроде Twin-scroll и электро-турбины пока не настолько простое решение, а часто даже не всегда необходимое.
Преимущества двух турбин в виде уменьшения времени турбо-задержки, увеличения мощности и экономичности в широком диапазоне оборотов двигателя хорошо отработаны на ДВС абсолютно разного назначения и объема.
Изначально Twin Turbo («турбины-близнецы») называлась технология, при которой выхлопные газы разделялись на два равных потока и распределялись на две одинаковые турбины малого размера. Это позволяло получить лучшее время отклика, а иногда и упростить конструкцию мотора, используя недорогие турбокомпрессоры, что очень актуально для V образных двигателей с выхлопными коллекторами «вниз». Сейчас технология несколько «усложнилась» и две турбины теперь разного размера для обеспечения стабильной тяги без «турбо-ямы».
Главное преимущество — увеличение мощности при относительно небольших габаритах ДВС по сравнению с атмосферной версией впрочем тоже имеет свои пределы, но во многом проблемы связаны уже с очередным «удвоением» количества турбин до четырех («квадро-турбо» от BMW).
2-х режимный впуск (впуск изменяемой геометрии). Проблема выбора между двух «зол» решена.
Не зря многие автомобилисты сравнивают мотор с сердцем. Процессы внутри ДВС во многом схожи с пульсирующим органом, так как тоже состоят из целого ряда пульсаций.
В процессе работы двигателя во впускном коллекторе так же возникают пульсации из за цикличности процесса всасывания воздуха и выпуска отработавших газов. При определенном резонансе движения волн воздуха внутри коллектора это может даже помочь наполнению цилиндра, но проблема в том что этот процесс работает только на определенном диапазоне оборотов. Все остальные пульсации выше или ниже этой планки вредят процессу смесеобразования в ДВС.
Для решения этой проблемы иногда ставят «длинный» впускной коллектор (если нужна хорошая тяга на низких оборотах), или «короткий» (для высоких оборотов). Разумеется со временем инженеры задумались о «совмещении функций» в одном устройстве и создали впускной коллектор изменяемой геометрии.
Аналогия из биологии.Лучший пример «зачем это надо?» это дыхание во время бега человека. При небольших нагрузках мы предпочитаем дышать носом, но когда воздуха не хватает «всасываем» воздух уже ртом и носом (при критически высоких нагрузках — только ртом).
Впуск переменной длины сейчас применяется как в дизельных, так и бензиновых двигателях. Даже на ВАЗ такой делали. В надувных двигателях впускной коллектор переменной длины не используется, т.к. необходимый объем воздуха в камере сгорания обеспечивается механическим нагнетателем или турбокомпрессором.
От 2 клапанов к 4-м (удвоение).
Количеством клапанов на цилиндр сейчас мало кого удивишь, а тем не менее этот показатель когда то вызывал интерес у водителей 90-х. Как всякая новая технология в те времена она обросла целым рядом мифов, которые изжили себя уже в наше время (конечно представить себе удвоение движущихся деталей без сопутствующих проблем сложно, но по факту вышло именно так).
Увеличение количества клапанов позволяет снизить массу каждого из них, а значит, клапаны могут двигаться быстрее, создавая меньше нагрузок на пружину и седло. Так что, как ни странно, кажущийся на первый взгляд более сложным двигатель в целом был надежнее аналогичного 2-х клапанного.
Тема увеличения количества клапанов так же неизменно связана с другим видом «раздвоения» — установкой двух распредвалов в ГБЦ ДВС.
2 распределительных вала (DOHC).
Двигатели с 2 распределительными валами получили обозначение DOHC (Double OverHead Camshaft) что буквально означает «двойной верхний распределительный вал». Широкое распространение данная конструкция получила во многом за счет предыдущих преобразований в ДВС (увеличение оборотов которое непосредственно определило внедрение большего количества клапанов, электронного впрыска и т. д.). Для таких условий эксплуатации простота и надежность работы сыграла решающую роль. Так же «двойной распредвал» позволил более точно выставлять фазы ГРМ что увеличивало показатели мощности из за качественно улучшенного смешивания топливной смеси в цилиндрах ДВС.
