Outoja moottoreita edistyksen laitamilla

Wankel-moottori, Stirling-moottori ja erilaiset turboaggregaatit eivät koskaan päässeet autoteollisuuden valtavirtaan. Useat tunnetut yritykset — Mazdasta GM:ään, Mercedesistä Volvoon — työskentelivät niiden parissa vuosikymmeniä. Myös pienet yritykset ja yksittäiset keksijät jatkoivat sinnikästä työtään. Osoittautui kuitenkin, että jokainen vaihtoehtoinen rakenne kätkee sisäänsä huomattavasti enemmän sudenkuoppia kuin aluksi odotettiin. Se ei tarkoita, että epätavanomaisten voimayksiköiden kehittäminen olisi mahdotonta. Harrastajat vievät erilaisia ideoita eteenpäin, ja tässä artikkelissa esittelemme joitakin kaikkien aikojen eksoottisimmista moottoriratkaisuista.

Jaetun syklin moottorit: kaksi sylinteriä, yksi työtahti

Jotkut moottorinsuunnittelijat ovat päätelleet, että klassinen yhdistelmä — sylinteri, mäntä, kiertokanki ja kampiakseli — on osoittanut arvonsa yli sadan vuoden aikana, ja että polttomoottorin kehittäminen edellyttää vain tiettyjen osa-alueiden viilaamista eikä suinkaan pyörän uudelleenkeksimistä. Ensimmäinen esimerkki listassamme on yhdysvaltalaisen Scuderi Group -yhtiön kehittämä moottori, joka säilyttää klassiset imu-, puristus-, työ- ja pakotahdit — mutta jakaa ne kahteen erilliseen sylinteriin:

• Kylmä (kompressori-) sylinteri — huolehtii imusta ja puristuksesta
• Kuuma (työ-) sylinteri — huolehtii työtahdista ja pakotuksesta

Kun kaasu laajenee työsylinterissä, kylmässä kompressorisylinterissä tapahtuu samanaikaisesti imutahti. Kun työsylinteri poistaa pakokaasut, kompressorisylinteri puristaa seosta. Puristustahdin lopussa molemmat männät lähestyvät yläkuolokohtiaan, seos siirtyy ohituskanavan kautta kylmästä sylinteristä kuumaan ja syttyy. Tämä jaettu sykli — käytännössä muunnettu Otto-sykli — patentoitiin vuonna 2006, ja vuonna 2009 Scuderi Group rakensi prototyypin nimeltä Scuderi Split Cycle Engine.

Kompressori- ja työsylintereillä voi olla eri halkaisijat ja männän iskun pituudet, mikä mahdollistaa moottorin parametrien joustavan säätämisen — toimien analogisesti Miller-syklin kanssa lisätyn kaasun laajentumisen myötä. Lisäämällä sylinterien väliseen kanavaan venttiileillä varustettu haara ja korkeatulpainen pallo, moottori voi ottaa talteen energiaa jarrutuksessa ja vapauttaa sen kiihdytyksen aikana. Scuderi Groupin toiminta on kuitenkin vuosien ajan rajoittunut prototyyppeihin ja messunäyttelyihin. Todellisessa käytössä saavutetut hyötysuhteen parannukset eivät ole toistaiseksi oikeuttaneet suunnittelun huomattavaa monimutkaisuutta.

Kroatialainen yritys Paut Motor tarttui myös jaettuun työsykliin. Heidän väljästi rakennettu suunnittelunsa herätti huomiota useista syistä:

• Huomattavasti vähemmän liikkuvia osia kuin tavanomaisissa moottoreissa
• Pienemmät kitkahäviöt
• Vähäisempi käyntimelu
• Kompaktit mitat: 500×440×440 mm 7 litran tilavuudella
• Paino noin 135 kg — noin puolet saman iskutilavuuden perinteisestä moottorista

Öljyn puuttuminen kampikammiosta edellyttää ulkoista voitelusäiliötä, mutta keksijät pitivät tätä hyväksyttävänä kompromissina. Useita prototyyppejä rakennettiin, vaikka lopullista tehoa ei koskaan virallisesti määritetty. Viimeinen prototyyppi koottiin vuonna 2011, ja projekti on sen jälkeen jäissä.

