Παράξενοι Κινητήρες στα Περιθώρια της Προόδου

Ο κινητήρας Wankel, ο κινητήρας Stirling και διάφοροι τύποι τουρμποκινητήρων δεν κατάφεραν ποτέ να εισχωρήσουν στην αυτοκινητιστική κυρίαρχη αγορά. Πολυάριθμες γνωστές εταιρείες — από τη Mazda ως τη GM, από τη Mercedes ως τη Volvo — εργάστηκαν πάνω σε αυτούς για δεκαετίες. Επίσης επέμειναν μικρές εταιρείες και μεμονωμένοι εφευρέτες. Ωστόσο, αποδείχθηκε ότι κάθε εναλλακτικός σχεδιασμός εμπεριείχε πολύ περισσότερες παγίδες από ό,τι αρχικά αναμενόταν. Αυτό δεν σημαίνει ότι η ανάπτυξη μη συμβατικών κινητήρων είναι αδύνατη. Οι ενθουσιώδεις συνεχίζουν να προωθούν διαφορετικές ιδέες, και εδώ εξερευνούμε μερικές από τις πιο εξωτικές έννοιες κινητήρων που έχουν κατασκευαστεί ποτέ.

Κινητήρες Διαχωρισμένου Κύκλου: Δύο Κύλινδροι, Μία Διαδρομή Ισχύος

Ορισμένοι σχεδιαστές κινητήρων κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι ο κλασικός συνδυασμός κυλίνδρου, εμβόλου, βιέλας και στροφαλοφόρου άξονα έχει αποδείξει την αξία του εδώ και περισσότερο από έναν αιώνα — και ότι η βελτίωση των κινητήρων εσωτερικής καύσης απαιτεί μόνο τροποποιήσεις σε ορισμένες πτυχές και όχι εκ νέου εφεύρεση από το μηδέν. Το πρώτο παράδειγμα στη λίστα μας είναι ο κινητήρας που ανέπτυξε η αμερικανική εταιρεία Scuderi Group, η οποία διατηρεί τις κλασικές φάσεις εισαγωγής, συμπίεσης, ισχύος και εξαγωγής — αλλά τις κατανέμει σε δύο ξεχωριστούς κυλίνδρους:

• Ψυχρός κύλινδρος (συμπιεστής) — χειρίζεται την εισαγωγή και τη συμπίεση
• Θερμός κύλινδρος (εργασίας) — χειρίζεται τη διαδρομή ισχύος και την εξαγωγή

Ενώ το αέριο διαστέλλεται στον κύλινδρο εργασίας, πραγματοποιείται διαδρομή εισαγωγής στον ψυχρό κύλινδρο-συμπιεστή. Όταν ο κύλινδρος εργασίας εξάγει, ο κύλινδρος συμπιεστής συμπιέζει. Στο τέλος της διαδρομής συμπίεσης, και τα δύο έμβολα πλησιάζουν τα άνω νεκρά σημεία τους, το μίγμα μεταφέρεται μέσω ενός παρακαμπτήριου καναλιού από τον ψυχρό κύλινδρο στον θερμό και αναφλέγεται. Αυτός ο διαχωρισμένος κύκλος — ουσιαστικά ένας τροποποιημένος κύκλος Otto — κατοχυρώθηκε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το 2006, και το 2009 η Scuderi Group κατασκεύασε τον πιλοτικό Κινητήρα Διαχωρισμένου Κύκλου Scuderi.

Οι κύλινδροι συμπιεστή και εργασίας μπορούν να έχουν διαφορετικές διαμέτρους και διαδρομές εμβόλου, καθιστώντας δυνατή την ευέλικτη ρύθμιση των παραμέτρων του κινητήρα — λειτουργώντας ως ανάλογο του κύκλου Miller με πρόσθετη διαστολή αερίου. Η προσθήκη ενός κλάδου με βαλβίδες και φιάλης υψηλής πίεσης στο κανάλι μεταξύ των κυλίνδρων επιτρέπει στον κινητήρα να ανακτά ενέργεια κατά την πέδηση και να την αξιοποιεί κατά την επιτάχυνση. Ωστόσο, για αρκετά χρόνια, οι δραστηριότητες της Scuderi Group έχουν περιοριστεί σε πρωτότυπα και παρουσίες σε εκθέσεις. Τα πρακτικά οφέλη αποδοτικότητας δεν έχουν ακόμη δικαιολογήσει την αξιόλογη πολυπλοκότητα του σχεδιασμού.

