Podivné motory uvízlé na okraji pokroku

Wankelův motor, Stirlingův motor a různé typy turbosoustrojí nikdy nepronikly do automobilového mainstreamu. Řada známých společností — od Mazdy po GM, od Mercedesu po Volvo — na nich pracovala po desetiletí. Nevzdávaly se ani malé firmy a jednotliví vynálezci. Ukázalo se však, že každé alternativní konstrukční řešení skrývá daleko více úskalí, než se zpočátku zdálo. To neznamená, že vývoj nekonvenčních pohonných jednotek není možný. Nadšenci stále prosazují různé myšlenky vpřed — a my se zde podíváme na některé z nejexotičtějších motorových konceptů, jaké kdy byly postaveny.

Motory s rozděleným cyklem: dva válce, jeden pracovní zdvih

Někteří konstruktéři motorů dospěli k závěru, že klasická kombinace válce, pístu, ojnice a klikového hřídele osvědčila svou hodnotu za více než jedno století — a že zdokonalení spalovacích motorů vyžaduje pouze vyladění určitých aspektů, nikoli vynalézání od základů. Prvním příkladem na našem seznamu je motor vyvinutý americkou společností Scuderi Group, který si zachovává klasické zdvihy sání, komprese, expanze a výfuku — rozděluje je však do dvou samostatných válců:

• Studený (kompresorový) válec — zajišťuje sání a kompresi
• Horký (pracovní) válec — zajišťuje expanzní zdvih a výfuk

Zatímco se plyn rozpíná v pracovním válci, probíhá v chladném kompresorovém válci sací zdvih. Když pracovní válec vypouští spaliny, kompresorový válec stlačuje směs. Na konci kompresního zdvihu se oba písty přibližují ke svým horním úvratím, směs prochází obtokový kanálem z chladného válce do horkého a je zapálena. Tento rozdělený cyklus — v podstatě modifikovaný Ottův cyklus — byl patentován v roce 2006 a v roce 2009 společnost Scuderi Group postavila prototyp Scuderi Split Cycle Engine.

Kompresorový a pracovní válec mohou mít různé průměry a zdvihy pístů, což umožňuje flexibilně ladit parametry motoru — funguje jako analogie Millerova cyklu s dodatečnou expanzí plynu. Přidáme-li k obtokovému kanálu větev s ventily a tlakovou nádobou, motor dokáže rekuperovat energii při brzdění a využít ji při akceleraci. Po řadu let se však aktivity skupiny Scuderi omezují na prototypy a prezentace na veletrzích. Skutečné přínosy v oblasti účinnosti zatím neospravedlňují značnou složitost konstrukčního řešení.

K rozdělenému pracovnímu cyklu se obrátila také chorvatská společnost Paut Motor. Jejich prostorové uspořádání přitáhlo pozornost z několika důvodů:

• Výrazně méně pohyblivých částí než u konvenčních motorů
• Nižší třecí ztráty
• Snížená provozní hlučnost
• Kompaktní rozměry: 500×440×440 mm při objemu 7 litrů
• Hmotnost přibližně 135 kg — zhruba poloviční oproti tradičnímu motoru stejného zdvihového objemu

Absence oleje v klikovém prostoru sice vyžaduje externí nádrž maziva, vynálezci to však považovali za přijatelný kompromis. Bylo postaveno několik prototypů, přičemž konečný výkon nebyl nikdy oficiálně stanoven. Poslední prototyp byl sestaven v roce 2011 a projekt od té doby uvízl na místě.

Bonnerův dvoutaktní motor: maximální složitost, ambiciózní cíle

Bonnerův dvoutaktní motor (pojmenovaný po svém sponzorovi, společnosti Bonner Motor) vynalezl v roce 2006 ve Spojených státech Walter Schmid a mechanickou složitost posouvá ještě dál. Stejně jako u Paut Motor jsou válce uspořádány do konfigurace X a klikový hřídel vykonává planetární pohyb prostřednictvím ozubeného soukolí. Klíčové vlastnosti zahrnují:

• Ventily v dnech válců a rotační cívkové ventily v tělese motoru pro rozvod plynů
• Vnější písty, které se mohou mírně posouvat působením tlaku oleje, čímž zajišťují proměnný kompresní poměr
• Vysoký měrný výkon jako primární konstrukční cíl

V teorii Bonnerův motor vypadá přesvědčivě. V praxi však z projektu řadu let nevychází žádné významné zprávy — zřejmě nesplnil očekávání.