Так переделка ГБЦ с 8 клапанной в 16-ти уже сейчас не представляет особых проблем.
2х рядная цепь ГРМ.
После внедрения DOHC стал закономерный вопрос — чем приводить в движение ГБЦ? Так как раньше привод осуществлялся толкателями (что и было причиной ограничения максимальных оборотов двигателя), а сейчас подобный метод свел бы в ноль все преимущества двух распредвалов и многоклапанности. Выход был простой — либо ремнем, либо цепью, и именно выбор цепи в данном случае с точки зрения надежности самый оптимальный.
Наиболее надежным приводом до сих пор считается двухрядная цепь. Сроки эксплуатации цепи совпадают с сроками службы самого двигателя, а двухрядная по понятным причинам еще и более износоустойчива в процессе работы. С временем правда необходимость в высокой надежности отпала, и на данный момент ремни ГРМ и менее надежная однорядная цепь более популярный вариант.
В наше время есть примеры «тюнинга» отечественной техники в виде установки 2-х рядной цепи на «Ниву».
2-х массовый маховик.
Словосочетание двухмассовый маховик на первый взгляд все же не подпадает под определение дублирования, но как и впуск переменной длины по сути является объединением двух противоречий.
Аббревиатуры ДММ (двухмассовый маховик), ZMS (Zweimassenschwungrad) и DMF (dual mass flywheel) обозначают на трех языках одно и то же изделие — маховик с двумя подвижными друг относительно друга корпусами из стали на одной оси. Внутри одного из корпусов находится сердце механизма — демпфирующий механизм и подшипник.
Основа идеи разделения масс — избавление от резонанса возникающего на определенных оборотах двигателя, и необходимость избавления от демпферов крутильных колебаний для которых просто не оставалось места. Резонанс так или иначе все равно проявляется на моторах с облегченным и обычным маховиком, если нет гасителей этих колебаний. Перенос функции демпфирования крутильных колебаний в двухмассовый маховик позволил избавится не только от опасности резонанса в двигателе, но и исключил эту же проблему в трансмиссии.
Недостатком подобного совмещения в эксплуатации стала необходимость замены ДММ вместе с комплектом сцепления по истечению срока службы, так как ресурс двух агрегатов примерно одинаковый. В результате повышенная надежность и возможность переносить более высокие пиковые нагрузки ДММ не так заметна для потребителя как сам факт необходимости замены этой традиционно «вечной» детали в автомобиле.
Фактически понятие надежность тут стоит воспринимать не как фактор повышенного ресурса маховика, а как влияние использования ДММ на общую надежность мотора и трансмиссии.
2 шатуна на круглый поршень — это лучше чем 2 шатуна на овальный как у Хонды ….
Очень странной конструкцией с двумя шатунами в ДВС удивляли дважды.
Первый как это обычно бывает сильно удивил, но не «взлетел», а второй стал более успешным. Оба раза речь шла о двигателе мотоцикла!
В 1977 году Хонда решила кардинально изменить свое положение в мотоспорте установив на мотоцикл четырехтактный двигатель с 8 клапанами на цилиндр, и двумя шатунами. Это решение было очень сложным технически, но чего не сделаешь для победы в гонках?
Итог испытаний показал что выигрыша эта конструкция не давала и постоянно ломалась.
Вторым удачным двухшатунным ДВС стал двухцилиндровый турбодизель на мотоцикле NEANDER 1400 TURBODIESEL.
Количество инноваций в моторе огромно, так как изначально планировалось делать его для выступлений на MotoGP, но дальше что то пошло не так… и получился уникальный круизер на солярке. Упрощено это звучит так — в двух цилиндрах по два поршня, которые передают момент на четыре шатуна соединенные с двумя коленвалами. Коленвалы соеденены шестернями и вращаются в разные стороны. Такой конструкторский порыв позволил в результате уравновесить боковые силы действующие на поршень и устанавливать поршни без «юбок».
