El motor Wankel, el motor Stirling i diversos tipus d’unitats de turbopotència mai van entrar en el corrent principal de l’automoció. Diverses empreses conegudes — de Mazda a GM, de Mercedes a Volvo — hi van treballar durant dècades. Les petites empreses i els inventors individuals també van persistir. Tot i això, va resultar que cada disseny alternatiu amagava molts més inconvenients dels que s’esperaven inicialment. Això no vol dir que el desenvolupament d’unitats de potència poc convencionals sigui impossible. Els entusiastes continuen impulsant idees diferents, i aquí explorem alguns dels conceptes de motor més exòtics mai construïts.
Motors de Cicle Dividit: Dos Cilindres, Una Cursa Motriu
Alguns dissenyadors de motors van concloure que la combinació clàssica de cilindre, pistó, biela i cigonyal s’ha demostrat al llarg de més d’un segle — i que millorar els motors de combustió interna només requereix ajustar certs aspectes en lloc de reinventar-los des de zero. El primer exemple de la nostra llista és el motor desenvolupat per l’empresa nord-americana Scuderi Group, que conserva les curses clàssiques d’admissió, compressió, expansió i escapament — però les divideix entre dos cilindres separats:
- Cilindre fred (compressor) — s’encarrega de l’admissió i la compressió
- Cilindre calent (de treball) — s’encarrega de la cursa motriu i l’escapament
Mentre el gas s’expandeix en el cilindre de treball, té lloc una cursa d’admissió en el cilindre fred, el compressor. Quan el cilindre de treball expulsa els gasos, el cilindre compressor comprimeix. Al final de la cursa de compressió, tots dos pistons s’aproximen als seus punts morts superiors, la mescla viatja a través d’un canal de derivació del cilindre fred al calent i s’encén. Aquest cicle dividit — essencialment un cicle Otto modificat — va ser patentat el 2006, i el 2009 el Scuderi Group va construir el prototip Scuderi Split Cycle Engine.
Els cilindres compressor i de treball poden tenir diàmetres i curses de pistó diferents, cosa que permet ajustar de manera flexible els paràmetres del motor — funcionant com un anàleg del cicle Miller amb una expansió addicional del gas. Afegint una branca amb vàlvules i una ampolla d’alta pressió al canal entre els cilindres, el motor pot recuperar energia durant el frenatge i desplegar-la durant l’acceleració. No obstant això, des de fa alguns anys, les activitats del Scuderi Group s’han limitat a prototips i aparicions en fires comercials. Els guanys d’eficiència en el món real encara no han justificat la considerable complexitat del disseny.
L’empresa croata Paut Motor també va recórrer al cicle de treball dividit. El seu disseny espaciat va atraure l’atenció per diverses raons:
- Significativament menys peces mòbils que els motors convencionals
- Menors pèrdues per fricció
- Reducció del soroll de funcionament
- Dimensions compactes: 500×440×440 mm amb una cilindrada de 7 litres
- Pes d’aproximadament 135 kg — aproximadament la meitat que un motor tradicional del mateix desplaçament
L’absència d’oli al càrter sí que requereix un dipòsit de lubricació extern, però els inventors ho van considerar un compromís acceptable. Es van construir diversos prototips, tot i que la potència final mai es va determinar oficialment. L’últim prototip es va muntar el 2011, i el projecte s’ha aturat des d’aleshores.
El Motor de Dos Temps Bonner: Màxima Complexitat, Objectius Ambiciosos
El motor de dos temps Bonner (anomenat així pel seu patrocinador, Bonner Motor) va ser inventat el 2006 als Estats Units per Walter Schmid i porta la complexitat mecànica encara més lluny. Com el Paut Motor, els seus cilindres estan disposats en una configuració en X, i el cigonyal realitza un moviment planetari mitjançant un sistema d’engranatges. Les característiques clau inclouen:
- Vàlvules als fons dels cilindres i vàlvules de carret rotatiu al cos del motor per a la distribució de gasos
- Pistons externs que poden desplaçar-se lleugerament sota la pressió d’oli per proporcionar una relació de compressió variable
- Alta relació potència-pes com a objectiu de disseny principal
En teoria, el motor Bonner sembla convincent. En la pràctica, però, no han sorgit notícies significatives del projecte des de fa anys — pel que sembla, no ha complert les expectatives.
Motors Axials: Cilindres Disposats com un Revòlver
Altres inventors van mantenir els cicles de treball del motor de combustió interna intactes però van reimaginar la disposició física dels seus components. Els motors axials, que existeixen des de fa més d’un segle, en són un exemple destacat. Varien en els detalls però comparteixen un principi comú: els cilindres estan disposats com cartutxos en el tambor d’un revòlver, coaxials amb l’eix de sortida. Diversos mecanismes — com passadors inclinats i arandeles còniques — converteixen el moviment alternatiu dels pistons en rotació de l’eix.