Axiální motory: válce uspořádané jako revolver

Jiní vynálezci zachovali pracovní cykly spalovacího motoru, ale přehodnotili fyzické uspořádání jeho součástí. Typickým příkladem jsou axiální motory, které existují více než jedno století. Liší se v detailech, ale sdílejí společný princip: válce jsou uspořádány jako náboje v bubnu revolveru, koaxiálně s výstupním hřídelem. Různé mechanismy — například nakloněné čepy a kuželové podložky — převádějí přímočarý pohyb pístů na otáčení hřídele.

Projekt Duke Engines z Nového Zélandu je jednou z pozoruhodných variant: pětiválcový čtyřtaktní axiální motor o zdvihovém objemu 3 litry. Ve srovnání s konvenčním motorem stejného objemu nabízel motor Duke:

• O 19 % nižší hmotnost
• O 36 % kompaktnější zástavbové rozměry
• Všestranný potenciál použití v automobilovém, lodním a leteckém průmyslu

Byla učiněna ambiciózní prohlášení o jeho masovém rozšíření — sny o dobytí světa však zůstaly sny.

Motor RadMax kanadské společnosti Reg Technologies posouvá axiální koncept ještě dále. Namísto oddělených válců tvoří uvnitř společného bubnu tucet komor pomocí tenkých lopatek. Desky osazené v drážkách rotoru se po nich pohybují při otáčení rotoru a zakřivené plochy na koncích bubnu určují dráhy lopatek a řídí výměnu plynů. Pozoruhodné vlastnosti:

• Kompatibilita s více typy paliv, přičemž prvotní zaměření bylo na naftu
• Prototyp z roku 2003 měřil pouhých 152 mm jak v průměru, tak na délku, přesto vyvinul 42 koní — výrazně více než konvenční motor srovnatelné velikosti
• Pozdější prototypy údajně dosáhly 127 koní a 380 koní

Navzdory těmto slibným číslům se veškerá aktivita kolem RadMaxu zřejmě nadále omezuje na experimentální stadium.

Toroidální motory: když se válec promění v donut

Motor VGT (Variable Geometry Toroidal Engine) od zaniklé kanadské společnosti VGT Technologies je další případovou studií teorie překonávající praxi. Motor, poprvé testovaný v roce 2005, nahrazuje konvenční válec toroidem — komorou ve tvaru donutu — uvnitř níž se otáčí rotor s dvojicí připevněných pístů.

Tenký rozváděcí kotouč s výřezem pro písty se pohybuje napříč toroidem pomocí řemenového pohonu a omezuje palivovo-vzduchovou směs během komprese a pracovního zdvihu. V roce 2009 američtí podnikatelé Gary Kelley a Rick Ivas nezávisle na sobě vyvinuli toroidální motor, který se věrně přibližoval kanadskému provedení. Jejich odhady naznačovaly, že toroid o průměru půl metru by poskytl:

• 230 koní
• Přibližně 1 000 N·m točivého momentu
• Vše při pouhých 1 050 ot./min

Jejich společnost Garric Engines dnes na svých webových stránkách zobrazuje pouze zprávu: „Děkujeme za váš zájem. Stránka může být v budoucnu aktualizována.”

Nutační motor: místo pístů rotující kotouče

O poněkud slibnější osud se možná může ucházet nutační motor, který vynalezl Američan Leonard Meyer v roce 2006 — bylo postaveno alespoň několik funkčních exemplářů. Název pochází z latinského nutatio (kývání nebo viklání). Meyerovo konstrukční řešení vytváří čtyři pracovní komory s proměnným objemem mezi tělesem motoru a kotoučem, který nutuje (viklá se) ze strany na stranu a funguje jako píst. Kotouč je rozříznut napůl podél svého průměru a navlečen na výstupní hřídel ve tvaru Z, přičemž kanály a ventily v tělese zajišťují výměnu plynů.

Prototypy byly postaveny společností Baker Engineering a její sesterskou firmou Kinetic BEI s působivými výsledky:

• Jednokotoučový průměr 102 mm: 7 koní
• Dvoukotoučový průměr 203 mm: 120 koní
• Rozměry dvoukotoučového motoru: délka 500 mm, průměr 300 mm, zdvihový objem 3,8 litru
• Měrný výkon: 2,5–3 koně/kg oproti 1–2 koním/kg u sériově vyráběných atmosfericky plněných motorů

Litrový výkon je méně působivý, hustota výkonu je však pozoruhodná. Baker a Kinetic konstrukční řešení zřejmě dále zdokonalují, přičemž aktivita na jejich webových stránkách zůstává omezená.

