Veidrad mootorid progressi äärealadel

Wankeli mootor, Stirlingi mootor ja mitmesugused turbojõuseadmete tüübid ei jõudnud kunagi autotööstuse peavoolu. Mitmed tuntud ettevõtted — Mazdast GM-ini, Mercedesest Volvoni — töötasid nende kallal aastakümneid. Ka väiksed firmad ja üksikud leiutajad ei loobunud. Selgus siiski, et igal alternatiivsel konstruktsioonil oli palju rohkem varjukülgi, kui algselt oodati. See ei tähenda, et ebatavaliste jõuseadmete arendamine oleks võimatu. Entusiastid suruvad edasi erinevaid ideid ja siin uurime mõningaid kõige eksootiilisemaid mootorikonstruktsioone, mida on kunagi ehitatud.

Jagatud tsükliga mootorid: kaks silindrit, üks töötakt

Mõned mootoritehnikud jõudsid järeldusele, et silindri, kolvi, pleuelvarras ja väntvõlli klassikaline kombinatsioon on end tõestanud üle sajandi — ning et sisepõlemismootorite täiustamine nõuab vaid mõne aspekti muutmist, mitte nullist uuesti leiutamist. Esimene näide meie nimekirjas on Ameerika ettevõtte Scuderi Group arendatud mootor, mis säilitab klassikalised ime-, surve-, töö- ja väljalasketaktid — kuid jaotab need kahe eraldi silindri vahel:

• Külm (kompressori) silinder — vastutab imemise ja survestamise eest
• Kuum (töö) silinder — vastutab töötakti ja väljalaskumise eest

Kuni gaas laieneb töösilindris, toimub külmas kompressorisilindris imutakt. Kui töösilinder laseb gaasid välja, survestab kompressorisilinder. Survetakti lõpus lähenevad mõlemad kolbid ülemistele surnud punktidele, segu liigub ühenduslüli kaudu külmast silindrist kuuma ja süüdatakse. See jagatud tsükkel — põhimõtteliselt muudetud Otto tsükkel — patenteeriti 2006. aastal ja 2009. aastal ehitas Scuderi Group esimese Scuderi jagatud tsükliga mootori prototüübi.

Kompressori- ja töösilindril võivad olla erinevad läbimõõdud ja kolvilöögid, mis võimaldab paindlikult häälestada mootori parameetreid — toimides Milleri tsükli analoogina koos täiendava gaasipaisumisega. Lisage silindrite vahelisse kanalisse klapid ja kõrgsurvepaak ning mootor suudab pidurdamisel energiat taastada ja kiirendusel kasutada. Mitme aasta jooksul on Scuderi Groupi tegevus aga piirdunud prototüüpide ja messidel osalemisega. Reaalsed efektiivsusparendused ei ole veel konstruktsiooni märkimisväärset keerukust õigustanud.

Horvaatia ettevõte Paut Motor pöördus samuti jagatud töötakti poole. Nende hajutatud konstruktsioon pälvis tähelepanu mitmel põhjusel:

• Märkimisväärselt vähem liikuvaid osi kui tavamootoritel
• Väiksemad hõõrdekadud
• Vähendatud tööheli
• Kompaktsed mõõtmed: 500×440×440 mm 7-liitrise mahuga
• Kaal ligikaudu 135 kg — umbes pool sama mahuga traditsioonilise mootori kaalust

Õli puudumine karteris nõuab küll välimist määrdumispaaki, kuid leiutajad pidasid seda vastuvõetavaks kompromissiks. Ehitati mitu prototüüpi, kuigi lõplikku võimsust ei määratud kunagi ametlikult. Viimane prototüüp koostati 2011. aastal ja projekt on sellest ajast saati seiskunud.

Bonneri kaheastmeline mootor: maksimaalne keerukus, ambitsioonikad eesmärgid

Bonneri kaheastmeline mootor (nimetatud oma sponsori Bonner Motori järgi) leiutati 2006. aastal Ameerika Ühendriikides Walter Schmidi poolt ja viib mehaanilise keerukuse veelgi kaugemale. Nagu Paut Motoril, on ka selle silindrid paigutatud X-konfiguratsiooni ja väntvõll sooritab planetaarse liikumise hammasratassüsteemi kaudu. Peamised omadused:

• Klapid silindrite põhjas ja pöörlevad spolettklappid mootori kehas gaasijaoturiks
• Välised kolbid, mis saavad õlirõhu all veidi nihkuda, tagades muutuva survestusastme
• Kõrge võimsuse-massi suhe peamise konstruktsiooni eesmärgina

Teoreetiliselt tundub Bonneri mootor veenev. Praktikas pole projektist aga aastaid olulisi uudiseid tulnud — ilmselt ei ole see ootustele vastanud.