El projecte Duke Engines de Nova Zelanda és una varietat destacada: un motor axial de quatre temps i cinc cilindres amb una cilindrada de 3 litres. En comparació amb un motor convencional de la mateixa capacitat, la unitat Duke oferia:
- 19% menys de pes
- 36% d’embalatge més compacte
- Potencial d’aplicació versàtil en els sectors de l’automoció, marítim i aviació
Es van fer promeses ambicioses sobre la seva adopció generalitzada — però els somnis de conquerir el món van continuar sent somnis.
El motor RadMax de l’empresa canadenca Reg Technologies porta el concepte axial encara més lluny. En lloc de cilindres discrets, una dotzena de compartiments es formen a l’interior d’un tambor comú mitjançant fulles primes. Les plaques muntades en ranures del rotor es mouen al llarg d’elles a mesura que el rotor gira, i les superfícies corbes als extrems del tambor defineixen les trajectòries de les fulles i controlen l’intercanvi de gasos. Característiques destacades:
- Compatible amb múltiples tipus de combustible, tot i que el dièsel era l’objectiu inicial
- Un prototip del 2003 mesurava només 152 mm tant en diàmetre com en longitud i produïa 42 cavalls de vapor — molt més que un motor convencional de mida equivalent
- Prototips posteriors van assolir presumiblement 127 cv i 380 cv
Malgrat aquestes xifres prometedores, tota l’activitat de RadMax sembla romandre en fase experimental.
Motors Toroïdals: Quan el Cilindre es Converteix en un Donut
El motor VGT (Variable Geometry Toroidal Engine) de l’empresa canadenca ja desapareguda VGT Technologies és un altre exemple de com la teoria supera la pràctica. Provat per primera vegada el 2005, el motor substitueix el cilindre convencional per un toroide — una cambra en forma de donut — dins de la qual gira un rotor amb un parell de pistons acoblats.
Un disc de distribució prim amb un tall per als pistons gira a través del toroide mitjançant una transmissió per corretja, restringint la mescla aire-combustible durant la compressió i la cursa motriu. El 2009, els emprenedors nord-americans Gary Kelley i Rick Ivas van desenvolupar de manera independent un motor toroïdal que s’assemblava molt al disseny canadenc. Les seves estimacions suggerien que un toroide de mig metre de diàmetre proporcionaria:
- 230 cavalls de vapor
- Aproximadament 1.000 N·m de parell motor
- Tot a tan sols 1.050 rpm
La seva empresa, Garric Engines, ara mostra només un missatge breu al seu lloc web: “Gràcies pel vostre interès. La pàgina pot ser actualitzada en el futur.”
El Motor Nutant: Discos Giratoris en Lloc de Pistons
Un destí lleugerament més prometedor pot esperar al motor nutant inventat per l’americà Leonard Meyer el 2006 — almenys s’han construït diverses còpies funcionals. El nom prové del llatí nutatio (capejament o oscil·lació). El disseny de Meyer forma quatre cambres de treball de volum variable entre el cos del motor i un disc que nuta (oscil·la) d’un costat a l’altre, funcionant com el pistó. El disc està tallat per la meitat al llarg del seu diàmetre i enfilat en un eix de sortida en forma de Z, amb canals i vàlvules al cos que gestionen l’intercanvi de gasos.
Els prototips van ser construïts per Baker Engineering i la seva empresa germana Kinetic BEI, amb resultats impressionants:
- Disc únic de 102 mm: 7 cv
- Dos discos de 203 mm: 120 cv
- Dimensions del motor de dos discos: 500 mm de longitud, 300 mm de diàmetre, cilindrada de 3,8 litres
- Relació potència-pes: 2,5–3 cv/kg vs. 1–2 cv/kg per als motors d’aspiració natural de producció en sèrie
La potència específica per litre és menys impressionant, però la densitat de potència és notable. Baker i Kinetic semblen estar refinant el disseny, tot i que l’activitat als seus llocs web continua sent limitada.
LiquidPiston: El Motor Wankel Girat del Revés
Els conceptes de motors rotatius continuen captivant els innovadors, com si allunyar-se de la disposició familiar de pistó i cilindre prometés inherentment un millor rendiment. Nikolay Shkolnik, un antic enginyer soviètic que es va traslladar als Estats Units, i el seu fill Alexander van desenvolupar un motor que s’assembla al motor Wankel girat del revés. Un rotor en forma de cacauet gira dins d’una cambra triangular — la mateixa geometria bàsica que el Wankel — però, de manera crucial, els segells estan fixats a les parets de la cambra en lloc del rotor.