LiquidPiston: Wankelův motor naruby

Koncepty rotačních motorů stále fascinují inovátory, jako by odklon od tradičního uspořádání píst-válec sám o sobě sliboval lepší výkon. Nikolaj Školnik, bývalý sovětský inženýr, který se přestěhoval do Spojených států, a jeho syn Alexander vyvinuli motor připomínající Wankelův motor obrácený naruby. Rotor ve tvaru arašídu se otáčí uvnitř trojúhelníkové komory — stejná základní geometrie jako u Wankela — s tím zásadním rozdílem, že těsnění jsou upevněna na stěnách komory, nikoli na rotoru.

Školnikovi založili společnost LiquidPiston pro rozvoj tohoto konceptu a získali spolufinancování od agentury DARPA pro potenciální využití v:

• Lehkých letadlech a dronech
• Přenosných elektrocentrálách
• Pohonných soustrojích hybridních vozidel

Prototyp o objemu 23 cm³ již dosahuje tepelné účinnosti 20 % — působivé číslo pro tuto třídu zdvihového objemu. Tým nyní cílí na dieselový prototyp vážící přibližně 13 kg s výkonem 40 koní a předpokládanou tepelnou účinností dosahující 45 %.

Motor s kývavým pístem: čtvercový přístup

Poslední motor v našem přehledu dokazuje, že přitažlivost plochého, kompaktního celku je reálná — a že rotory nejsou jedinou cestou k jeho dosažení. Motor s kývavým pístem společnosti Pivotal Engineering jednoduše převádí tradiční píst do čtvercového tvaru, takže válec má při pohledu shora obdélníkový průřez. Tento dvoutaktní koncept existuje již několik let, během nichž řada prototypů pohánět jak motocykly, tak letadla.

Společnost se zaměřuje především na letecké aplikace a konstrukční řešení nabízí některé skutečné výhody:

• Vysoké poměry výkon/hmotnost a výkon/objem
• Vynikající potenciál přeplňování, umožněný kanálem kapalného chlazení procházejícím pevnou osou pístu — obtížně dosažitelné u konvenčních motorových architektur
• Plochý tvar, protože čtvercový rotor může být velmi tenký

Další exotické motorové koncepty, které stojí za zmínku

Mimo zde zmíněné existuje mnoho pozoruhodných exotických konstrukčních řešení motorů. Několik čestných zmínek:

• 12rotorový Wankelův motor — posouvající rotační koncept Mazdy do extrému
• Knightův motor s rukávovými ventily — staletý design, který na krátko soupeřil s talířovým ventilem
• Motory s protiběžnými písty — dva písty sdílející jeden válec bez hlavy válce
• Motory s proměnným kompresním poměrem — umožňující úpravu komprese v reálném čase pro optimalizaci účinnosti při různých zatíženích
• Pětitaktní motory — přidávající samostatný expanzní válec pro získání většího množství práce ze spalovacích plynů
• Motory s rotačními lopatkami — kde se součásti rotoru pohybují jako sbíhající se a rozbíhající se čelisti nůžek

Proč se alternativní motory neprosazují do sériové výroby?

I stručný přehled nekonvenčních konstrukčních řešení spalovacích motorů odhaluje nápadný vzorec: desítky chytrých nápadů, velmi málo sériových vozidel. Opakující se překážky jsou konzistentní:

• Opotřebení těsnění — rotační konstrukce často selhávají kvůli degradaci vrcholových těsnění v průběhu času
• Střídavé mechanické zatížení — koncepty s rotačními lopatkami trpí únavou v místě spojení lopatky s hřídelem
• Složitost výroby — exotické geometrie jsou nákladné a obtížně vyrobitelné ve velkém měřítku
• Spolehlivost a životnost — nekonvenční motory zřídkakdy dosahují záznamu trvanlivosti tradičních pístových motorů, zdokonalovaných po více než 100 let

Druhým důvodem, proč alternativní motory obtížně prosazují, je skutečnost, že technologie konvenčních spalovacích motorů nestagnuje. Nejnovější benzínové motory využívající Millerův cyklus dosahují tepelné účinnosti až 40 % dokonce i bez přeplňování — pozoruhodné číslo, vezmeme-li v úvahu, že většina benzínových motorů dosahuje pouze 20–30 % a dieselové motory 30–40 % (přičemž velké lodní diesely dosahují až 50 %).

Nejdůležitější je, že globální alternativa ke spalovacímu motoru již dorazila: elektrické motory a pohonné jednotky na palivové články. Pokud tvůrci těchto exotických kuriozit v velmi blízké době nevyřeší svá technická úskalí, mohou zjistit, že pro ně již žádný trh nečeká — elektrická vozidla budou mít silnice již obsazené.

Toto je překlad. Originál si můžete přečíst zde: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html