Aksiaalsed mootorid: silindrid paigutatud nagu revolvri trummel

Teised leiutajad säilitasid sisepõlemismootori töötaktid muutumatuna, kuid mõtlesid selle komponentide füüsilise paigutuse ümber. Aksiaalsed mootorid, mis on eksisteerinud üle sajandi, on selle heaks näiteks. Need erinevad detailide poolest, kuid jagavad ühist põhimõtet: silindrid on paigutatud nagu padrunid revolvri trumlis, koaksiaalselt väljundvõlliga. Erinevad mehhanismid — nagu kaldnõelad ja koonusseibid — muudavad kolbide edasi-tagasi liikumise võlli pöörlemiseks.

Uus-Meremaalt pärit Duke Enginesi projekt on üks märkimisväärne variant: viiesilindriline, neljataktiline aksiaalne mootor 3-liitrise mahuga. Võrreldes sama mahuga tavalise mootoriga pakkus Duke’i seade:

• 19% väiksem kaal
• 36% kompaktsem
• Mitmekülgne rakenduspotentsiaal auto-, mere- ja lennundussektorites

Tehti ambitsioonikaid lubadusi laialdase kasutuselevõtu kohta — kuid maailmavallutamise unelmad jäid unelmateks.

Kanada ettevõtte Reg Technologies RadMaxi mootor viib aksiaalse kontseptsiooni veelgi kaugemale. Eraldi silindrite asemel moodustatakse ühise trumli sees tosina jagu sektsioone õhukeste labade abil. Rootori pesadesse paigaldatud plaadid liiguvad mööda neid rootori pöörlemise ajal ning trumli otstes asuvad kõverpinnad määravad labade trajektoorid ja juhivad gaasijaoturuse. Märkimisväärsed omadused:

• Ühilduv mitme kütuse tüübiga, kuigi diislikütus oli esialgne fookus
• 2003. aasta prototüübi läbimõõt ja pikkus olid vaid 152 mm, kuid see tootis 42 hobujõudu — palju rohkem kui sama suurusega tavamootor
• Hilisemad prototüübid saavutasid väidetavalt 127 hj ja 380 hj

Vaatamata nendele paljulubavate näitajatele näib kogu RadMaxi tegevus jäävat eksperimentaalsesse etappi.

Toroidaalsed mootorid: kui silindrist saab sõõrik

Nüüdseks tegevuse lõpetanud Kanada ettevõtte VGT Technologies VGT mootor (muutuva geomeetriaga toroidaalne mootor) on veel üks näide teooriast, mis ületab praktikat. Esmakordselt 2005. aastal testitud mootor asendab tavalise silindri toroidiga — sõõrikukujulise kambriga —, mille sees pöörlevad ühendatud kolbidega rootor.

Õhuke jaotusketas kolbide väljalõikega pöörlevad üle toroidi rihmaülekande kaudu, piirates kütuse-õhu segu survestamise ja töötakti ajal. 2009. aastal töötasid Ameerika Ühendriikide ettevõtjad Gary Kelley ja Rick Ivas iseseisvalt välja toroidaalmootori, mis peegeldas täpselt Kanada konstruktsiooni. Nende hinnangud viitasid, et poole meetri läbimõõduga toroid annaks:

• 230 hobujõudu
• Ligikaudu 1000 N·m pöördemomenti
• Kõik vaid 1050 p/min juures

Nende ettevõte Garric Engines kuvab nüüd oma veebisaidil vaid lühisõnumit: „Täname teie huvitumise eest. Lehekülge võidakse tulevikus uuendada.”

Nuteeriv mootor: pöörlevad kettad kolbide asemel

Veidi paljulubavam saatus võib oodata nuteerivat mootorit, mille leiutas Ameerika Leonard Meyer 2006. aastal — vähemalt on ehitatud mitu töötavat koopiat. Nimi tuleneb ladina sõnast nutatio (noogutamine või kõikumine). Meyeri konstruktsioon moodustab neli muutuva mahuga töökambrit mootori kere ja ketta vahel, mis nuteerib (kõigub) küljelt küljele, toimides kolbina. Ketas on lõigatud pooleks piki läbimõõtu ja lükitud Z-kujulisele väljundvõllile, kusjuures kanalid ja klapid kehas juhivad gaasijaoturuse.

Prototüübid ehitasid Baker Engineering ja selle õdettevõte Kinetic BEI, muljetavaldavate tulemustega:

• Üksik 102 mm ketas: 7 hj
• Kaksiksed 203 mm kettad: 120 hj
• Kahe kettaga mootori mõõtmed: 500 mm pikkus, 300 mm läbimõõt, 3,8-liitrine maht
• Võimsuse-massi suhe: 2,5–3 hj/kg vs. 1–2 hj/kg massiliselt toodetud atmosfäärimootorite puhul

Liitrivõimsus on vähem muljetavaldav, kuid võimsustihedus on märkimisväärne. Baker ja Kinetic näivad konstruktsiooni täiustavat, kuigi tegevus nende veebisaitidel on piiratud.

