Čudni motori zaglavljeni na marginama napretka

Wankelov motor, Stirlingov motor i razne vrste turbo-pogonskih agregata nikada nisu ušli u automobilski mainstream. Brojne poznate kompanije — od Mazde do GM-a, od Mercedesa do Volva — radile su na njima decenijama. Nastavljale su i male firme i individualni pronalazači. Ipak se ispostavilo da svaki alternativni dizajn krije daleko više zamki nego što se u početku očekivalo. To ne znači da je razvoj nekonvencionalnih pogonskih agregata nemoguć. Entuzijasti nastavljaju gurati različite ideje naprijed, a ovdje istražujemo neke od najegzotičnijih motornih koncepcija ikada izgrađenih.

Motori s podijeljenim ciklusom: Dva cilindra, jedan radni takt

Neki konstruktori motora zaključili su da se klasična kombinacija cilindra, klipa, klipnjače i radilice dokazala tokom više od stoljeća — te da poboljšanje motora s unutarnjim sagorijevanjem zahtijeva samo prilagođavanje određenih aspekata, a ne izmišljanje iznova. Prvi primjer na našoj listi je motor koji je razvila američka kompanija Scuderi Group, koja zadržava klasične takte usisa, kompresije, rada i ispuha — ali ih dijeli na dva odvojena cilindra:

• Hladni (kompresorski) cilindar — obavlja usis i kompresiju
• Vrući (radni) cilindar — obavlja radni takt i ispuh

Dok se plin širi u radnom cilindru, u hladnom kompresorskom cilindru odvija se takt usisa. Kada radni cilindar vrši ispuh, kompresorski cilindar vrši kompresiju. Na kraju takta kompresije, oba klipa se približavaju gornjim mrtvim točkama, smjesa putuje kroz premosni kanal iz hladnog cilindra u vrući i pali se. Ovaj podijeljeni ciklus — u suštini modificirani Ottov ciklus — patentiran je 2006. godine, a 2009. Scuderi Group je izgradio prototip motora Scuderi Split Cycle Engine.

Kompresorski i radni cilindri mogu imati različite promjere i hode klipova, što omogućava fleksibilno podešavanje parametara motora — funkcionirajući kao analogija Millerovog ciklusa s dodatnim širenjem plina. Dodajte granu s ventilima i bocu visokog tlaka na kanal između cilindara, i motor može povratiti energiju tokom kočenja i koristiti je tokom ubrzanja. Međutim, već niz godina aktivnosti Scuderi Grupe ograničene su na prototipove i nastupe na sajmovima. Realni dobici u efikasnosti još uvijek ne opravdavaju znatnu složenost dizajna.

Hrvatska kompanija Paut Motor također se okrenula podijeljenom radnom ciklusu. Njihov razmješteni dizajn privukao je pažnju iz nekoliko razloga:

• Znatno manji broj pokretnih dijelova u odnosu na konvencionalne motore
• Manji gubici zbog trenja
• Smanjena buka u radu
• Kompaktne dimenzije: 500×440×440 mm pri zapremini od 7 litara
• Težina od oko 135 kg — otprilike pola težine tradicionalnog motora iste zapremine

Odsustvo ulja u kućištu radilice zahtijeva vanjski rezervoar za podmazivanje, ali su pronalazači to smatrali prihvatljivim kompromisom. Izgrađeno je nekoliko prototipova, iako snaga nikada nije zvanično utvrđena. Posljednji prototip je sklopljen 2011. godine, a projekt je od tada zapao u zastoj.

Bonnerov dvotaktni motor: Maksimalna složenost, ambiciozni ciljevi

Bonnerov dvotaktni motor (nazvan po svom sponzoru, Bonner Motor) izumio je 2006. godine u Sjedinjenim Državama Walter Schmid i gura mehaničku složenost još dalje. Kao i kod Paut Motora, njegovi cilindri su raspoređeni u X-konfiguraciji, a radilica vrši planetarno kretanje putem zupčaničkog sistema. Ključne karakteristike uključuju:

• Ventili u dnu cilindara i rotirajući kalemasti ventili u kućištu motora za raspodjelu plina
• Vanjski klipovi koji se mogu neznatno pomicati pod tlakom ulja kako bi osigurali promjenjivi omjer kompresije
• Visoki omjer snage i težine kao primarni cilj dizajna

U teoriji, Bonnerov motor izgleda uvjerljivo. U praksi, međutim, iz projekta godinama nije došlo nikakvih značajnih vijesti — očito nije ispunio očekivanja.

