Юный техник, 2002 № 01

Правда, ходят слухи, что американец Дик Кэмен готовится потрясти наше воображение неким двигателем принципиально нового типа, который он даже продемонстрировал в свое время под великим секретом экс-президенту США Биллу Клинтону (подробности см. в «ЮТ» № 2 за 2001 г.). Но выяснилось, что и у наших соотечественников есть чем похвастаться.

Один из них — инженер Михаил Кузнецов. Он разработал силовую установку «Перун», которая на языке специалистов называется объемно-струйным двигателем (ДОС). Предлагаемая им новинка, объединившая преимущества двигателей-предшественников, оказалась настолько удачной, что ею заинтересовались специалисты даже столь серьезных, известных во всем мире компаний, как «Даймлер-Крайслер», «Ман» и некоторых других.

Чем же заинтересовала их разработка? Несмотря на то, что нынешние двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются ныне наиболее распространенным классом тепловых машин — ежегодно в мире их выпускается более 40 млн., этим моторам свойственны и недостатки.

Конечно, современный поршневой ДВС конструктивно существенно отличается от своего прародителя, который жег 95 % топлива вхолостую, но в целом принцип работы остался тем же.

Поршневые ДВС любят за то, что они обеспечивают большой крутящий момент при различных скоростях вращения мотора. Однако не секрет, что в них низкий показатель выхода мощности на единицу веса — 0,8 кг/кВт, не очень высокий КПД — около 30 %, и сравнительно большой расход топлива — порядка 250 r/кВт∙ч. Кроме того, несмотря на все старания конструкторов, ДВС ныне являются одними из основных загрязнителей окружающей среды. Топливо в цилиндрах сгорает не полностью, образуется множество выхлопных газов, и этот недостаток не удается ликвидировать ни за счет компьютерного управления впрыском топливной смеси, ни за счет ее дожигания на выходе.

Попытки радикально улучшить характеристики ДВС предпринимались неоднократно. Скажем, немецкий конструктор Феликс Ванкель еще в 1936 году получил патент на роторный двигатель, в котором уже не было возвратно-поступательного движения поршня.

Возможность создания мощной, но легкой и малогабаритной силовой установки вызвала огромный интерес со стороны автомобилестроителей во всем мире. Однако и по сей день двигатели Ванкеля выпускаются небольшими партиями. Капризное и сложное производство, большой удельный расход топлива и малый ресурс работы так и не позволили этому мотору получить массовое распространение.

Из других попыток усовершенствования ДВС следует, пожалуй, отметить разработки американцев (в середине 50-х годов XX века) и японцев (в 70-е годы). И те, и другие пытались довести до ума принципиальную схему сферической роторной машины (СРМ), которая должна, по идее, объединить достоинства поршневого и газотурбинного двигателей. Но и эти усилия особым успехом не увенчались.

И вот в 1998 году Михаил Кузнецов решил наконец-таки заняться воплощением идеи, почерпнутой им из публикации в одном из журналов 60-х годов, где тогдашний студент авиационного техникума впервые увидел схему объемной сферической роторной машины. Однако за годы работы в военно-промышленном комплексе он так и не смог найти времени, чтоб довести свою разработку до конца. А когда вышел на пенсию, свободного времени появилось предостаточно. И в марте 1999 года его изобретение было зарегистрировано Российским агентством по патентам и товарным знакам.

Кузнецов нашел простое и изящное решение: вынес камеру сгорания, работающую по принципу жидкостного реактивного двигателя, за пределы СРМ. Это значительно повышает ресурс работы двигателя, позволяет достичь высоких — до 2900 °C — температур рабочего тела, при этом топливо будет выгорать полностью. К тому же, по мнению профессора МАИ, заведующего кафедрой теории авиационных двигателей В.Рыбакова, такое решение даст возможность совершенствовать камеру сгорания отдельно от других составляющих двигателя, что весьма удобно практически.

