Без клапанов, без распредвала, без головки блока. Как работал самый безумный дизель в истории
Сегодня двигателями, в каждом цилиндре которых находятся по два поршня, движущихся навстречу друг другу, уже трудно кого-нибудь удивить. По похожей схеме создавались знаменитые авиационные дизели Junkers Jumo 205, а позднее идеи двухтактного дизеля со встречным движением поршней получили развитие в советских танковых двигателях семейства 5ТДФ и 6ТД. Такие силовые установки применялись и применяются на кораблях, тепловозах, бронетехнике и различных специальных машинах.
Однако в середине XX века подобный двигатель под полом обычного грузовика выглядел почти технической фантастикой. Особенно если учесть, что у него не было привычной головки блока цилиндров, клапанов и распределительного вала. Более того, британские конструкторы умудрились заставить шесть поршней работать всего на один коленчатый вал.
Речь идёт о знаменитом Commer TS3 — одном из наиболее необычных серийных автомобильных дизелей в истории. Разрабатывать его начали ещё вскоре после Второй мировой войны на предприятии Humber в Stoke Aldermoor, а серийное производство развернулось в 1950-е годы. И в отличие от множества экспериментальных моторов необычной конструкции, TS3 действительно выпускался тысячами экземпляров и годами работал на обычных грузовиках и автобусах.
Дизель Commer TS3
Зачем британцам понадобился такой двигатель
Чтобы понять происхождение TS3, нужно вспомнить, что послевоенные британские грузовики быстро переходили на новую компоновку. Производители стремились отказаться от длинного капота и максимально выдвинуть кабину вперёд. Это позволяло при той же общей длине автомобиля получить более длинную грузовую платформу и одновременно улучшить использование пространства.
Но возникала проблема — двигатель.
Обычный высокий рядный дизель занимал слишком много места. Если поставить его непосредственно под кабиной, пол приходилось поднимать, а сам автомобиль становился высоким и неудобным. Поэтому компании Rootes Group, владевшей марками Commer и Humber, требовался чрезвычайно компактный, низкий, но одновременно достаточно мощный дизель.
Конструкторы сформулировали требования весьма жёстко: небольшие размеры и масса, низкий расход топлива, сравнительно невысокая себестоимость, простое обслуживание и характеристики не хуже существовавших бензиновых моторов. Современная двигателестроительная школа наверняка привела бы инженеров к компактному рядному или V-образному дизелю. Британцы пошли гораздо более экзотическим путём.
Они решили вообще отказаться от привычной головки блока цилиндров.
Три цилиндра — но шесть поршней
Формально Commer TS3 был всего лишь трёхцилиндровым дизелем. Но это определение почти ничего не говорит о его настоящем устройстве.
Каждый цилиндр располагался горизонтально и был фактически открыт с двух сторон. В нём находились два поршня, обращённые днищами друг к другу. Во время такта сжатия они одновременно двигались к середине цилиндра, уменьшая пространство между собой. Именно между днищами двух поршней и образовывалась камера сгорания.
Таким образом, три цилиндра означали сразу шесть поршней.
Обычной головки блока цилиндров просто не существовало. Следовательно, не требовалась прокладка ГБЦ, не было впускных и выпускных клапанов, коромысел клапанного механизма, клапанных пружин и распределительного вала.
Для дизеля середины XX века это было чрезвычайно привлекательным преимуществом. Герметизация головки цилиндров мощных дизелей тогда представляла гораздо более серьёзную проблему, чем сегодня, а британцы решили её самым радикальным способом: нет головки — нет и проблемы с её прокладкой.
Современники особо отмечали также малое количество деталей и удобство обслуживания. У трёхцилиндрового TS3 было всего три форсунки. archive.commercialmotor.com
Но куда девались клапаны?
Здесь начиналось самое интересное. TS3 являлся не просто дизелем со встречными поршнями, но ещё и двухтактным дизелем.
В стенках цилиндров находились окна. Одни служили для поступления свежего воздуха, другие — для выхода отработавших газов. Перемещаясь внутри цилиндра, сами поршни в нужный момент открывали и закрывали эти окна.