Els Shkolnik van fundar LiquidPiston per desenvolupar el concepte, atraient cofinançament de DARPA per al seu ús potencial en:
- Avions lleugers i drons
- Generadors d’energia portàtils
- Trens de potència de vehicles híbrids
Un prototip de 23 cm³ ja assoleix un 20% d’eficiència tèrmica — impressionant per a aquesta classe de cilindrada. L’equip ara té com a objectiu un prototip de dièsel que pesi al voltant de 13 kg i produeixi 40 cv, amb una eficiència tèrmica projectada que augmenta fins al 45%.
Li vam donar al vell motor rotatiu la reinvenció que desitjava!
Alta relació de compressió i sobreexpansió; Baixa àrea de superfície; segells d’àpex estacionaris
El motor resol:
– refrigeració
– emissions
– estanqueïtat
– reptes d’eficiència
– lubricació
El Motor de Pistó Oscil·lant: Fent-ho Quadrat
L’últim motor de la nostra revisió demostra que l’atractiu d’una unitat plana i compacta és real — i que els rotors no són l’única via per aconseguir-ho. El motor de pistó oscil·lant de Pivotal Engineering simplement quadra el pistó tradicional, fent que el cilindre sigui rectangular en vista superior. Aquest disseny de dos temps existeix des de fa diversos anys, durant els quals una sèrie de prototips han propulsat tant motocicletes com aeronaus.
L’empresa s’orienta principalment a les aplicacions d’aviació, i el disseny ofereix alguns avantatges genuïns:
- Altes relacions potència-pes i potència-mida
- Excel·lent potencial de sobrealimentació forçada, permès per un canal de refrigeració líquida que passa per l’eix fix del pistó — una fita difícil en arquitectures de motor convencionals
- Forma plana, ja que el rotor quadrat pot ser molt prim
Altres Conceptes de Motors Exòtics que Val la Pena Conèixer
Hi ha molts dissenys de motors exòtics notables més enllà dels tractats aquí. Algunes mencions honorífiques:
- Motor Wankel de 12 rotors — portant el concepte rotatiu de Mazda a un extrem
- Motor de vàlvules de màniga Knight — un disseny de fa un segle que va rivalitzar breument amb la vàlvula de bolet
- Motors de pistons oposats — dos pistons compartint un únic cilindre, sense culata
- Motors de relació de compressió variable — que permeten l’ajust en temps real de la compressió per optimitzar l’eficiència en diverses condicions de càrrega
- Motors de cinc temps — afegint un cilindre d’expansió dedicat per extreure més treball dels gasos de combustió
- Motors de pales rotatives — on els components del rotor es mouen com fulles de tisora que convergeixen i divergeixen
Per Què els Motors Alternatius No Arriben a la Producció en Sèrie?
Fins i tot un breu repàs als dissenys de motors de combustió interna poc convencionals revela un patró sorprenent: dotzenes d’idees intel·ligents, molt pocs vehicles de producció. Els obstacles recurrents són consistents:
- Desgast dels segells — els dissenys rotatius sovint fallen a causa de la degradació dels segells d’àpex amb el temps
- Càrregues mecàniques alternes — els conceptes de pales rotatives pateixen fatiga en la connexió fulla-eix
- Complexitat de fabricació — les geometries exòtiques són cares i difícils de produir a escala
- Fiabilitat i longevitat — els motors poc convencionals rarament igualen el rècord de durabilitat dels motors de pistó tradicionals perfeccionats durant més de 100 anys
La segona raó per la qual els motors alternatius tenen dificultats és que la tecnologia dels motors de combustió interna convencionals no s’ha quedat quieta. Els últims motors de gasolina que utilitzen el cicle Miller assoleixen una eficiència tèrmica de fins al 40% fins i tot sense turbocompressor — una xifra notable, tenint en compte que la majoria dels motors de gasolina només aconsegueixen un 20–30%, i els motors dièsel un 30–40% (amb els grans dièsel marins que arriben fins al 50%).
El més important és que l’alternativa global al motor de combustió interna ja ha arribat: els motors elèctrics i les unitats de pila de combustible. Si els inventors d’aquestes curiositats exòtiques no resolen els seus reptes tècnics molt aviat, és possible que ja no hi hagi cap mercat esperant-los — els vehicles elèctrics ja hauran pres la carretera.
Aquesta és una traducció. Podeu llegir l’original aquí: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html
Published October 07, 2021 • 11m to read