Bonner-kaksitahtimoottori: maksimaalinen monimutkaisuus, kunnianhimoiset tavoitteet

Bonner-kaksitahtimoottori (nimetty sponsorinsa Bonner Motorin mukaan) keksittiin vuonna 2006 Yhdysvalloissa Walter Schmidtin toimesta, ja se vie mekaanisen monimutkaisuuden vieläkin pidemmälle. Kuten Paut Motorissa, sylinterit on järjestetty X-muodostelmaan ja kampiakseli suorittaa planeettaliikettä hammaspyöräjärjestelmän avulla. Keskeisiä ominaisuuksia ovat:

• Venttiilit sylinterien pohjissa sekä pyörivät kela-venttiilit moottorin rungossa kaasunjakoa varten
• Ulkoiset männät, jotka voivat siirtyä hieman öljynpaineen avulla muuttuvan puristussuhteen aikaansaamiseksi
• Korkea teho/painosuhde ensisijaisena suunnittelutavoitteena

Teoriassa Bonner-moottori vaikuttaa houkuttelevalta. Käytännössä projektista ei ole kuitenkaan kuulunut merkittäviä uutisia vuosiin — ilmeisesti se ei ole täyttänyt odotuksia.

Aksiaaliset moottorit: sylinterit revolverinrummun tapaan

Toiset keksijät säilyttivät polttomoottorin työsyklit ennallaan mutta kuvittelivat uudelleen sen osien fyysisen järjestelyn. Aksiaaliset moottorit, joita on ollut olemassa yli sadan vuoden ajan, ovat tästä hyvä esimerkki. Ne vaihtelevat yksityiskohdiltaan, mutta niillä on yhteinen periaate: sylinterit on järjestetty kuten patruunat revolverinrummussa, yhteisaksiaalisesti ulostuloakselin kanssa. Erilaiset mekanismit — kuten kaltevat tapit ja kartiomaiset aluslevyt — muuntavat mäntien edestakaisin liikkeen akselin pyörinnäksi.

Uusiseelantilaisen Duke Engines -projekti on yksi merkittävä esimerkki: viisisylinterinen, nelitahtinen aksiaalinen moottori 3 litran tilavuudella. Verrattuna saman tilavuuden tavanomaiseen moottoriin Duke-yksikkö tarjosi:

• 19 % pienempi paino
• 36 % kompaktimpi rakenne
• Monipuoliset käyttömahdollisuudet auto-, meri- ja ilmailusektoreilla

Laajasta käyttöönotosta tehtiin kunnianhimoisia lupauksia — mutta maailmanvalloituksen unelmat jäivät unelmiksi.

Kanadalaisen Reg Technologies -yhtiön RadMax-moottori vie aksiaaliajatuksen vieläkin pidemmälle. Erillisten sylintereiden sijaan yhteisen rummun sisään muodostetaan tusinakymmentä lokeroa ohuiden lapojen avulla. Roottorin uriin kiinnitetyt levyt liikkuvat lapojen mukaan roottorin pyöriessä, ja rummun päissä olevat kaarevia pintoja seuraavat lavat ohjaavat kaasunvaihtoa. Merkittäviä ominaisuuksia:

• Yhteensopiva useiden polttoainetyyppien kanssa, vaikka dieselpolttoaine olikin alkuperäinen painopiste
• Vuoden 2003 prototyyppi oli halkaisijaltaan ja pituudeltaan vain 152 mm, mutta tuotti 42 hevosvoimaa — huomattavasti enemmän kuin saman kokoinen tavanomainen moottori
• Myöhempien prototyyppien ilmoitettiin saavuttaneen 127 hv ja 380 hv

Lupaavista luvuista huolimatta kaikki RadMax-toiminta näyttää edelleen pysyvän kokeellisessa vaiheessa.

Toroidaaliset moottorit: kun sylinteristä tulee donitsi

Nyt jo lakkautetun kanadalaisen VGT Technologies -yhtiön VGT-moottori (Variable Geometry Toroidal Engine) on toinen esimerkki tilanteesta, jossa teoria päihittää käytännön. Vuonna 2005 ensimmäistä kertaa testattu moottori korvaa tavanomaisen sylinterin toroidilla — donitsinmuotoisella kammiolla — jonka sisällä pyörii roottori, johon on kiinnitetty pari mäntää.

