Mærkelige motorer fastlåst i fremskridtets marginer

Wankel-motoren, Stirling-motoren og forskellige typer turbodrevne enheder nåede aldrig ind i den automobilmæssige mainstream. En række velkendte virksomheder — fra Mazda til GM, fra Mercedes til Volvo — arbejdede på dem i årtier. Også mindre virksomheder og individuelle opfindere holdt ved. Alligevel viste det sig, at hvert alternativt design rummede langt flere faldgruber end oprindeligt forventet. Det betyder ikke, at udviklingen af utraditionelle drivenheder er umulig. Entusiaster fortsætter med at fremme forskellige idéer, og her udforsker vi nogle af de mest eksotiske motorkonstruktioner, der nogensinde er bygget.

Delt-cyklus-motorer: To cylindre, ét arbejdsslag

Nogle motordesignere konkluderede, at den klassiske kombination af cylinder, stempel, plejlstang og krumtapaksel har bevist sin værdi i mere end et århundrede — og at forbedring af forbrændingsmotorer kun kræver justering af visse aspekter frem for at genopfinde fra bunden. Det første eksempel på vores liste er motoren udviklet af det amerikanske selskab Scuderi Group, som bevarer de klassiske indsugnings-, komprimerings-, arbejds- og udstødningsslag — men fordeler dem på to separate cylindre:

• Kold (kompressor) cylinder — håndterer indsugning og komprimering
• Varm (arbejds) cylinder — håndterer arbejdsslaget og udstødningen

Mens gassen ekspanderer i arbejdscylinderen, finder et indsugningsslag sted i den kolde kompressorcylinder. Når arbejdscylinderen udstøder, komprimerer kompressorcylinderen. Ved afslutningen af kompressionsslaget nærmer begge stempler sig deres øverste dødpunkter, og blandingen passerer gennem en omløbskanal fra den kolde cylinder til den varme og antændes. Denne delte cyklus — i bund og grund en modificeret Otto-cyklus — blev patenteret i 2006, og i 2009 byggede Scuderi Group prototypen Scuderi Split Cycle Engine.

Kompressor- og arbejdscylindrene kan have forskellig diameter og stempeludslag, hvilket gør det muligt at justere motorparametrene fleksibelt — som en analog til Miller-cyklussen med ekstra gasekspansion. Tilføj en gren med ventiler og en højtryksflaske til kanalen mellem cylindrene, og motoren kan genvinde energi under bremsning og anvende den under acceleration. I en årrække har Scuderi Groups aktiviteter imidlertid været begrænset til prototyper og messeoptræden. Reelle effektivitetsforbedringer har endnu ikke retfærdiggjort designets betydelige kompleksitet.

Det kroatiske selskab Paut Motor vendte sig også mod den delte arbejdscyklus. Deres rumligt fordelte design tiltrak sig opmærksomhed af flere årsager:

• Betydeligt færre bevægelige dele end konventionelle motorer
• Lavere friktionsstab
• Reduceret driftsstøj
• Kompakte dimensioner: 500×440×440 mm ved 7 liters kapacitet
• Vægt på cirka 135 kg — omtrent halvdelen af en traditionel motor med samme slagvolumen

Fraværet af olie i krumtapkassen kræver ganske vist en ekstern smøretank, men opfinderne betragtede dette som en acceptabel kompromis. Der blev bygget flere prototyper, men den endelige ydelse blev aldrig officielt fastslået. Den seneste prototype blev samlet i 2011, og projektet har siden da stagneret.

Bonner-taktmotoren: Maksimal kompleksitet, ambitiøse mål

Bonner-taktmotoren (opkaldt efter sin sponsor, Bonner Motor) blev opfundet i 2006 i USA af Walter Schmid og skruer den mekaniske kompleksitet endnu højere op. Som Paut Motor er dens cylindre arrangeret i en X-konfiguration, og krumtapakslen udfører en planetarisk bevægelse via et gearsystem. Nøglefunktioner inkluderer:

• Ventiler i cylinderbundene og roterende spoleventiler i motorhuset til gasdistribution
• Eksterne stempler, der kan forskydes en smule under olietryk for at give et variabelt kompressionsforhold
• Højt effekt-til-vægt-forhold som det primære designmål

I teorien ser Bonner-motoren lovende ud. I praksis er der imidlertid ikke fremkommet nogen væsentlige nyheder fra projektet i årevis — tilsyneladende har det ikke levet op til forventningerne.

