موتور وانکل، موتور استرلینگ، و انواع مختلف واحدهای توربوشارژ هرگز وارد جریان اصلی خودروسازی نشدند. تعدادی از شرکتهای شناختهشده — از مزدا تا جنرال موتورز، از مرسدس تا ولوو — دههها روی آنها کار کردند. شرکتهای کوچک و مخترعان منفرد نیز پافشاری کردند. با این حال، معلوم شد که هر طراحی جایگزین، بهمراتب بیشتر از آنچه ابتدا انتظار میرفت، دارای دامهای پنهان است. این به معنای غیرممکن بودن توسعه واحدهای نیروی غیرمتعارف نیست. علاقهمندان همچنان ایدههای مختلف را پیش میبرند، و در اینجا برخی از عجیبترین مفاهیم موتوری که تا کنون ساخته شدهاند را بررسی میکنیم.
موتورهای چرخه تقسیمشده: دو سیلندر، یک کورس قدرت
برخی طراحان موتور به این نتیجه رسیدند که ترکیب کلاسیک سیلندر، پیستون، شاتون و میللنگ در طول بیش از یک قرن خود را اثبات کرده است — و بهبود موتورهای احتراق داخلی تنها نیاز به تنظیم برخی جنبهها دارد، نه اختراع مجدد از صفر. اولین نمونه در فهرست ما موتوری است که توسط شرکت آمریکایی Scuderi Group توسعه یافته، که کورسهای کلاسیک مکش، تراکم، قدرت و تخلیه را حفظ میکند — اما آنها را در دو سیلندر جداگانه تقسیم میکند:
- سیلندر سرد (کمپرسور) — مکش و تراکم را انجام میدهد
- سیلندر گرم (کاری) — کورس قدرت و تخلیه را انجام میدهد
در حالی که گاز در سیلندر کاری منبسط میشود، کورس مکش در سیلندر سرد کمپرسور انجام میگیرد. هنگامی که سیلندر کاری تخلیه میکند، سیلندر کمپرسور فشرده میکند. در پایان کورس تراکم، هر دو پیستون به نقطه مرگ بالایی خود نزدیک میشوند، مخلوط از طریق یک کانال بایپس از سیلندر سرد به سیلندر گرم منتقل میشود و مشتعل میگردد. این چرخه تقسیمشده — که اساساً یک چرخه اتو اصلاحشده است — در سال ۲۰۰۶ ثبت اختراع شد، و در سال ۲۰۰۹ Scuderi Group اولین نمونه آزمایشی Scuderi Split Cycle Engine را ساخت.
سیلندرهای کمپرسور و کاری میتوانند قطرها و کورسهای پیستون متفاوتی داشته باشند، که امکان تنظیم انعطافپذیر پارامترهای موتور را فراهم میکند — و بهعنوان یک آنالوگ چرخه میلر با انبساط اضافی گاز عمل میکند. اضافه کردن یک شاخه با شیرها و یک مخزن فشار بالا به کانال بین سیلندرها، موتور میتواند انرژی را در حین ترمزگیری بازیابی کرده و در حین شتابگیری آن را به کار گیرد. با این حال، برای چند سال است که فعالیتهای Scuderi Group به نمونههای اولیه و حضور در نمایشگاههای تجاری محدود شده است. دستاوردهای واقعی کارایی هنوز پیچیدگی قابل توجه این طراحی را توجیه نکرده است.
شرکت کرواتی Paut Motor نیز به چرخه کاری تقسیمشده روی آورد. طراحی فاصلهدار آنها به دلایل متعددی توجه را جلب کرد:
- قطعات متحرک بهطور قابل توجهی کمتر از موتورهای معمولی
- اتلافهای اصطکاکی کمتر
- سر و صدای عملیاتی کاهشیافته
- ابعاد فشرده: ۵۰۰×۴۴۰×۴۴۰ میلیمتر با ظرفیت ۷ لیتر
- وزن تقریباً ۱۳۵ کیلوگرم — تقریباً نصف یک موتور سنتی با همان جابجایی
عدم وجود روغن در کارتر نیاز به یک مخزن روانکاری خارجی دارد، اما مخترعان این را یک مصالحه قابل قبول میدانستند. چند نمونه اولیه ساخته شد، اگرچه توان نهایی هرگز بهطور رسمی تعیین نشد. آخرین نمونه اولیه در سال ۲۰۱۱ مونتاژ شد، و پروژه از آن زمان متوقف شده است.