Aksijalni motori: Cilindri raspoređeni poput revolvera

Drugi pronalazači su zadržali radne cikluse motora s unutarnjim sagorijevanjem netaknutim, ali su preuredili fizički raspored njegovih komponenti. Aksijalni motori, koji postoje već više od stoljeća, prvorazredan su primjer. Razlikuju se u detaljima, ali dijele zajednički princip: cilindri su raspoređeni poput patrona u bubnju revolvera, koaksijalno s izlaznim vratilom. Razni mehanizmi — kao što su nagnuti čepovi i konusni prstenovi — pretvaraju naizmjenično kretanje klipova u rotaciju vratila.

Projekt Duke Engines iz Novog Zelanda je jedan zapažen primjer: petocilindrični, četverotaktni aksijalni motor zapremine 3 litre. U usporedbi s konvencionalnim motorom iste zapremine, Duke agregat je nudio:

• 19% manju težinu
• 36% kompaktniju izvedbu
• Svestrani potencijal primjene u automobilskom, pomorskom i zrakoplovnom sektoru

Data su ambiciozna obećanja o njegovoj širokoj primjeni — ali snovi o osvajanju svijeta ostali su snovi.

Motor RadMax kanadske kompanije Reg Technologies uzima aksijalni koncept još dalje. Umjesto zasebnih cilindara, desetak pretinaca formira se unutar zajedničkog bubnja pomoću tankih lopatica. Ploče montirane u utore rotora kreću se duž njih dok se rotor okreće, a zakrivljene površine na krajevima bubnja definiraju putanje lopatica i kontroliraju razmjenu plina. Značajne karakteristike:

• Kompatibilan s više vrsta goriva, iako je dizel bio početni fokus
• Prototip iz 2003. godine mjerio je samo 152 mm i u promjeru i u dužini, a ipak je razvijao 42 konjske snage — daleko više od konvencionalnog motora ekvivalentne veličine
• Kasniji prototipovi navodno su dostigli 127 KS i 380 KS

Unatoč ovim obećavajućim brojevima, sve RadMax aktivnosti čini se da ostaju na eksperimentalnoj fazi.

Toroidalni motori: Kada cilindar postane krofna

Motor VGT (Toroidalni motor promjenjive geometrije) sada nepostojeće kanadske kompanije VGT Technologies još je jedan primjer teorije koja nadmašuje praksu. Prvo testiran 2005. godine, motor zamjenjuje konvencionalni cilindar toroidom — komorom u obliku krofne — unutar koje se okreće rotor s parom pričvršćenih klipova.

Tanka razvodna ploča s izrezom za klipove rotira se kroz toroid putem remenskog prijenosa, ograničavajući smjesu goriva i zraka tokom kompresije i radnog takta. Godine 2009. američki poduzetnici Gary Kelley i Rick Ivas nezavisno su razvili toroidalni motor koji je usko oponašao kanadski dizajn. Njihove procjene sugeriraju da bi toroid promjera pola metra davao:

• 230 konjskih snaga
• Otprilike 1.000 N·m okretnog momenta
• Sve pri samo 1.050 o/min

Njihova kompanija, Garric Engines, sada prikazuje samo kratku poruku na svojoj web stranici: „Hvala vam na interesu. Stranica može biti ažurirana u budućnosti.”

Nutacijski motor: Rotirajući diskovi umjesto klipova

Nešto perspektivnija sudbina možda čeka nutacijski motor koji je izumio Amerikanac Leonard Meyer 2006. godine — izgrađeno je barem nekoliko radnih primjeraka. Naziv dolazi od latinskog nutatio (klimanje ili ljuljanje). Meyerov dizajn formira četiri radne komore promjenjivog volumena između kućišta motora i diska koji nutira (ljulja se) s jedne strane na drugu, funkcionirajući kao klip. Disk je prerezan na pola duž svog promjera i navučen na izlazno vratilo u obliku slova Z, a kanali i ventili u kućištu upravljaju razmjenom plina.

Prototipove je izgradila Baker Engineering i njena sestrinska kompanija Kinetic BEI, s impresivnim rezultatima:

• Jedan disk od 102 mm: 7 KS
• Dva diska od 203 mm: 120 KS
• Dimenzije dvodiskovnog motora: dužina 500 mm, promjer 300 mm, zapremina 3,8 litara
• Omjer snage i težine: 2,5–3 KS/kg u usporedbi s 1–2 KS/kg za serijski proizvedene atmosferske motore

Specifična snaga po litri je manje impresivna, ali je gustoća snage vrijedna pažnje. Baker i Kinetic čini se da usavršavaju dizajn, iako aktivnost na njihovim web stranicama ostaje ograničena.