Фактически поршни одновременно выполняли часть работы традиционного газораспределительного механизма.
С одной стороны цилиндра располагались впускные окна, с другой — выпускные. Поток воздуха двигался вдоль цилиндра практически в одном направлении, обеспечивая так называемую прямоточную продувку.
Но заставить двухтактный дизель нормально дышать самостоятельно невозможно. Поэтому TS3 получил нагнетатель типа Roots, принудительно подававший воздух в цилиндры. Его задача состояла прежде всего не в модном сегодня «наддуве ради мощности», а в обеспечении нормального газообмена двухтактного двигателя: свежий воздух помогал вытеснить остатки выхлопных газов и заполнить цилиндр перед очередным сжатием.
Причём фазы работы двух поршней были намеренно немного смещены относительно друг друга. Выпускной поршень получал небольшое опережение, благодаря чему выпускные окна открывались раньше, а затем начиналась эффективная продувка цилиндра. Инженеры получили нужные фазы газообмена без распределительного вала и клапанного механизма.
Один цилиндр — два поршня. А коленвал один
Казалось бы, дальше всё очевидно. Если поршни расположены с противоположных сторон цилиндра, проще всего поставить два коленчатых вала — по одному с каждой стороны двигателя. Именно такая схема применялась на многих других двигателях со встречным движением поршней.
Но британские инженеры решили, что это недостаточно необычно.
У Commer TS3 имелся всего один коленчатый вал, расположенный под цилиндрами.
Чтобы передать ему усилие сразу от обоих поршней, пришлось создать удивительную систему рычагов. Каждый поршень через шатун воздействовал на большой качающийся рычаг-коромысло, а уже от него усилие через другой шатун передавалось вниз на коленчатый вал.
Получалась необычная механическая конструкция: наверху горизонтально двигались шесть поршней, по бокам двигателя раскачивались массивные рычаги, а под всем этим вращался единственный коленчатый вал. У него имелось шесть шатунных шеек, соответствовавших шести поршням. Википедия
Именно этот механизм делал TS3 настолько узнаваемым. При всей внешней сложности он позволял сохранить двигатель чрезвычайно низким — именно то, чего требовали создатели нового поколения бескапотных грузовиков.
Как происходил рабочий цикл
Представим один цилиндр.
После продувки оба поршня начинают двигаться навстречу друг другу. Впускные и выпускные окна закрываются, находящийся между поршнями воздух быстро сжимается и нагревается.
Когда поршни практически встречаются в центре цилиндра, форсунка впрыскивает топливо в образовавшуюся между ними небольшую камеру сгорания. От высокой температуры сжатого воздуха солярка воспламеняется.
Давление газов начинает одновременно раздвигать оба поршня в противоположные стороны.
Но через систему шатунов и качающихся рычагов энергия обоих поршней приходит на один коленчатый вал.
Затем выпускной поршень первым открывает выпускные окна. Давление в цилиндре резко падает, отработавшие газы устремляются наружу. Чуть позже второй поршень открывает впускные окна, и нагнетатель начинает подавать свежий воздух. Он проходит вдоль цилиндра, вытесняя оставшиеся продукты сгорания.
Поршни снова начинают двигаться навстречу друг другу — и цикл повторяется.
Никаких клапанов. Никакого распределительного вала. Никакой головки блока.
Всего 3,26 литра — и 105 лошадиных сил
Необычная конструкция была бы интересна лишь историкам техники, если бы TS3 плохо работал. Но двигатель оказался весьма удачным.
Рабочий объём серийной версии составлял примерно 3,26 литра. При этом в варианте середины 1950-х годов мотор развивал 105 л. с. при 2400 об/мин и около 366 Н·м при всего 1200 об/мин. Для столь небольшого дизеля того времени это были весьма серьёзные показатели. На момент появления пассажирской версии мощность первоначально составляла около 90 л. с., после чего её достаточно быстро подняли до 105 л. с.
