מנועים מוזרים התקועים בשולי הקדמה

מנוע הוואנקל, מנוע סטירלינג וסוגים שונים של יחידות טורבו-כוח לא נכנסו לזרם המרכזי של תעשיית הרכב. חברות מוכרות רבות — ממאזדה ועד GM, ממרצדס ועד וולוו — עבדו עליהם במשך עשרות שנים. גם חברות קטנות וממציאים בודדים המשיכו להתאמץ. ובכל זאת התברר שכל עיצוב חלופי טומן בחובו הרבה יותר מלכודות ממה שציפו בתחילה. אין זה אומר שפיתוח יחידות כוח לא קונבנציונליות אינו אפשרי. חובבנים ממשיכים לקדם רעיונות שונים, וכאן אנו סוקרים כמה ממושגי המנועים האקזוטיים ביותר שנבנו אי פעם.

מנועי מחזור מפוצל: שני גלילים, מכת כוח אחת

מעצבי מנועים מסוימים הגיעו למסקנה שהשילוב הקלאסי של גליל, בוכנה, מוט מחבר וארכובה הוכיח את עצמו במשך יותר ממאה שנה — ושלשיפור מנועי הבעירה הפנימית נדרשת רק התאמה של היבטים מסוימים ולא המצאה מחדש מאפס. הדוגמה הראשונה ברשימתנו היא המנוע שפיתחה החברה האמריקאית Scuderi Group, השומרת על מכות הייצור הקלאסיות — שאיבה, דחיסה, כוח ופליטה — אך מפצלת אותן בין שני גלילים נפרדים:

• גליל קר (מדחס) — מטפל בשאיבה ובדחיסה
• גליל חם (עבודה) — מטפל במכת הכוח ובפליטה

בזמן שהגז מתרחב בגליל העבודה, מתרחשת מכת שאיבה בגליל הקר, המדחס. כאשר גליל העבודה פולט, גליל המדחס דוחס. בסוף מכת הדחיסה, שתי הבוכנות מתקרבות למרכזיהן העליונים, התערובת עוברת דרך ערוץ עוקף מהגליל הקר לחם ומוצתת. מחזור מפוצל זה — בעצם מחזור אוטו מוסכם — עוגן בפטנט בשנת 2006, ובשנת 2009 בנתה Scuderi Group את האב-טיפוס של Scuderi Split Cycle Engine.

לגלילי המדחס והעבודה יכולים להיות קוטרים ומכות בוכנה שונות, מה שמאפשר כיוון גמיש של פרמטרי המנוע — ומתפקד כאנלוג של מחזור מילר עם התפשטות גז נוספת. הוסיפו ענף עם שסתומים ובקבוק לחץ גבוה לערוץ שבין הגלילים, והמנוע יוכל לשחזר אנרגיה בזמן בלימה ולפרוס אותה בזמן האצה. אולם במשך מספר שנים, פעילות Scuderi Group הוגבלה לאבות-טיפוס והופעות בתערוכות. שיפורי היעילות בעולם האמיתי טרם הצדיקו את המורכבות הניכרת של העיצוב.

גם החברה הקרואטית Paut Motor פנתה למחזור עבודה מפוצל. עיצובה המרווח משך תשומת לב מכמה סיבות:

• חלקים נעים פחות משמעותית ממנועים קונבנציונליים
• הפסדי חיכוך נמוכים יותר
• רעש הפעלה מופחת
• מידות קומפקטיות: 500×440×440 מ”מ בנפח של 7 ליטר
• משקל של כ-135 ק”ג — כחצי ממשקלו של מנוע מסורתי באותה תזוזה

היעדר שמן בקרטר אכן מחייב מיכל סיכה חיצוני, אך הממציאים ראו בכך פשרה מקובלת. נבנו מספר אבות-טיפוס, אם כי תפוקת הכוח הסופית לא נקבעה רשמית מעולם. אב-הטיפוס האחרון הורכב בשנת 2011, והפרויקט תקוע מאז.