موتور دو زمانه بانر: حداکثر پیچیدگی، اهداف بلندپروازانه
موتور دو زمانه بانر (نامگذاریشده به خاطر حامی آن، Bonner Motor) در سال ۲۰۰۶ در ایالات متحده آمریکا توسط والتر اشمید اختراع شد و پیچیدگی مکانیکی را حتی بیشتر میبرد. مانند Paut Motor، سیلندرهای آن در آرایش X قرار دارند، و میللنگ از طریق یک سیستم چرخدنده حرکت سیارهای انجام میدهد. ویژگیهای کلیدی عبارتند از:
- شیرها در کف سیلندر و شیرهای اسپول دوار در بدنه موتور برای توزیع گاز
- پیستونهای خارجی که میتوانند تحت فشار روغن کمی جابجا شوند تا نسبت تراکم متغیر ارائه دهند
- نسبت توان به وزن بالا بهعنوان هدف اصلی طراحی
در تئوری، موتور بانر جذاب به نظر میرسد. در عمل، با این حال، سالهاست که هیچ خبر قابل توجهی از پروژه منتشر نشده — ظاهراً انتظارات را برآورده نکرده است.
موتورهای محوری: سیلندرهایی مانند خشاب یک هفتتیر
سایر مخترعان چرخههای کاری موتور احتراق داخلی را دستنخورده نگه داشتند، اما چیدمان فیزیکی اجزاء آن را از نو تصور کردند. موتورهای محوری، که بیش از یک قرن وجود داشتهاند، نمونه بارزی هستند. آنها از نظر جزئیات متفاوتند، اما یک اصل مشترک دارند: سیلندرها مانند فشنگهای خشاب هفتتیر، هممحور با محور خروجی قرار میگیرند. مکانیزمهای مختلف — مانند پینهای مایل و واشرهای مخروطی — حرکت رفتوآمدی پیستونها را به دوران محور تبدیل میکنند.
پروژه Duke Engines از نیوزیلند یکی از انواع قابل توجه است: یک موتور محوری چهار زمانه پنج سیلندر با جابجایی ۳ لیتر. در مقایسه با یک موتور معمولی با همان ظرفیت، واحد Duke ارائه میداد:
- وزن ۱۹٪ کمتر
- بستهبندی ۳۶٪ فشردهتر
- پتانسیل کاربرد چندگانه در بخشهای خودرویی، دریایی و هوانوردی
قولهای بلندپروازانهای درباره پذیرش گسترده آن داده شد — اما رویاهای فتح جهان، رویا ماند.
موتور RadMax توسط شرکت کانادایی Reg Technologies مفهوم محوری را حتی بیشتر پیش میبرد. بهجای سیلندرهای مجزا، دوازده محفظه با استفاده از تیغههای نازک در داخل یک درام مشترک تشکیل میشود. صفحاتی که در شیارهای روتور نصب شدهاند، با چرخش روتور در امتداد آنها حرکت میکنند، و سطوح خمیده در انتهای درام، مسیرهای تیغه را تعریف کرده و تبادل گاز را کنترل میکنند. ویژگیهای قابل توجه:
- سازگار با انواع مختلف سوخت، اگرچه دیزل تمرکز اولیه بود
- یک نمونه اولیه سال ۲۰۰۳ تنها ۱۵۲ میلیمتر در هر دو قطر و طول داشت، اما ۴۲ اسببخار تولید کرد — بسیار بیشتر از یک موتور معمولی با اندازه معادل
- گزارش شده است که نمونههای اولیه بعدی به ۱۲۷ اسببخار و ۳۸۰ اسببخار رسیدند
علیرغم این ارقام امیدوارکننده، تمام فعالیتهای RadMax به نظر میرسد در مرحله آزمایشی باقی مانده است.
موتورهای تورویدی: وقتی سیلندر به یک دونات تبدیل میشود
موتور VGT (موتور تورویدی با هندسه متغیر) از شرکت کانادایی منحلشده VGT Technologies نمونه دیگری از برتری تئوری بر عمل است. که اولین بار در سال ۲۰۰۵ آزمایش شد، این موتور سیلندر معمولی را با یک تورویید — یک محفظه به شکل دونات — جایگزین میکند که یک روتور با یک جفت پیستون متصل در داخل آن میچرخد.