Особенно впечатляла компактность. Снаряжённый вспомогательными агрегатами двигатель весил около 1000 фунтов, то есть примерно 454 кг, что считалось весьма небольшим показателем для дизеля подобной мощности. archive.commercialmotor.com
Основные характеристики Commer TS3
- Тип — двухтактный дизель со встречным движением поршней
- Число цилиндров — 3
- Число поршней — 6
- Рабочий объём — 3,261 л
- Диаметр цилиндра — около 83 мм
- Ход поршня — около 102 мм
- Количество коленчатых валов — 1
- Газообмен — прямоточная продувка через окна
- Нагнетатель — типа Roots
- Охлаждение — жидкостное
- Мощность одной из основных версий — 105 л. с. при 2400 об/мин
- Максимальный крутящий момент — около 366 Н·м при 1200 об/мин
- Масса двигателя со вспомогательным оборудованием — около 454 кг
Грузовик, у которого двигатель находился под водителем
Компактность TS3 позволила реализовать главную задумку конструкторов.
Двигатель можно было положить горизонтально под полом кабины Commer. Огромного капота перед водителем больше не требовалось. Кабину удалось сдвинуть максимально вперёд, освободив дополнительную длину для грузовой платформы.
Причём обслуживание такой экзотической силовой установки оказалось не настолько страшным, как можно предположить. Через люки механик получал доступ к фильтрам, топливному насосу и форсункам, а боковые панели позволяли добраться до поршней, шатунов и рычажного механизма.
TS3 устанавливался не только на грузовые автомобили Commer, но и на машины Karrier, автобусы и специальные шасси. В 1954 году он уже демонстрировался как серийная силовая установка для семитонного грузового шасси Commer.
Грузовой Commer
А ещё он экономил топливо
Одним из главных аргументов в пользу необычного двигателя была топливная экономичность. И это оказалось не одной лишь рекламой.
В 1955 году британский журнал The Commercial Motor испытал 41-местный автобус с TS3. При полной массе около девяти тонн машина показала расход, соответствующий примерно 23,55 британской мили на галлон. Более ранний Commer Avenger на испытаниях того же издания показал 22,9 мили на галлон. Для тяжёлой пассажирской машины середины 1950-х результат считался весьма хорошим.
Не менее важным был крутящий момент на низких оборотах. Небольшой по объёму TS3 мог выполнять работу гораздо более крупных традиционных дизелей.
И двигатель постепенно заслужил репутацию настоящего работяги.
Особенно интересна его судьба в Австралии и Новой Зеландии, где грузовики нередко эксплуатировались значительно тяжелее, чем предполагали британские конструкторы. TS3 получил там знаменитое прозвище Commer Knocker — характерный звук двигателя невозможно было спутать практически ни с чем. Trucksales
За чудеса приходится платить
Разумеется, идеальным TS3 не был.
Исчезновение клапанов и головки блока вовсе не означало полного исчезновения сложной механики. Просто она переместилась в другое место.
Массивные коромысла и дополнительные шатуны требовали хорошей смазки. Причём характер движения элементов создавал специфические нагрузки на подшипники, из-за чего инженерам пришлось тщательно разрабатывать систему подачи и распределения масла. Это была одна из тех проблем, которым создатели TS3 уделили немало времени ещё на стадии доводки.
Существовали и типичные двухтактные неприятности. На выпускных окнах мог образовываться нагар. На ранних прототипах проблема оказалась достаточно серьёзной, поэтому конструкторам пришлось изменять форму перемычек выпускных окон, чтобы поток газов эффективнее очищал их. archive.commercialmotor.com
Нагнетатель тоже добавлял механической сложности. Его привод осуществлялся длинным валом, который при чрезмерных нагрузках мог стать слабым местом двигателя. Википедия
Ну и, конечно, звук.
Тихим TS3 назвать было сложно. Его специфическое сочетание двухтактного выхлопа, механического шума и воя нагнетателя стало настолько характерным, что старые Commer до сих пор узнают прежде всего по звуку.
Двигатель, способный работать почти на всём
Но британцы продолжали экспериментировать.