Роторный узел образует в корпусе СРМ два расширительных контура. Каждый из них состоит из двух камер переменного объема. За один оборот все они совершают полный рабочий цикл (сжатие и расширение). Смена рабочих циклов происходит автоматически за счет перекрытия впускных-выпускных каналов ротора.

При использовании в силовой установке СРМ контур А (см. рис.) работает как двигатель, а камеры контура В — как компрессор, задача которого подавать сжатый воздух в камеру сгорания. Еще одна особенность двигателя Кузнецова: возможны варианты, в которых можно использовать одновременно несколько роторных машин в одном моторе. А это позволяет создать довольно простую силовую установку переменной мощности.

Конструктивная схема одного из вариантов двигателя Кузнецова. В нем используется одна СРМ; две смежные камеры расширительного контура А работают в режиме двигателя, а смежные камеры контура В работают в режиме компрессора. Воздух через впускной канал 1 поступает в смежные камеры контура В. Сжатый в контуре В воздух по магистрали 2 без охлаждения поступает в камеру сгорания 3, в которую через форсунку 4 под давлением подается топливо. Из камеры сгорания образовавшиеся в результате сгорания топлива горячие газы поступают по магистрали 5 в расширительный контур А, где совершают полезную работу и выходят в выпускной канал 6. Выделенная механическая мощность снимается с вала 7.

Скажем, при использовании в авиации вся мощность будет задействована при взлете. В крейсерском же режиме часть роторов можно будет отключить. Это существенно увеличивает надежность и ресурс двигателя в целом.

Эксперты отмечают также, что роторная машина в двигателе Кузнецова при сопоставимых с газотурбинными устройствами мощностях имеет впятеро меньшее число оборотов, что значительно упрощает устройство редуктора. А когда в МВТУ имени Н.Э. Баумана был произведен математический расчет модели двигателя, оказалось, что если разместить его в моторном отсеке современного танка, он позволит в 5 раз увеличить суммарную мощность — с 2000 до 10 000 кВт!

Впрочем, не все технические проблемы здесь уже решены: велики потери продуктов сжигания топлива при переводе из камеры в камеру, дорого обходится необходимость точнейшей обработки деталей СРМ, вызывает сомнения прочность конструкции ротора при высоких оборотах… Но, как полагают эксперты, доводку конструкции можно осуществить уже при стендовых испытаниях первого опытного образца.

А вот с этим как раз загвоздка. Кузнецов подсчитал, что для доведения его проекта до ума понадобится 7 — 10 лет и не менее 100–200 млн. долларов. Однако российские моторостроительные концерны раскошелиться на новый двигатель не торопятся. Во-первых, ныне ни у кого нет таких денег. Во-вторых, многие из нынешних авторитетов защитили диссертации по доводке, модернизации традиционных конструкций и убеждены, что альтернатива им не нужна.

В общем, время идет, а новый двигатель существует лишь в виде макетного образца. Вокруг Кузнецова, как уже говорилось, ходят кругами лишь зарубежные фирмачи. И вряд ли стоит удивляться, если первые подобными двигатели появятся вовсе не на нашем рынке.

Кстати, «Перун» — не единственная революционная конструкция, которая никак не может пробить себе дорогу на производство. Еще один ДВС нового поколения сконструировал бывший профессор, а ныне смоленский пенсионер И.Ф. Ефимов.

Как известно, в существующем ныне поршневом двигателе внутреннего сгорания рабочий ход включает в себя 16 операций, из которых только 4 совершают полезную работу, а 12 — подготовительные. Ефимову удалось убрать подготовительные циклы рабочего хода, и конструкция мотора упростилась до минимума.

В новом двигателе нет ни поршней, ни цилиндров, ни клапанов. Нет коленчатого и распределительного валов. Мотор имеет небольшой вес и объем. Например, аналог «жигулевского» двигателя мощностью в 50 кВт весит 27 кг, а аналог мотора для грузовика ЗИЛ-130 мощностью в 100 кВт — всего 40 кг. К тому же мотор получился очень экономичным: расход бензина — всего 0,05 л/кВт∙ч.