מנוע דו-המכה של Bonner: מורכבות מרבית, יעדים שאפתניים

מנוע דו-המכה של Bonner (על שם הספונסר שלו, Bonner Motor) הומצא בשנת 2006 בארצות הברית על ידי Walter Schmid ומרחיק לכת עוד יותר במורכבות המכנית. כמו Paut Motor, גלילי המנוע מסודרים בתצורת X, והארכובה מבצעת תנועה פלנטרית באמצעות מערכת גלגלי שיניים. תכונות עיקריות כוללות:

• שסתומים בתחתיות הגלילים ושסתומי סליל מסתובבים בגוף המנוע לחלוקת גז
• בוכנות חיצוניות שיכולות להזיז מעט תחת לחץ שמן כדי לספק יחס דחיסה משתנה
• יחס כוח-משקל גבוה כיעד העיצוב העיקרי

על הנייר, מנוע Bonner נראה משכנע. בפועל, לעומת זאת, לא עלו חדשות משמעותיות מהפרויקט במשך שנים — כנראה שלא עמד בציפיות.

מנועים צירים: גלילים מסודרים כמו רובה עגלגל

ממציאים אחרים שמרו על מחזורי העבודה של מנוע הבעירה הפנימית אך חשבו מחדש על הפריסה הפיזית של רכיביו. מנועים צירים, הקיימים כבר יותר ממאה שנה, הם דוגמה מובהקת לכך. הם שונים בפרטים אך חולקים עיקרון משותף: גלילים מסודרים כמו כדורים בתוף רובה עגלגל, קואקסיאלית עם ציר הפלט. מנגנונים שונים — כגון פינים משופעים וכבידי חרוט — ממירים את התנועה ההדדית של הבוכנות לסיבוב הציר.

פרויקט Duke Engines מניו זילנד הוא זן בולט אחד: מנוע ציר חמישה גלילים, ארבע-מכה עם תזוזה של 3 ליטר. בהשוואה למנוע קונבנציונלי באותה קיבולת, יחידת Duke הציעה:

• משקל נמוך ב-19%
• אריזה קומפקטית יותר ב-36%
• פוטנציאל יישום רב-תכליתי בתחומי הרכב, ים ותעופה

הובטחו הבטחות שאפתניות לגבי אימוצו הנרחב — אך חלומות כיבוש העולם נשארו חלומות.

מנוע RadMax מאת החברה הקנדית Reg Technologies מרחיק את הרעיון הציר עוד יותר. במקום גלילים נפרדים, תריסר תאים נוצרים בתוך תוף משותף באמצעות להבים דקים. לוחות המותקנים בחריצי הרוטור נעים לאורכם כאשר הרוטור מסתובב, ומשטחים מעוקלים בקצות התוף מגדירים מסלולי להבים ושולטים בחילוף הגז. מאפיינים בולטים:

• תואם לסוגי דלק מרובים, אם כי דיזל היה הפוקוס הראשוני
• אב-טיפוס משנת 2003 שמד רק 152 מ”מ בקוטר ובאורך יצר 42 כוחות סוס — הרבה יותר ממנוע קונבנציונלי בגודל שווה
• אבות-טיפוס מאוחרים יותר דווחו שהגיעו ל-127 כ”ס ול-380 כ”ס

למרות נתונים מבטיחים אלו, כל פעילות RadMax נראית כנשארת בשלב הניסויי.

מנועים טורואידלים: כאשר הגליל הופך לסופגנייה

מנוע VGT (Variable Geometry Toroidal Engine) מאת החברה הקנדית VGT Technologies, שאינה קיימת עוד, הוא מקרה מחקר נוסף של תיאוריה המתעלה על הפרקטיקה. נבדק לראשונה בשנת 2005, המנוע מחליף את הגליל הקונבנציונלי בטורואיד — תא בצורת סופגנייה — שבתוכו מסתובב רוטור עם זוג בוכנות מחוברות.