Η κροατική εταιρεία Paut Motor στράφηκε επίσης στον διαχωρισμένο κύκλο εργασίας. Ο ιδιαίτερος σχεδιασμός τους προσέλκυσε την προσοχή για αρκετούς λόγους:

• Σημαντικά λιγότερα κινούμενα μέρη σε σχέση με τους συμβατικούς κινητήρες
• Μικρότερες απώλειες τριβής
• Μειωμένος θόρυβος λειτουργίας
• Συμπαγείς διαστάσεις: 500×440×440 mm για χωρητικότητα 7 λίτρων
• Βάρος περίπου 135 kg — περίπου το μισό ενός παραδοσιακού κινητήρα ίδιου κυβισμού

Η απουσία λαδιού στο στροφαλοκιβώτιο απαιτεί εξωτερική δεξαμενή λίπανσης, αλλά οι εφευρέτες θεώρησαν αυτό αποδεκτό αντάλλαγμα. Κατασκευάστηκαν αρκετά πρωτότυπα, αν και η τελική απόδοση ισχύος δεν προσδιορίστηκε ποτέ επίσημα. Το τελευταίο πρωτότυπο συναρμολογήθηκε το 2011 και το έργο έχει από τότε σταματήσει.

Ο Κινητήρας Δύο Χρόνων Bonner: Μέγιστη Πολυπλοκότητα, Φιλόδοξοι Στόχοι

Ο κινητήρας δύο χρόνων Bonner (που πήρε το όνομά του από τον χορηγό του, Bonner Motor) εφευρέθηκε το 2006 στις Ηνωμένες Πολιτείες από τον Walter Schmid και ωθεί τη μηχανική πολυπλοκότητα ακόμα περισσότερο. Όπως ο Paut Motor, οι κύλινδροί του είναι τοποθετημένοι σε διάταξη Χ, και ο στροφαλοφόρος άξονας εκτελεί πλανητική κίνηση μέσω ενός συστήματος γραναζιών. Βασικά χαρακτηριστικά:

• Βαλβίδες στους πυθμένες των κυλίνδρων και περιστρεφόμενες βαλβίδες τυμπάνου στο σώμα του κινητήρα για διανομή αερίου
• Εξωτερικά έμβολα που μπορούν να μετατοπιστούν ελαφρώς υπό πίεση λαδιού για να παρέχουν μεταβλητό λόγο συμπίεσης
• Υψηλός λόγος ισχύος-βάρους ως κύριος στόχος σχεδίασης

Θεωρητικά, ο κινητήρας Bonner φαίνεται ελκυστικός. Στην πράξη, ωστόσο, δεν έχουν υπάρξει σημαντικά νέα από το έργο εδώ και χρόνια — προφανώς, δεν ανταποκρίθηκε στις προσδοκίες.

Αξονικοί Κινητήρες: Κύλινδροι Τοποθετημένοι σαν Περίστροφο

Άλλοι εφευρέτες διατήρησαν τους κύκλους λειτουργίας του κινητήρα εσωτερικής καύσης αλλά επανεφηύραν τη φυσική διάταξη των εξαρτημάτων του. Οι αξονικοί κινητήρες, που υπάρχουν εδώ και περισσότερο από έναν αιώνα, αποτελούν χαρακτηριστικό παράδειγμα. Διαφέρουν στις λεπτομέρειες αλλά μοιράζονται μια κοινή αρχή: οι κύλινδροι είναι τοποθετημένοι σαν φυσίγγια σε τύμπανο περίστροφου, ομοαξονικά με τον άξονα εξόδου. Διάφοροι μηχανισμοί — όπως κεκλιμένοι πείροι και κωνικές ροδέλες — μετατρέπουν την παλινδρομική κίνηση των εμβόλων σε περιστροφή του άξονα.

Το έργο Duke Engines από τη Νέα Ζηλανδία είναι μια αξιόλογη παραλλαγή: ένας πεντακύλινδρος, τετράχρονος αξονικός κινητήρας με χωρητικότητα 3 λίτρων. Σε σύγκριση με έναν συμβατικό κινητήρα ίδιας χωρητικότητας, η μονάδα Duke προσέφερε:

• 19% χαμηλότερο βάρος
• 36% πιο συμπαγείς διαστάσεις
• Ευέλικτες δυνατότητες εφαρμογής σε αυτοκινητιστικό, ναυτικό και αεροπορικό τομέα

Έγιναν φιλόδοξες υποσχέσεις για την ευρεία υιοθέτησή του — αλλά τα όνειρα κατάκτησης του κόσμου παρέμειναν όνειρα.