Aksiale motorer: Cylindre arrangeret som en revolver

Andre opfindere bevarede forbrændingsmotorernes arbejdscyklusser, men nytænkte den fysiske placering af komponenterne. Aksiale motorer, som har eksisteret i over et århundrede, er et godt eksempel. De varierer i detaljerne, men deler et fælles princip: cylindrene er arrangeret som patroner i en revolvertromle, koaksialt med udgangsaksen. Forskellige mekanismer — såsom skrå tapper og koniske skiver — omdanner stemplernes frem-og-tilbagegående bevægelse til akselrotation.

Projektet Duke Engines fra New Zealand er en bemærkelsesværdig variant: en femcylindret, firetakts aksialmotor med 3 liters slagvolumen. Sammenlignet med en konventionel motor med samme kapacitet tilbød Duke-enheden:

• 19 % lavere vægt
• 36 % mere kompakt indpakningsvolumen
• Alsidigt anvendelsespotentiale inden for automobil-, marine- og luftfartssektoren

Der blev givet ambitiøse løfter om udbredt anvendelse — men drømmene om at erobre verden forblev drømme.

RadMax-motoren fra det canadiske selskab Reg Technologies tager det aksiale koncept endnu videre. I stedet for diskrete cylindre dannes et dusin rum inde i en fælles tromle ved hjælp af tynde blade. Plader monteret i rotorudskæringer bevæger sig langs dem, mens rotoren drejer, og buede overflader i tromleenderne definerer bladbanerne og styrer gasudvekslingen. Bemærkelsesværdige egenskaber:

• Kompatibel med flere brændstoftyper, selv om diesel var det første fokus
• En prototype fra 2003 målte blot 152 mm i både diameter og længde, men producerede 42 hestekræfter — langt mere end en konventionel motor af tilsvarende størrelse
• Senere prototyper nåede angiveligt 127 hk og 380 hk

På trods af disse lovende tal ser alle RadMax-aktiviteter ud til at forblive på det eksperimentelle stadie.

Toroidale motorer: Når cylinderen bliver en donut

VGT-motoren (Variable Geometry Toroidal Engine) fra det nu nedlagte canadiske selskab VGT Technologies er endnu et eksempel på, at teorien overgår praksis. Motoren, der første gang blev testet i 2005, erstatter den konventionelle cylinder med et toroid — et donutformet kammer — inde i hvilket en rotor med et par tilknyttede stempler roterer.

En tynd fordelingsskive med en udskæring til stemplerne roterer på tværs af toroidet via et remtræk og begrænser brændstof-luftblandingen under komprimering og arbejdsslaget. I 2009 udviklede de amerikanske iværksættere Gary Kelley og Rick Ivas uafhængigt en toroidal motor, der tæt afspejlede det canadiske design. Deres estimater antydede, at et toroid med en halv meters diameter ville levere:

• 230 hestekræfter
• Cirka 1.000 N·m drejningsmoment
• Alt ved blot 1.050 o/min

Deres virksomhed, Garric Engines, viser nu kun en stub-besked på sin hjemmeside: “Tak for din interesse. Siden kan blive opdateret i fremtiden.”

Den nuterende motor: Roterende skiver i stedet for stempler

En lidt mere lovende skæbne kan vente den nuterende motor opfundet af amerikaneren Leonard Meyer i 2006 — der er i hvert fald bygget adskillige fungerende eksemplarer. Navnet stammer fra det latinske nutatio (nikken eller svajning). Meyers design danner fire arbejdskamre med variabelt volumen mellem motorhuset og en skive, der nuterer (svinger) fra side til side og fungerer som stempel. Skiven er skåret i to langs dens diameter og trukket på en Z-formet udgangsaksel, med kanaler og ventiler i huset, der styrer gasudvekslingen.

Prototyper blev bygget af Baker Engineering og søsterselskabet Kinetic BEI, med imponerende resultater:

• Enkelt 102 mm skive: 7 hk
• Dobbelte 203 mm skiver: 120 hk
• To-skive motors dimensioner: 500 mm længde, 300 mm diameter, 3,8 liters slagvolumen
• Effekt-til-vægt-forhold: 2,5–3 hk/kg mod 1–2 hk/kg for masseproducerede sugemotorer

Den literspecifikke ydelse er mindre imponerende, men effektdensiteten er bemærkelsesværdig. Baker og Kinetic ser ud til at forfine designet, selv om aktiviteten på deres hjemmesider er begrænset.