LiquidPiston: Wankeli mootor pahupidi pööratud

Rootormootori kontseptsioonid köidavad jätkuvalt uuendajaid, justkui lahkumine tuttavast kolb-silinder paigutusest lubaks paratamatult paremat jõudlust. Nikolai Školnik, endine Nõukogude insener, kes kolis Ameerika Ühendriikidesse, ja tema poeg Aleksandr töötasid välja mootori, mis meenutab pahupidi pööratud Wankeli mootorit. Maapähklitaoline rootor pöörlevad kolmnurkse kambri sees — sama põhigeomeetria mis Wankelil — kuid otsustavalt on tihendid kinnitatud kambri seintele, mitte rootorile.

Školnikud asutasid LiquidPistoni kontseptsiooni arendamiseks, meelitades kaasrahastust DARPA-lt potentsiaalse kasutuse jaoks:

• Kerglennukid ja droonid
• Kaasaskantavad elektrigeneraatorid
• Hübriidsõidukite jõuülekanded

23 cm³ prototüüp saavutab juba 20% soojusefektiivsuse — muljetavaldav selle mahuklass jaoks. Meeskond sihib nüüd diislikütusega prototüüpi, mis kaalub umbes 13 kg ja toodab 40 hj, kusjuures prognoositav soojusefektiivsus tõuseb 45%-ni.

Pendeldava kolbiga mootor: ruudukujuliseks muutumine

Meie ülevaate viimane mootor tõestab, et lame, kompaktse seadme atraktiivsus on reaalne — ja et rootid pole selle saavutamise ainus tee. Pivotal Engineeringu pendeldava kolbiga mootor teeb traditsioonilise kolbi lihtsalt ruudukujuliseks, muutes silindri ülaltvaates ristkülikukujuliseks. See kahetaktiline konstruktsioon on eksisteerinud mitu aastat, mille jooksul on mitu prototüüpi jõustanud nii mootorrattaid kui ka lennukeid.

Ettevõte sihib peamiselt lennundusrakendusi ja konstruktsioon pakub mõningaid tõelisi eeliseid:

• Kõrge väljundi-massi ja väljundi-suuruse suhted
• Suurepärane sundlaadimise potentsiaal, mis on võimaldatud kolvi fikseeritud telje kaudu jooksva vedelikjahutuse kanali poolt — keeruline saavutus tavalistes mootori arhitektuurides
• Lame vormi tegur, kuna ruudukujuline rootor saab olla väga õhuke

Muud tuntust väärivad eksootilised mootorikonstruktsioonid

Siin käsitletud mootoritest väljapool on palju märkimisväärseid eksootilisi mootorikonstruktsioone. Mõned tunnustust väärivad mainimised:

• 12-rootoriline Wankeli mootor — viies Mazda rootorkontseptsiooni äärmuseni
• Knighti hülssklappidega mootor — sajandivanune konstruktsioon, mis hetkeliselt rivaalitses nõelklapiga
• Vastastikuste kolbidega mootorid — kaks kolbi jagavad ühte silindrit, ilma silindripea
• Muutuva survestusastmega mootorid — lubavad survestuse reaalajas kohandamist efektiivsuse optimeerimiseks koormusetingimustes
• Viietaktilised mootorid — spetsiaalse laienemissilindri lisamine, et põletusgaasidest rohkem tööd saada
• Rootor-labadega mootorid — kus rootori komponendid liiguvad nagu lähenevad ja lahknevad käärilabad

Miks ei jõua alternatiivsed mootorid masstootmisse?

Isegi lühike ülevaade ebatavaliste sisepõlemismootorite konstruktsioonidest paljastab silmatorkava mustri: kümneid arukaid ideid, väga vähe tootmissõidukeid. Korduvad takistused on järjepidevad:

• Tihendi kulumine — rootorkonstruktsioonid ebaõnnestuvad sageli tipptihendite halvenemise tõttu aja jooksul
• Vahelduvad mehaanilised koormused — rootor-labadega kontseptsioonid kannatavad väsimuse all laba-võll ühenduse kohas
• Tootmise keerukus — eksootilised geomeetriad on kallid ja suuremahuliseks tootmiseks keerulised
• Töökindlus ja kestlikkus — ebatavalised mootorid vastavad harva traditsiooniliste kolbmootorite vastupidavusrekordile, mida on täiustatud üle 100 aasta

Teine põhjus, miks alternatiivsed mootorid hädas on, on see, et tavapärane sisepõlemismootori tehnoloogia pole paigal seisnud. Viimased Milleri tsüklit kasutavad bensiinimootorid saavutavad kuni 40% soojusefektiivsuse isegi ilma turbolaadimiseta — märkimisväärne näitaja, arvestades, et enamik bensiinimootoreid saavutab vaid 20–30% ja diiselmootorid 30–40% (suured mere-diiselmootorid ulatuvad kuni 50%-ni).

Mis kõige tähtsam, globaalne alternatiiv sisepõlemismootorile on juba saabunud: elektrimootorid ja kütuseelementide jõuseadmed. Kui nende eksootiliste uudishäälte taga olevad leiutajad ei lahenda oma tehnilisi väljakutseid väga pea, võivad nad avastada, et turul pole neid enam ootamas — elektrisõidukid on tee juba hõivanud.

See on tõlge. Originaali saate lugeda siit: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html