Ο κινητήρας RadMax της καναδικής εταιρείας Reg Technologies ωθεί την αξονική έννοια ακόμα παραπέρα. Αντί για διακριτούς κυλίνδρους, δώδεκα διαμερίσματα σχηματίζονται στο εσωτερικό ενός κοινού τυμπάνου με τη χρήση λεπτών πτερυγίων. Πλάκες τοποθετημένες σε αύλακες του ρότορα κινούνται κατά μήκος τους καθώς ο ρότορας περιστρέφεται, και κυρτές επιφάνειες στα άκρα του τυμπάνου ορίζουν τις τροχιές των πτερυγίων και ελέγχουν την ανταλλαγή αερίου. Αξιόλογα χαρακτηριστικά:

• Συμβατός με πολλαπλούς τύπους καυσίμων, αν και το ντίζελ ήταν η αρχική εστίαση
• Ένα πρωτότυπο του 2003 μέτρησε μόλις 152 mm τόσο σε διάμετρο όσο και σε μήκος, παράγοντας ωστόσο 42 ίππους — πολύ περισσότερο από έναν συμβατικό κινητήρα ισοδύναμου μεγέθους
• Μεταγενέστερα πρωτότυπα φέρεται να έφτασαν τους 127 hp και τους 380 hp

Παρά αυτές τις ελπιδοφόρες τιμές, όλη η δραστηριότητα του RadMax φαίνεται να παραμένει στο πειραματικό στάδιο.

Τοροειδείς Κινητήρες: Όταν ο Κύλινδρος Γίνεται Ντόνατ

Ο κινητήρας VGT (Variable Geometry Toroidal Engine — Τοροειδής Κινητήρας Μεταβλητής Γεωμετρίας) της πλέον ανενεργής καναδικής εταιρείας VGT Technologies αποτελεί άλλη μια μελέτη περίπτωσης όπου η θεωρία υπερτερεί της πρακτικής. Δοκιμασμένος για πρώτη φορά το 2005, ο κινητήρας αντικαθιστά τον συμβατικό κύλινδρο με ένα τοροειδές — ένα θάλαμο σε σχήμα ντόνατ — στο εσωτερικό του οποίου περιστρέφεται ένας ρότορας με ένα ζεύγος συνδεδεμένων εμβόλων.

Ένας λεπτός δίσκος κατανομής με εγκοπή για τα έμβολα περιστρέφεται εγκάρσια στο τοροειδές μέσω ιμαντοκίνησης, περιορίζοντας το μίγμα αέρα-καυσίμου κατά τη συμπίεση και τη διαδρομή ισχύος. Το 2009, οι Αμερικανοί επιχειρηματίες Gary Kelley και Rick Ivas ανέπτυξαν ανεξάρτητα έναν τοροειδή κινητήρα που έμοιαζε πολύ με τον καναδικό σχεδιασμό. Οι εκτιμήσεις τους υπέδειξαν ότι ένα τοροειδές διαμέτρου μισού μέτρου θα απέδιδε:

• 230 ίππους
• Περίπου 1.000 N·m ροπής
• Όλα αυτά στις μόλις 1.050 rpm

Η εταιρεία τους, Garric Engines, εμφανίζει πλέον μόνο ένα μήνυμα κράτησης θέσης στον ιστότοπό της: «Ευχαριστούμε για το ενδιαφέρον σας. Η σελίδα ενδέχεται να ενημερωθεί στο μέλλον.»

Ο Κινητήρας Nutating: Περιστρεφόμενοι Δίσκοι αντί Εμβόλων

Ίσως ελαφρώς πιο ελπιδοφόρα τύχη να περιμένει τον κινητήρα nutating που εφηύρε ο Αμερικανός Leonard Meyer το 2006 — τουλάχιστον έχουν κατασκευαστεί αρκετά λειτουργικά αντίγραφα. Το όνομα προέρχεται από το λατινικό nutatio (νεύμα ή κλόνηση). Ο σχεδιασμός του Meyer σχηματίζει τέσσερις θαλάμους εργασίας μεταβλητού όγκου μεταξύ του σώματος του κινητήρα και ενός δίσκου που κλονίζεται (nutates) δεξιά-αριστερά, λειτουργώντας ως έμβολο. Ο δίσκος είναι κομμένος στη μέση κατά μήκος της διαμέτρου του και τοποθετημένος σε έναν άξονα εξόδου σχήματος Ζ, ενώ κανάλια και βαλβίδες στο σώμα διαχειρίζονται την ανταλλαγή αερίου.