Главная проблема моторов — потери на трение и износ в данном случае решена методом уравновешивания, что позволило уже на эксперементальной конструкции для MotoGP (на бензине) достичь 12 тыс. Оборотов. Поэтому 4 — 4. 5 тыс. Оборотов для дизеля не оказывают негативного воздействия на мотор.
2 поршня на цилиндр, или «оппозитник» наоборот.
Мотор с встречным движением поршней или двигатель с противоположно-движущемся поршнями (ПДП) вопреки его современному маркетинговому прототипу все таки не только существовал, но и успешно эксплуатируется до сих пор.
Двигатели этой схемы применяются в тепловозах, танках, авиации и судостроении.
Первый ПДП был построен еще в 1900 году компанией Gobron-Brillié, а уже в 1903 году автомобиль с этим мотором достиг скорости 100 миль в час! Далее немного переделанная кострукция французов уже использовалась в авиации фирмой Юнкерс.
Дизельный вариант ПДП был построен в России инженером Р.А. Корейво, и запатентован в 1907 году во Франции.
Схожий по философии на ПДП вариант так же ставили на мотоциклы.
2 форсунки на цилиндр. Зачем усложнять?
Традиционно, когда говорят о количестве цилиндров в двигателе, то считается что количество форсунок равно этому числу. Зачем устанавливать больше?
Безусловно усложнение лишним впрыском сильно влияет на надежность, если речь идет о впрыске закиси азота, газа или даже воздуха (ссылка на двигатель рено с впрыском воздуха). Однако не все так однозначно, и увеличение количества клапанов на цилиндр как оказалось имеет и свой негативный эффект…
В двигателях внутреннего сгорания с системой Dual Injector не одна форсунка на цилиндр, а две — для каждого клапана своя. Из-за этого диаметр капель топлива, попадающих в цилиндр, уменьшается на 60%, поэтому бензин сгорает плавно и стабильно, особенно в сочетании с системой автоматического регулирования фаз газораспределения, поясняют специалисты компании Nissan. Экономия топлива — 4% по сравнению с моторами с непосредственным впрыском.
Новая технология экономична со всех точек зрения: она дешевле обходится при производстве (не требуется насос высокого давления), меньше весит, имеет простую конструкцию и позволяет сокращать выбросы углекислого газа в атмосферу. Как отмечает Nissan, эта система отлично подходит для двигателей небольшого объема, на которых прямой впрыск устанавливать слишком дорого и технически непросто.
Конкуренты Ниссана в стране восходящего солнца так же создали свой вариант »2 форсунок на цилиндр», но с более сложной конструкцией.
Так Lexus на серийном моторе стал устанавливать систему D-4S — Direct Injection 4-stroke petrol Superior version, которая совмещает достоинства непосредственного и обычного впрыска.
Гибридный впрыск за счет различных алгоритмов впрыска работает либо задействуя обе форсунки для впрыска, либо только одну (на режиме оборотов выше средней нагрузки). Таким образом экономится ресурс форсунок непосредственного впрыска и даже достигается экономия топлива — экологичность.
2 свечи на цилиндр. Технологии неба для земли.
Когда сейчас говорят 2 свечи на цилиндр подразумевают Twin Spark от Alfa Romeo.
Впервые »2 свечи» появились на моторах послевоенных гоночных Alfa Romeo как адаптация авиа-технологий для автомобильных моторов. Решение кроме очевидных плюсов дало и неожиданную проблему в первые годы своего использования. Проблема в том что рост мощности из за лучшего сгорания прибавил динамики автомобилю что создало проблемы для управляемости. В результате итальянцы уже в середине 30-х годов из за доработки мотора вынуждены были заняться серьезными исследованиями в области доработки шасси.
На данный момент Alfa Romeo является единственной фирмой которая все свои моторы снабжает этой технологией.
P.S. — Примеров дублирования в автомобиле значительно больше. Особенно это хорошо видно в электронике автомобиля, а уже с приходом беспилотных технологий таких примеров станет еще больше. Я перечислил лишь самые основные, которые повлияли на развитие двигателестроения так же, как введение дублирования процессоров на рост вычислительной мощности компьютеров.