LiquidPiston: Wankelov motor okrenut naopako

Koncepti rotacijskih motora i dalje fasciniraju inovatore, kao da samo udaljavanje od poznatog rasporeda klip-cilindar inherentno obećava bolje performanse. Nikolay Shkolnik, bivši sovjetski inženjer koji se preselio u Sjedinjene Države, i njegov sin Alexander razvili su motor koji nalikuje Wankelovom motoru okrenutom naopako. Rotor u obliku kikirikija okreće se unutar trokutaste komore — ista osnovna geometrija kao kod Wankela — ali ključno je da su brtve pričvršćene na zidove komore, a ne na rotor.

Shkolniki su osnovali LiquidPiston kako bi razvili koncept, privlačeći sufinanciranje od DARPA-e za potencijalnu upotrebu u:

• Lakim zrakoplovima i bespilotnim letjelicama
• Prenosivim generatorima struje
• Pogonskim sklopovima hibridnih vozila

Prototip od 23 cm³ već postiže termičku efikasnost od 20% — impresivno za tu klasu zapremine. Tim sada cilja na dizelski prototip mase oko 13 kg koji razvija 40 KS, s predviđenom termičkom efikasnošću koja raste do 45%.

Motor s njihajućim klipom: Kvadratni oblik

Posljednji motor u našem pregledu dokazuje da je privlačnost ravne, kompaktne jedinice realna — i da rotori nisu jedini put do njenog ostvarivanja. Motor s njihajućim klipom kompanije Pivotal Engineering jednostavno kvadratizira tradicionalni klip, čineći cilindar pravokutnim u tlocrtu. Ovaj dvotaktni dizajn postoji već nekoliko godina, tokom kojih su brojni prototipovi pogonili kako motocikle tako i zrakoplove.

Kompanija primarno cilja na zrakoplovne primjene, a dizajn nudi neke stvarne prednosti:

• Visoki omjeri snage i težine te snage i veličine
• Izvrstan potencijal za prisilno punjenje, omogućen kanalom za tekuće hlađenje koji prolazi kroz fiksnu os klipa — teško dostignuće u konvencionalnim arhitekturama motora
• Ravni faktor oblika, budući da se kvadratni rotor može napraviti vrlo tankim

Drugi egzotični koncepti motora vrijedni pažnje

Postoje mnogi izvanredni egzotični dizajni motora osim onih koji su ovdje obrađeni. Nekoliko vrijednih spomena:

• 12-rotorni Wankelov motor — dovođenje Mazdinog rotacijskog koncepta do ekstrema
• Knightov motor s rukavčastim ventilima — dizajn star stoljeće koji je nakratko rivalizirao s gljivičastim ventilom
• Motori s nasuprotnim klipovima — dva klipa koji dijele jedan cilindar, bez glave cilindra
• Motori s promjenjivim omjerom kompresije — koji omogućavaju prilagodbu kompresije u realnom vremenu radi optimizacije efikasnosti pri različitim opterećenjima
• Petotaktni motori — dodavanje namjenskog cilindra za ekspanziju kako bi se izvuklo više rada iz plinova sagorijevanja
• Motori s rotirajućim lopaticama — gdje se komponente rotora kreću poput sučeljenih i razdvojenih oštrica škara

Zašto alternativni motori ne dolaze do serijske proizvodnje?

Čak i kratki pregled nekonvencionalnih dizajna motora s unutarnjim sagorijevanjem otkriva upečatljiv obrazac: desetine pametnih ideja, a vrlo malo serijskih vozila. Ponavljajuće prepreke su dosljedne:

• Habanje brtvi — rotacijski dizajni često otkazuju zbog degradacije tjemenih brtvi tokom vremena
• Izmjenična mehanička opterećenja — koncepti s rotirajućim lopaticama pate od zamora na spoju lopatice i vratila
• Složenost proizvodnje — egzotične geometrije su skupe i teško ih je serijski proizvoditi
• Pouzdanost i trajnost — nekonvencionalni motori rijetko odgovaraju rekordu trajnosti tradicionalnih klipnih motora usavršavanih više od 100 godina

Drugi razlog zašto se alternativni motori teško probijaju je taj što konvencionalna tehnologija motora s unutarnjim sagorijevanjem nije stajala na mjestu. Najnoviji benzinski motori koji koriste Millerov ciklus postižu termičku efikasnost do 40% čak i bez turbopunjača — izvanredan podatak, s obzirom na to da većina benzinskih motora postiže samo 20–30%, a dizelski motori 30–40% (s velikim brodskim dizelima koji dostižu do 50%).

Što je najvažnije, globalna alternativa motoru s unutarnjim sagorijevanjem već je stigla: električni motori i pogonski agregati s gorivnim ćelijama. Ako pronalazači iza ovih egzotičnih kurioziteta ne riješe svoje tehničke izazove vrlo brzo, mogu otkriti da ih više ne čeka tržište — električna vozila će već preuzeti cestu.

Ovo je prijevod. Original možete pročitati ovdje: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html