Πρωτότυπα κατασκευάστηκαν από τη Baker Engineering και τη θυγατρική της εταιρεία Kinetic BEI, με εντυπωσιακά αποτελέσματα:

• Ενιαίος δίσκος 102 mm: 7 hp
• Διπλοί δίσκοι 203 mm: 120 hp
• Διαστάσεις κινητήρα δύο δίσκων: μήκος 500 mm, διάμετρος 300 mm, κυβισμός 3,8 λίτρων
• Λόγος ισχύος-βάρους: 2,5–3 hp/kg έναντι 1–2 hp/kg για κινητήρες μαζικής παραγωγής ατμοσφαιρικής τροφοδοσίας

Η ειδική απόδοση ανά λίτρο είναι λιγότερο εντυπωσιακή, αλλά η πυκνότητα ισχύος είναι αξιοσημείωτη. Οι Baker και Kinetic φαίνεται να βελτιώνουν τον σχεδιασμό, αν και η δραστηριότητα στους ιστότοπούς τους παραμένει περιορισμένη.

LiquidPiston: Ο Κινητήρας Wankel Ανεστραμμένος

Οι έννοιες στροφαλωτών κινητήρων εξακολουθούν να γοητεύουν τους καινοτόμους, σαν η αποχώρηση από τη γνώριμη διάταξη εμβόλου-κυλίνδρου να υπόσχεται εγγενώς καλύτερες επιδόσεις. Ο Nikolay Shkolnik, πρώην σοβιετικός μηχανικός που μετεγκαταστάθηκε στις Ηνωμένες Πολιτείες, και ο γιος του Alexander ανέπτυξαν έναν κινητήρα που μοιάζει με τον κινητήρα Wankel ανεστραμμένο. Ένας ρότορας σε σχήμα φυστικιού περιστρέφεται μέσα σε τριγωνικό θάλαμο — η ίδια βασική γεωμετρία με τον Wankel — αλλά, σημαντικά, οι στεγανωτικές ακμές είναι σταθερές στα τοιχώματα του θαλάμου και όχι στον ρότορα.

Οι Shkolnik ίδρυσαν τη LiquidPiston για να αναπτύξουν την έννοια, προσελκύοντας συγχρηματοδότηση από τη DARPA για πιθανή χρήση σε:

• Ελαφρά αεροσκάφη και drones
• Φορητές γεννήτριες ενέργειας
• Συστήματα κίνησης υβριδικών οχημάτων

Ένα πρωτότυπο 23 cm³ επιτυγχάνει ήδη θερμική απόδοση 20% — εντυπωσιακό για αυτή την κατηγορία κυβισμού. Η ομάδα στοχεύει πλέον σε ένα πρωτότυπο ντίζελ που ζυγίζει περίπου 13 kg και αποδίδει 40 hp, με προβλεπόμενη θερμική απόδοση να ανεβαίνει στο 45%.

Ο Κινητήρας Ταλαντευόμενου Εμβόλου: Γίνεται Τετράγωνο

Ο τελευταίος κινητήρας της ανασκόπησής μας αποδεικνύει ότι η έλξη μιας επίπεδης, συμπαγούς μονάδας είναι αληθινή — και ότι οι ρότορες δεν είναι ο μόνος τρόπος να επιτευχθεί αυτό. Ο κινητήρας ταλαντευόμενου εμβόλου της Pivotal Engineering απλώς τετραγωνίζει το παραδοσιακό έμβολο, κάνοντας τον κύλινδρο ορθογώνιο σε κάτοψη. Αυτός ο σχεδιασμός δύο χρόνων υπάρχει εδώ και αρκετά χρόνια, κατά τα οποία αριθμός πρωτοτύπων κινούσε τόσο μοτοσικλέτες όσο και αεροσκάφη.