Ohut jakolevy, jossa on aukko mäntiä varten, pyörii toroidin poikki hihnavälityksen avulla rajoittaen polttoaine-ilmaseosta puristuksen ja työtahdin aikana. Vuonna 2009 yhdysvaltalaiset yrittäjät Gary Kelley ja Rick Ivas kehittivät itsenäisesti toroidaalisen moottorin, joka muistutti läheisesti kanadalaista suunnittelua. Heidän arvionsa mukaan puolen metrin halkaisijaltaan olevan toroidin tuotto olisi:

• 230 hevosvoimaa
• Noin 1 000 N·m vääntömomenttia
• Kaikki vain 1 050 kierroksella minuutissa

Heidän yrityksensä Garric Engines näyttää verkkosivuillaan nykyään vain lyhyen viestin: “Kiitos kiinnostuksestasi. Sivua saatetaan päivittää tulevaisuudessa.”

Nutaatiomoottori: pyörivät levyt mäntien sijaan

Hieman lupaavampi kohtalo saattaa odottaa yhdysvaltalaisen Leonard Meyerin vuonna 2006 keksimää nutaatiomoottoria — siitä on ainakin rakennettu useita toimivia kappaleita. Nimi juontuu latinan sanasta nutatio (nyökkäys tai huojuminen). Meyerin suunnittelussa moottorin rungon ja levyn välille muodostuu neljä muuttuvan tilavuuden työkammiota. Levy nutaatioliikkeen avulla (huojuu puolelta toiselle) toimii mäntänä. Levy on leikattu puoliksi halkaisijansa suuntaisesti ja pujotettuna Z-muotoiselle ulostuloakselille, kun taas rungossa olevat kanavat ja venttiilit huolehtivat kaasunvaihdosta.

Prototyypit rakensi Baker Engineering ja sen sisaryhtiö Kinetic BEI vaikuttavin tuloksin:

• Yksittäinen 102 mm:n levy: 7 hv
• Kaksoislevyt 203 mm: 120 hv
• Kaksilevyisen moottorin mitat: 500 mm pituus, 300 mm halkaisija, 3,8 litran iskutilavuus
• Teho/painosuhde: 2,5–3 hv/kg verrattuna sarjatuotettujen luonnollisesti imevien moottorien 1–2 hv/kg

Litrakohtainen teho on vähemmän vaikuttava, mutta tehontiheys on merkittävä. Baker ja Kinetic näyttävät hioivan suunnittelua edelleen, vaikka toiminta heidän verkkosivuillaan on vähäistä.

LiquidPiston: Wankel-moottori nurinpäin

Kiertomoottorikonseptit kiehtovat keksijöitä edelleen, ikään kuin tutusta mäntä-sylinteri-järjestelystä irtautuminen itsessään lupaisi parempaa suorituskykyä. Entinen neuvostoliittolainen insinööri Nikolai Shkolnik, joka muutti Yhdysvaltoihin, ja hänen poikansa Aleksandr kehittivät moottorin, joka muistuttaa Wankel-moottoria nurinpäin käännettynä. Maapähkinänmuotoinen roottori pyörii kolmiomaisen kammion sisällä — sama perusgeometria kuin Wankelissa — mutta ratkaisevana erona tiivisteet on kiinnitetty kammion seinämiin eikä roottoriin.

Shkolnikit perustivat LiquidPiston-yhtiön konseptin kehittämiseksi ja saivat yhteisrahoitusta DARPAlta mahdollista käyttöä varten:

• Kevyissä lentokoneissa ja droneissa
• Kannettavissa aggregaateissa
• Hybridiajoneuvojen voimansiirroissa

23 cm³:n prototyyppi saavuttaa jo 20 %:n termisen hyötysuhteen — vaikuttava tulos kyseiselle iskutilavuusluokalle. Tiimi tähtää nyt dieselprototyyppiin, jonka paino on noin 13 kg ja teho 40 hv, projisoidun termisen hyötysuhteen noustessa 45 %:iin.