یک دیسک توزیع نازک با بریدگی برای پیستونها از طریق یک محرک تسمهای در سراسر تورویید میچرخد و مخلوط سوخت-هوا را در طول تراکم و کورس قدرت محدود میکند. در سال ۲۰۰۹، کارآفرینان آمریکایی گری کلی و ریک ایواس بهطور مستقل یک موتور تورویدی توسعه دادند که به دقت طراحی کانادایی را منعکس میکرد. تخمینهای آنها نشان میداد که یک تورویید با قطر نیم متر ارائه خواهد داد:
- ۲۳۰ اسببخار
- تقریباً ۱۰۰۰ نیوتون متر گشتاور
- همه اینها در تنها ۱۰۵۰ دور در دقیقه
شرکت آنها، Garric Engines، اکنون تنها یک پیام کوتاه روی وبسایتش نمایش میدهد: «با تشکر از علاقه شما. ممکن است صفحه در آینده بهروزرسانی شود.»
موتور نوتیتینگ: دیسکهای نوسانی بهجای پیستونها
سرنوشت کمی امیدوارکنندهتری ممکن است در انتظار موتور نوتیتینگ اختراعشده توسط لئونارد میر آمریکایی در سال ۲۰۰۶ باشد — حداقل چند نسخه کاری ساخته شده است. این نام از واژه لاتین nutatio (سر تکان دادن یا نوسان) گرفته شده است. طراحی میر چهار محفظه کاری با حجم متغیر بین بدنه موتور و یک دیسک که نوتیت میکند (به طرفین نوسان میکند) تشکیل میدهد، که بهعنوان پیستون عمل میکند. دیسک در امتداد قطر خود به دو نیم تقسیم شده و روی یک محور خروجی Z-شکل سوار شده، با کانالها و شیرها در بدنه که تبادل گاز را مدیریت میکنند.
نمونههای اولیه توسط Baker Engineering و شرکت خواهر آن Kinetic BEI ساخته شدند، با نتایج چشمگیر:
- دیسک ۱۰۲ میلیمتری تکی: ۷ اسببخار
- دیسکهای دوگانه ۲۰۳ میلیمتری: ۱۲۰ اسببخار
- ابعاد موتور دو دیسکی: طول ۵۰۰ میلیمتر، قطر ۳۰۰ میلیمتر، جابجایی ۳.۸ لیتر
- نسبت توان به وزن: ۲.۵–۳ اسببخار/کیلوگرم در مقابل ۱–۲ اسببخار/کیلوگرم برای موتورهای خودمکش تولید انبوه
خروجی ویژه لیتری کمتر چشمگیر است، اما چگالی توان قابل توجه است. بیکر و کینتیک به نظر میرسد طراحی را اصلاح میکنند، اگرچه فعالیت در وبسایتهایشان محدود است.
LiquidPiston: موتور وانکل از داخل به بیرون برگشته
مفاهیم موتور دوار همچنان نوآوران را مجذوب میکنند، گویی دور شدن از آرایش آشنای پیستون و سیلندر ذاتاً عملکرد بهتری را وعده میدهد. نیکولای شکولنیک، یک مهندس اتحاد جماهیر شوروی سابق که به ایالات متحده آمریکا مهاجرت کرده بود، و پسرش الکساندر، موتوری شبیه به موتور وانکل از داخل به بیرون برگشته توسعه دادند. یک روتور به شکل بادام زمینی در داخل یک محفظه مثلثی میچرخد — همان هندسه اساسی وانکل — اما بهطور اساسی، آببندها به دیوارههای محفظه ثابت شدهاند، نه به روتور.
شکولنیکها LiquidPiston را برای توسعه این مفهوم تأسیس کردند و تأمین مالی مشترک از DARPA برای استفاده احتمالی در موارد زیر جذب کردند:
- هواپیماهای سبک و پهپادها
- مولدهای برق قابلحمل
- سیستمهای محرکه خودروهای هیبریدی
یک نمونه اولیه ۲۳ سانتیمتر مکعبی قبلاً به بازده حرارتی ۲۰٪ دست یافته — که برای آن کلاس جابجایی چشمگیر است. تیم اکنون هدفش یک نمونه اولیه دیزلی است که حدود ۱۳ کیلوگرم وزن داشته و ۴۰ اسببخار تولید کند، با بازده حرارتی پیشبینیشدهای که به ۴۵٪ میرسد.
ما به موتور دوار قدیمی آن نوسازیای که آرزویش را داشت دادیم!