Η εταιρεία στοχεύει κυρίως σε αεροπορικές εφαρμογές, και ο σχεδιασμός προσφέρει ορισμένα αξιόλογα πλεονεκτήματα:

• Υψηλοί λόγοι ισχύος-βάρους και ισχύος-όγκου
• Εξαιρετικές δυνατότητες υπερτροφοδότησης, που επιτυγχάνονται χάρη σε κανάλι υγρής ψύξης που διατρέχει τον σταθερό άξονα του εμβόλου — κάτι δύσκολο στις συμβατικές αρχιτεκτονικές κινητήρων
• Επίπεδη μορφή, καθώς ο τετράγωνος ρότορας μπορεί να γίνει πολύ λεπτός

Άλλες Εξωτικές Έννοιες Κινητήρων που Αξίζει να Γνωρίζετε

Υπάρχουν πολλοί αξιοσημείωτοι εξωτικοί σχεδιασμοί κινητήρων πέρα από αυτούς που καλύπτονται εδώ. Μερικές αξιόλογες αναφορές:

• Κινητήρας Wankel 12 ρότορων — που ωθεί την έννοια του στροφαλωτού κινητήρα της Mazda στα άκρα
• Κινητήρας με βαλβίδες μανίκια Knight — ένας εκατονταετής σχεδιασμός που για λίγο συναγωνίστηκε τις βαλβίδες ανύψωσης
• Κινητήρες αντίθετων εμβόλων — δύο έμβολα που μοιράζονται έναν κύλινδρο, χωρίς κεφαλή κυλίνδρου
• Κινητήρες μεταβλητού λόγου συμπίεσης — που επιτρέπουν σε πραγματικό χρόνο προσαρμογή της συμπίεσης για βελτιστοποίηση της απόδοσης σε διαφορετικές συνθήκες φόρτισης
• Κινητήρες πέντε χρόνων — που προσθέτουν έναν αφιερωμένο κύλινδρο διαστολής για εξαγωγή περισσότερης εργασίας από τα αέρια καύσης
• Κινητήρες με στροφαλωτά πτερύγια — όπου τα εξαρτήματα του ρότορα κινούνται σαν συγκλίνοντα και αποκλίνοντα λεπίδια ψαλιδιού

Γιατί οι Εναλλακτικοί Κινητήρες δεν Φτάνουν στη Μαζική Παραγωγή;

Ακόμα και μια σύντομη επισκόπηση μη συμβατικών σχεδιασμών κινητήρων εσωτερικής καύσης αποκαλύπτει ένα εντυπωσιακό μοτίβο: δεκάδες έξυπνες ιδέες, πολύ λίγα οχήματα παραγωγής. Τα επαναλαμβανόμενα εμπόδια είναι συνεπή:

• Φθορά στεγανωτικών — οι στροφαλωτοί σχεδιασμοί αποτυγχάνουν συχνά λόγω φθοράς των ακραίων στεγανωτικών με την πάροδο του χρόνου
• Εναλλασσόμενα μηχανικά φορτία — οι έννοιες με στροφαλωτά πτερύγια υποφέρουν από κόπωση στη σύνδεση πτερυγίου-άξονα
• Πολυπλοκότητα κατασκευής — οι εξωτικές γεωμετρίες είναι δαπανηρές και δύσκολο να παραχθούν σε κλίμακα
• Αξιοπιστία και μακροβιότητα — οι μη συμβατικοί κινητήρες σπανίως ανταγωνίζονται το ρεκόρ ανθεκτικότητας των παραδοσιακών κινητήρων εμβόλου που έχουν εξελιχθεί για 100+ χρόνια

Ο δεύτερος λόγος για τον οποίο δυσκολεύονται οι εναλλακτικοί κινητήρες είναι ότι η τεχνολογία των συμβατικών κινητήρων εσωτερικής καύσης δεν έχει μείνει ακίνητη. Οι τελευταίοι κινητήρες βενζίνης που χρησιμοποιούν τον κύκλο Miller επιτυγχάνουν θερμική απόδοση έως 40% ακόμα και χωρίς υπερτροφοδότηση — ένας αξιοσημείωτος αριθμός, δεδομένου ότι οι περισσότεροι κινητήρες βενζίνης διαχειρίζονται μόνο 20–30%, και οι κινητήρες ντίζελ 30–40% (με τα μεγάλα θαλάσσια ντίζελ να φτάνουν έως 50%).

Το πιο σημαντικό, η παγκόσμια εναλλακτική στον κινητήρα εσωτερικής καύσης έχει ήδη φτάσει: ηλεκτροκινητήρες και μονάδες ισχύος κυψελών καυσίμου. Αν οι εφευρέτες πίσω από αυτές τις εξωτικές περιέργειες δεν επιλύσουν τις τεχνικές τους προκλήσεις πολύ σύντομα, ενδέχεται να ανακαλύψουν ότι δεν υπάρχει πλέον αγορά που να τους περιμένει — τα ηλεκτρικά οχήματα θα έχουν ήδη κατακτήσει τον δρόμο.

Αυτό είναι μετάφραση. Μπορείτε να διαβάσετε το πρωτότυπο εδώ: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html