דיסק חלוקה דק עם חריץ לבוכנות מסתובב דרך הטורואיד באמצעות הנעת רצועה, ומגביל את תערובת האוויר-דלק בזמן הדחיסה ומכת הכוח. בשנת 2009, היזמים האמריקאים Gary Kelley ו-Rick Ivas פיתחו באופן עצמאי מנוע טורואידלי שדמה מאוד לעיצוב הקנדי. הערכותיהם הצביעו על כך שטורואיד בקוטר חצי מטר יספק:

• 230 כוחות סוס
• כ-1,000 ניוטון-מטר של מומנט
• הכל ב-1,050 סל”ד בלבד

חברתם, Garric Engines, מציגה כיום רק הודעת שגרר באתר שלה: “תודה על עניינך. הדף עשוי להתעדכן בעתיד.”

המנוע המנוד: דיסקים מתנדנדים במקום בוכנות

גורל מבטיח יותר במעט עשוי לחכות למנוע המנוד שהמציא האמריקאי Leonard Meyer בשנת 2006 — לפחות מספר עותקים עובדים נבנו. השם נגזר מהלטינית nutatio (הנהון או התנדנדות). עיצובו של Meyer יוצר ארבעה תאי עבודה בנפח משתנה בין גוף המנוע לדיסק המנוד (מתנדנד) מצד לצד, המתפקד כבוכנה. הדיסק חצוי לאורך קוטרו ומשורג על ציר פלט בצורת Z, כאשר ערוצים ושסתומים בגוף מנהלים את חילוף הגז.

אבות-טיפוס נבנו על ידי Baker Engineering וחברת האחות שלה Kinetic BEI, עם תוצאות מרשימות:

• דיסק יחיד 102 מ”מ: 7 כ”ס
• דיסקים כפולים 203 מ”מ: 120 כ”ס
• מידות מנוע דו-דיסקי: אורך 500 מ”מ, קוטר 300 מ”מ, תזוזה 3.8 ליטר
• יחס כוח-משקל: 2.5–3 כ”ס/ק”ג לעומת 1–2 כ”ס/ק”ג במנועים שאפים טבעיים שיוצרו בסדרה

תפוקת ליטר פחות מרשימה, אך צפיפות הכוח בולטת. Baker ו-Kinetic נראות כמשכללות את העיצוב, אם כי הפעילות באתרי האינטרנט שלהן נותרת מוגבלת.

LiquidPiston: מנוע הוואנקל הפוך מבפנים

מושגי מנועים רוטריים ממשיכים לקסום לחדשנים, כאילו שהסטייה מהסידור המוכר של בוכנה וגליל מבטיחה מעצמה ביצועים טובים יותר. Nikolay Shkolnik, מהנדס סובייטי לשעבר שעבר לארצות הברית, ובנו Alexander פיתחו מנוע הדומה למנוע הוואנקל הפוך מבפנים. רוטור בצורת בוטן מסתובב בתוך תא משולשי — אותה גיאומטריה בסיסית כמו הוואנקל — אך באופן מכריע, האטמים קבועים על דפנות התא ולא על הרוטור.

בני Shkolnik ייסדו את LiquidPiston לפיתוח המושג, ומשכו מימון משותף מ-DARPA לשימוש פוטנציאלי ב:

• כלי טיס קלים וכטב”מים
• גנרטורי חשמל ניידים
• מערכות הנעה של רכבים היברידיים

אב-טיפוס של 23 סמ”ק כבר משיג יעילות תרמית של 20% — מרשים עבור קטגוריית תזוזה זו. הצוות מכוון כעת לאב-טיפוס דיזל השוקל כ-13 ק”ג ומייצר 40 כ”ס, עם יעילות תרמית צפויה העולה ל-45%.