Heilurimäntämoottori: neliömäinen ratkaisu

Viimeinen katsauksemme moottori osoittaa, että litteän ja kompaktin yksikön viehätys on todellinen — ja että roottorit eivät ole ainoa keino sen saavuttamiseksi. Pivotal Engineeringin heilurimäntämoottori yksinkertaisesti neliöi perinteisen männän, jolloin sylinteri on ylhäältä katsottuna suorakulmainen. Tämä kaksitahtinen rakenne on ollut olemassa useita vuosia, jonka aikana useita prototyyppejä on käyttänyt voimanlähteenä sekä moottoripyörissä että lentokoneissa.

Yhtiö tähtää ensisijaisesti ilmailusovelluksiin, ja suunnittelulla on joitakin todellisia etuja:

• Korkeat teho/paino- ja teho/koko-suhteet
• Erinomainen ahtotuottopotentiaali, jonka mahdollistaa männän kiinteän akselin läpi kulkeva nestejäähdytyskanava — vaikea toteuttaa tavanomaisissa moottoririarkkitehtuureissa
• Litteä muoto, koska neliömäinen roottori voidaan tehdä hyvin ohueksi

Muita eksoottisia moottoriratkaisuja

Tässä esiteltyjen lisäksi on olemassa monia merkittäviä eksoottisia moottorisuunnitteluja. Muutamia mainitsemisen arvoisia:

• 12-roottorinen Wankel-moottori — Mazdan kiertomoottoriajatuksen vieminen äärimmilleen
• Knightin hihatiivisteventtiilimoottori — satavuotias suunnittelu, joka hetken kilpaili nostettavan venttiilin kanssa
• Vastaakkaisesti liikkuvien mäntien moottorit — kaksi mäntää jakaa yhden sylinterin, ilman sylinterinkantta
• Muuttuvan puristussuhteen moottorit — mahdollistavat puristussuhteen reaaliaikaisen säätämisen hyötysuhteen optimoimiseksi eri kuormitusolosuhteissa
• Viisitahtiset moottorit — lisäävät erillisen laajennussylinterin palamiskaasuista saatavan työn lisäämiseksi
• Kiertolapa-moottorit — joissa roottorikomponentit liikkuvat kuten lähestyvät ja etääntyvät saksen terät

Miksi vaihtoehtoiset moottorit eivät päädy sarjatuotantoon?

Jo lyhyt katsaus epätavanomaisiin polttomoottorisuunnitteluihin paljastaa silmiinpistävän kaavan: kymmeniä oivaltavia ideoita, hyvin vähän tuotantoajoneuvoja. Toistuvat esteet ovat johdonmukaisia:

• Tiivisteiden kuluminen — kiertomoottorisuunnittelut epäonnistuvat usein kärkitiivisteiden ennenaikaisen kulumisen vuoksi
• Vaihtelevat mekaaniset kuormat — kiertolapa-konseptit kärsivät lapojen ja akselin liitoksen väsymisestä
• Valmistuksen monimutkaisuus — eksoottiset geometriat ovat kalliita ja vaikeita tuottaa sarjatuotannossa
• Luotettavuus ja käyttöikä — epätavanomaiset moottorit eivät juurikaan vastaa yli 100 vuoden ajan hiottujen perinteisten mäntimoottorien kestävyysennätyksiä

Toinen syy vaihtoehtoisten moottorien vaikeuksiin on se, että tavanomainen polttomoottorit teknologia ei ole polkenut paikallaan. Uusimmat Miller-sykliä käyttävät bensiinimoottorit saavuttavat jopa 40 %:n termisen hyötysuhteen ilman ahtamistakin — merkittävä luku, kun otetaan huomioon, että useimmat bensiinimoottorit yltävät vain 20–30 %:iin ja dieselmoottorit 30–40 %:iin (suurten meridiseleiden noustessa jopa 50 %:iin).

Kaikkein tärkeintä on, että globaali vaihtoehto polttomoottorille on jo saapunut: sähkömoottorit ja polttokennokäyttöiset voimayksiköt. Jos näiden eksoottisten uteliaisuuksien takana olevat keksijät eivät ratkaise teknisiä haasteitaan hyvin pian, he saattavat huomata, ettei markkinoita enää ole odottamassa heitä — sähköajoneuvot ovat jo vallanneet tiet.

Tämä on käännös. Voit lukea alkuperäisen täältä: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html