В конце 1950-х появилась даже многотопливная модификация TS3, представлявшая интерес прежде всего для военных. Испытания показали возможность работы соответствующим образом доработанного двигателя не только на обычном дизельном топливе, но и на керосиновых и реактивных топливах, а также некоторых сортах бензина.
Для этого, конечно, требовались изменения топливной аппаратуры и системы её смазки — заливать бензин в обычный серийный TS3 производитель категорически не рекомендовал. Однако сама способность двигателя сравнительно легко превращаться в многотопливный была ещё одним подтверждением потенциала схемы. archive.commercialmotor.com
Четыре цилиндра и ещё больше мощности
У TS3 мог появиться ещё более интересный наследник.
Британцы разработали экспериментальный TS4 — увеличенный четырёхцилиндровый вариант двигателя со встречными поршнями. То есть внутри него работало уже восемь поршней.
По сохранившимся сведениям, опытные TS4 достигали примерно 180 л. с. и порядка 603 Н·м крутящего момента. Для британского коммерческого дизеля того периода показатели выглядели чрезвычайно перспективно.
Одновременно продолжались эксперименты с самим TS3. Опытные форсированные и турбированные варианты демонстрировали, что первоначальная конструкция имела значительный резерв увеличения мощности.
Однако к этому времени судьба Rootes Group уже менялась. Компания перешла под контроль Chrysler, модельный ряд начал перестраиваться и унифицироваться, а дальнейшее развитие экзотического семейства TS постепенно потеряло смысл с точки зрения нового владельца.
TS4 до массового производства так и не добрался.
Мотор Commer TS4
Почему весь мир не перешёл на такие моторы?
На бумаге идея выглядит почти идеальной. Убираем головку блока, клапаны и распредвал, уменьшаем количество цилиндров, получаем компактную камеру сгорания и высокую удельную мощность.
Но бесплатных преимуществ в двигателестроении не существует.
Отказавшись от одного комплекта деталей, конструкторы вынуждены были добавить другой. В случае TS3 это были огромные качающиеся коромысла, дополнительные шатуны и привод нагнетателя. Сам двухтактный рабочий процесс предъявлял повышенные требования к продувке цилиндров и состоянию окон.
Традиционные четырёхтактные дизели тем временем быстро совершенствовались. Они становились легче, мощнее и экономичнее, а их обслуживание было знакомо практически любому механику.
В итоге экзотическая конструкция потеряла значительную часть своих первоначальных преимуществ.
Но это совершенно не означает, что TS3 оказался тупиковой или неудачной разработкой. Напротив, британцам удалось сделать то, что удаётся чрезвычайно редко: превратить необычную инженерную концепцию в полноценный массовый коммерческий продукт.
Не эксперимент, а настоящий серийный двигатель
Именно поэтому Commer TS3 занимает особое место в истории двигателестроения.
Инженеры Rootes не просто построили опытный образец, показали его на выставке и отправили в музей. TS3 устанавливался на серийные грузовики и автобусы, перевозил пассажиров и грузы, экспортировался и годами эксплуатировался вдали от Британии.
Причём всё это делал трёхцилиндровый двигатель, внутри которого находилось шесть поршней.
У него не было головки блока цилиндров.
Не было впускных и выпускных клапанов.
Не было распределительного вала.
Зато были встречные поршни, огромные качающиеся коромысла, единственный коленчатый вал и нагнетатель, без которого вся эта механическая симфония просто не могла работать.
Пожалуй, именно этим TS3 и интересен сегодня. История техники знает немало безумных двигателей. Но подавляющее большинство из них осталось экспериментами. А этот «безумный» дизель оказался достаточно хорош, чтобы каждое утро заводиться и отправляться на работу.
Источники:
https://www.scorpion-engineering.co.uk/Rootes_Archive/Memories/cottingham.jan.2006.html
https://motor-car.net/british-makes/commer/item/17576-commer-ts3
https://archive.commercialmotor.com/article/22nd-july-1955/52/why-d-they-do-it