מנוע הבוכנה המתנדנדת: הפיכה לריבועית

המנוע האחרון בסקירתנו מוכיח שהמשיכה של יחידה שטוחה וקומפקטית היא אמיתית — וכי רוטורים אינם הדרך היחידה להשיגה. מנוע הבוכנה המתנדנדת של Pivotal Engineering פשוט מרבע את הבוכנה המסורתית, הופך את הגליל למלבני במבט עליון. עיצוב דו-מכה זה קיים במשך מספר שנים, ובמהלכן הניעו מספר אבות-טיפוס הן אופנועים והן כלי טיס.

החברה מכוונת בעיקר ליישומי תעופה, והעיצוב מציע כמה יתרונות אמיתיים:

• יחסי תפוקה-משקל ותפוקה-גודל גבוהים
• פוטנציאל מצוין לדחיסה כפויה, המאופשר על ידי ערוץ קירור נוזלי העובר דרך ציר הבוכנה הקבוע — הישג קשה בארכיטקטורות מנועים קונבנציונליות
• מבנה שטוח, מאחר שהרוטור הריבועי יכול להיות דק מאוד

מושגי מנועים אקזוטיים נוספים הראויים להכרה

קיימים עיצובי מנועים אקזוטיים רבים ומרשימים מעבר לאלו שנסקרו כאן. כמה מהם ראויים לאזכור:

• מנוע וואנקל בעל 12 רוטורים — דוחף את מושג הרוטרי של מאזדה לקצה
• מנוע שסתום שרוול של Knight — עיצוב בן מאה שנה שהתחרה לזמן קצר בשסתום הפופט
• מנועי בוכנות מנוגדות — שתי בוכנות החולקות גליל יחיד, ללא ראש גליל
• מנועים עם יחס דחיסה משתנה — המאפשרים כיוון בזמן אמת של הדחיסה לייעול היעילות בתנאי עומס שונים
• מנועי חמש מכות — הוספת גליל התפשטות ייעודי לחילוץ עבודה נוספת מגזי הבעירה
• מנועי להבי רוטור — שבהם רכיבי הרוטור נעים כמו להבי מספריים מתכנסים ומתרחקים

מדוע מנועים חלופיים לא מגיעים לייצור המוני?

אפילו סקירה קצרה של עיצובי מנועי בעירה פנימית לא קונבנציונליים חושפת דפוס בולט: עשרות רעיונות חכמים, מעט מאוד כלי רכב בייצור. המכשולים החוזרים ונשנים עקביים:

• בלאי אטמים — עיצובים רוטריים נכשלים לעתים קרובות בשל התדרדרות אטמי הקצה לאורך זמן
• עומסים מכניים מתחלפים — מושגי להבי רוטור סובלים מעייפות בחיבור הלהב לציר
• מורכבות ייצור — גיאומטריות אקזוטיות יקרות וקשות לייצור בקנה מידה
• אמינות ואורך חיים — מנועים לא קונבנציונליים לעתים נדירות מתאימים לרשומת העמידות של מנועי בוכנה מסורתיים שעברו שיכלול במשך 100+ שנים

הסיבה השנייה לכך שמנועים חלופיים מתקשים היא שטכנולוגיית מנוע הבעירה הפנימית הקונבנציונלית לא עמדה במקום. מנועי הבנזין האחרונים המשתמשים במחזור מילר משיגים יעילות תרמית של עד 40% אפילו ללא טורבו — נתון מרשים, בהתחשב בכך שרוב מנועי הבנזין מנהלים רק 20–30%, ומנועי הדיזל 30–40% (כאשר מנועי דיזל ימיים גדולים מגיעים לעד 50%).

הכי חשוב, האלטרנטיבה העולמית למנוע הבעירה הפנימית כבר הגיעה: מנועים חשמליים ויחידות כוח תאי דלק. אם הממציאים מאחורי סקרנויות אקזוטיות אלו לא יפתרו את האתגרים הטכניים שלהם בקרוב מאוד, ייתכן שימצאו שאין עוד שוק שמחכה להם — כלי הרכב החשמליים כבר יכבשו את הכביש.

זהו תרגום. ניתן לקרוא את המקור כאן: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html