LiquidPiston: Wankel-motoren vendt på vrangen

Rotationsmotorkoncepter bliver ved med at fascinere innovatorer, som om det at afvige fra den kendte stempel-og-cylinder-opsætning i sig selv lover bedre ydeevne. Nikolaj Shkolnik, en tidligere sovjetisk ingeniør, der emigrerede til USA, og hans søn Alexander udviklede en motor, der ligner Wankel-motoren vendt på vrangen. En jordnøddeformet rotor drejer inde i et trekantet kammer — den samme grundlæggende geometri som Wankel — men afgørende er det, at tætningerne er fastgjort til kammerveggene frem for rotoren.

Shkolnik-familien grundlagde LiquidPiston for at udvikle konceptet og tiltrakte medfinansiering fra DARPA til potentiel anvendelse i:

• Lette fly og droner
• Bærbare strømaggregater
• Hybridkøretøjers drivlinjer

En prototype på 23 cm³ opnår allerede 20 % termisk virkningsgrad — imponerende for den slagvolumenklasse. Teamet sigter nu mod en dieselprototype, der vejer omkring 13 kg og producerer 40 hk, med en forventet termisk virkningsgrad på op til 45 %.

Svingstempelmotoren: At gøre den firkantet

Den sidste motor i vores gennemgang beviser, at tiltrækningskraften ved en flad, kompakt enhed er reel — og at rotorer ikke er den eneste vej til at opnå det. Pivotal Engineerings svingstempelmotor gør simpelthen det traditionelle stempel firkantet og giver cylinderen et rektangulært tværsnit set oppefra. Dette totaktsdesign har eksisteret i flere år, i løbet af hvilke en række prototyper har drevet både motorcykler og fly.

Virksomheden sigter primært mod luftfartsanvendelser, og designet tilbyder nogle reelle fordele:

• Høje ydelse-til-vægt- og ydelse-til-størrelse-forhold
• Fremragende potentiale for tvangsinduktion, muliggjort af en flydende kølekanal, der løber gennem stemplets faste akse — en vanskelig bedrift i konventionelle motorarkitekturer
• Fladt formfaktor, da den firkantede rotor kan gøres meget tynd

Andre eksotiske motorkonstruktioner værd at kende

Der er mange bemærkelsesværdige eksotiske motordesigns ud over dem, der er dækket her. Et par hæderlige omtaler:

• 12-rotor Wankel-motor — at tage Mazdas rotationsmotorkoncept til det ekstreme
• Knight hylseventilmotor — et hundrede år gammelt design, der kortvarigt konkurrerede med poppetventilen
• Modstilte stempelmotorer — to stempler i én cylinder, uden cylinderhoved
• Motorer med variabelt kompressionsforhold — tillader realtidsjustering af kompression for at optimere effektiviteten under varierende belastningsforhold
• Femtaktsmotorer — tilføjer en dedikeret ekspansionscylinder for at udtrække mere arbejde fra forbrændingsgasserne
• Roterende bladmotorer — hvor rotorkomponenter bevæger sig som konvergerende og divergerende sakseblade

Hvorfor når alternative motorer ikke frem til masseproduktion?

Selv en kort gennemgang af utraditionelle forbrændingsmotordesigns afslører et slående mønster: masser af clevere idéer, meget få produktionskøretøjer. De tilbagevendende hindringer er konsistente:

• Tætningsslid — rotationsdesigns fejler ofte på grund af nedbrydning af spidstætninger over tid
• Skiftende mekaniske belastninger — roterende bladkonstruktioner lider af træthedsbrud ved forbindelsen mellem blad og aksel
• Produktionskompleksitet — eksotiske geometrier er dyre og vanskelige at fremstille i stor skala
• Pålidelighed og levetid — utraditionelle motorer matcher sjældent holdbarheden af traditionelle stempelmotorer, der er raffineret over 100+ år

Den anden årsag til, at alternative motorer kæmper, er, at konventionel forbrændingsmotorteknologi ikke har stået stille. De nyeste benzinmotorer, der bruger Miller-cyklussen, opnår en termisk virkningsgrad på op til 40 % selv uden turboladning — et bemærkelsesværdigt tal, i betragtning af at de fleste benzinmotorer kun opnår 20–30 %, og dieselmotorer 30–40 % (med store marine-dieselmotorer der når op til 50 %).

Vigtigst af alt er det globale alternativ til forbrændingsmotoren allerede ankommet: elmotorer og brændselscelle-drivenheder. Hvis opfinderne bag disse eksotiske kuriositeter ikke løser deres tekniske udfordringer meget snart, kan de opdage, at der ikke længere er et marked, der venter på dem — elbiler vil allerede have overtaget vejen.

Dette er en oversættelse. Du kan læse originalen her: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html