نسبت تراکم بالا و انبساط بیش از حد؛ سطح کم؛ آببندهای اپکس ثابت
موتور این موارد را حل میکند:
– خنککاری
– انتشار آلایندهها
– آببندی
– چالشهای راندمان
– روانکاری
موتور پیستون نوسانی: مربعی شدن
آخرین موتور در بررسی ما ثابت میکند که جذابیت یک واحد مسطح و فشرده واقعی است — و روتورها تنها مسیر رسیدن به آن نیستند. موتور پیستون نوسانی شرکت Pivotal Engineering به سادگی پیستون سنتی را مربع میکند و سیلندر را در نمای بالا مستطیلی میسازد. این طراحی دو زمانه برای چند سال وجود داشته، که در طی آن تعدادی از نمونههای اولیه هم موتورسیکلتها و هم هواپیماها را به حرکت در آوردند.
شرکت در درجه اول کاربردهای هوانوردی را هدف قرار میدهد، و این طراحی مزایای واقعی ارائه میدهد:
- نسبتهای خروجی به وزن و خروجی به اندازه بالا
- پتانسیل عالی برای القای اجباری، که توسط یک کانال خنککاری مایع که از محور ثابت پیستون میگذرد فعال میشود — یک کار دشوار در معماریهای موتور معمولی
- فرم فاکتور مسطح، چون روتور مربعی میتواند بسیار نازک ساخته شود
سایر مفاهیم موتور عجیب ارزشمند برای دانستن
طراحیهای موتور عجیب قابل توجه بسیاری فراتر از آنچه در اینجا پوشش داده شده وجود دارد. چند ذکر افتخاری:
- موتور وانکل ۱۲ روتوره — بردن مفهوم دوار مزدا به حد افراط
- موتور آستین آستری نایت — طراحی صد سالهای که بهطور مختصری با شیر مخروطی رقابت کرد
- موتورهای پیستون مخالف — دو پیستون که یک سیلندر را به اشتراک میگذارند، بدون سرسیلندر
- موتورهای نسبت تراکم متغیر — امکان تنظیم بلادرنگ تراکم برای بهینهسازی راندمان در شرایط بار مختلف
- موتورهای پنج زمانه — اضافه کردن یک سیلندر انبساط اختصاصی برای استخراج کار بیشتر از گازهای احتراق
- موتورهای پره دوار — که در آن اجزای روتور مانند تیغههای قیچی که باز و بسته میشوند حرکت میکنند
چرا موتورهای جایگزین به تولید انبوه نمیرسند؟
حتی یک بررسی مختصر از طراحیهای غیرمتعارف موتور احتراق داخلی الگویی تکاندهنده آشکار میکند: دهها ایده هوشمند، خودروهای تولیدی بسیار کم. موانع تکراری ثابت هستند:
- سایش آببند — طراحیهای دوار اغلب به دلیل تخریب آببندهای اپکس در طول زمان شکست میخورند
- بارهای مکانیکی متناوب — مفاهیم پره دوار از خستگی در اتصال پره به محور رنج میبرند
- پیچیدگی ساخت — هندسههای عجیب برای تولید در مقیاس گران و دشوار هستند
- قابلیت اطمینان و طول عمر — موتورهای غیرمتعارف بهندرت با رکورد دوام موتورهای پیستونی سنتی اصلاحشده در طول ۱۰۰+ سال مطابقت دارند
دلیل دوم مشکلات موتورهای جایگزین این است که فناوری موتور احتراق داخلی معمولی ثابت نمانده است. آخرین موتورهای بنزینی که از چرخه میلر استفاده میکنند، به بازده حرارتی تا ۴۰٪ حتی بدون توربوشارژ دست مییابند — رقم قابل توجهی، با توجه به اینکه اکثر موتورهای بنزینی تنها ۲۰–۳۰٪ و موتورهای دیزل ۳۰–۴۰٪ (با دیزلهای دریایی بزرگ که به ۵۰٪ میرسند) مدیریت میکنند.
مهمتر از همه، جایگزین جهانی موتور احتراق داخلی قبلاً رسیده است: موتورهای الکتریکی و واحدهای نیروی پیل سوختی. اگر مخترعان پشت این کنجکاویهای عجیب چالشهای فنی خود را بهزودی حل نکنند، ممکن است متوجه شوند که دیگر بازاری در انتظار آنها نیست — خودروهای الکتریکی قبلاً جاده را تصرف کردهاند.
این یک ترجمه است. میتوانید نسخه اصلی را اینجا بخوانید: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html
منتشر شده اکتبر 07, 2021 • 9 دقیقه برای مطالعه
