Čudni motori zaglavljeni na rubovima napretka

Wankelov motor, Stirlingov motor i različite vrste turboagregata nikada nisu ušli u automobilski mainstream. Brojne poznate tvrtke — od Mazde do GM-a, od Mercedesa do Volvoa — radile su na njima desetljećima. Istrajavale su i male tvrtke i pojedinačni izumitelji. Ipak, pokazalo se da svaki alternativni dizajn krije daleko više zamki nego što se u početku očekivalo. To ne znači da je razvoj nekonvencionalnih pogonskih agregata nemoguć. Entuzijasti nastavljaju promicati različite ideje, a ovdje istražujemo neke od najegzotičnijih koncepcija motora ikad izgrađenih.

Motori s podijeljenim ciklusom: Dva cilindra, jedan radni takt

Neki konstruktori motora zaključili su da se klasična kombinacija cilindra, klipa, klipnjače i koljenastog vratila dokazala kroz više od jednog stoljeća — te da poboljšanje motora s unutarnjim izgaranjem zahtijeva samo dotjerivanje pojedinih aspekata, a ne izmišljanje svega iznova. Prvi primjer na našem popisu je motor koji je razvila američka tvrtka Scuderi Group, koja zadržava klasične takte usisa, kompresije, ekspanzije i ispuha — ali ih dijeli na dva odvojena cilindra:

• Hladni (kompresorski) cilindar — obavlja usis i kompresiju
• Vrući (radni) cilindar — obavlja radni takt i ispuh

Dok se plin širi u radnom cilindru, u hladnom, kompresorskom cilindru odvija se takt usisa. Kada radni cilindar ispušta, kompresorski cilindar komprimira. Na kraju takta kompresije oba klipa prilaze gornjim mrtvim točkama, smjesa putuje kroz zaobilazni kanal iz hladnog u vrući cilindar i pali se. Ovaj podijeljeni ciklus — u biti modificirani Ottov ciklus — patentiran je 2006. godine, a 2009. godine Scuderi Group izgradio je prototipni Scuderi Split Cycle Engine.

Kompresorski i radni cilindar mogu imati različite promjere i hode klipova, što omogućuje fleksibilno podešavanje parametara motora — funkcionira kao analogija Millerova ciklusa s dodatnom ekspanzijom plina. Dodajte granu s ventilima i bocu visokog tlaka u kanal između cilindara, i motor može rekuperirati energiju pri kočenju te je koristiti pri ubrzavanju. Međutim, aktivnosti Scuderi Groupa dugi niz godina ograničene su na prototipe i nastupe na sajmovima. Stvarne uštede u učinkovitosti još nisu opravdale znatnu složenost dizajna.

Hrvatska tvrtka Paut Motor također je pribjegla podijeljenom radnom ciklusu. Njihov prostorni dizajn privukao je pozornost iz nekoliko razloga:

• Znatno manje pokretnih dijelova nego kod konvencionalnih motora
• Manji gubici zbog trenja
• Smanjena razina buke pri radu
• Kompaktne dimenzije: 500×440×440 mm pri kapacitetu od 7 litara
• Masa od približno 135 kg — otprilike upola manje od tradicionalnog motora iste zapremnine

Odsutnost ulja u karteru zahtijeva vanjski spremnik za podmazivanje, ali izumitelji su to smatrali prihvatljivim kompromisom. Izgrađeno je nekoliko prototipova, premda snaga nikada nije službeno izmjerena. Posljednji prototip sklopljen je 2011. godine, a projekt je od tada zapeo.

Bonnerov dvotaktni motor: Maksimalna složenost, ambiciozni ciljevi

Bonnerov dvotaktni motor (nazvan po sponzoru, Bonner Motor) izumio je 2006. godine u Sjedinjenim Američkim Državama Walter Schmid, i gura mehaničku složenost još dalje. Poput Paut Motora, cilindri su raspoređeni u X-konfiguraciji, a koljenasto vratilo izvodi planetarno gibanje putem zupčastog sustava. Ključne značajke uključuju:

• Ventile u dnu cilindara i rotirajuće valjkaste ventile u tijelu motora za distribuciju plina
• Vanjske klipove koji se mogu malo pomicati pod tlakom ulja kako bi osigurali varijabilni omjer kompresije
• Visoki omjer snage i mase kao primarni cilj dizajna

U teoriji, Bonnerov motor izgleda uvjerljivo. U praksi, međutim, iz projekta već godinama ne dolaze značajne vijesti — očito nije ispunio očekivanja.

Aksijalni motori: Cilindri raspoređeni poput revolvera

Drugi izumitelji zadržali su radne cikluse motora s unutarnjim izgaranjem, ali su iznova zamislili fizički raspored njegovih komponenata. Aksijalni motori, koji postoje više od jednog stoljeća, odličan su primjer. Razlikuju se u detaljima, ali dijele zajednički princip: cilindri su raspoređeni poput patrona u bubnju revolvera, koaksijalno s izlaznim vratilom. Različiti mehanizmi — poput kosih čavlića i konusnih podložnih pločica — pretvaraju naizmjenično gibanje klipova u rotaciju vratila.

Projekt Duke Engines s Novog Zelanda jedan je od značajnih primjera: petcilindrični, četverotaktni aksijalni motor zapremnine 3 litre. U usporedbi s konvencionalnim motorom iste zapremnine, Duke agregat nudio je:

• 19% manju masu
• 36% kompaktniji smještaj
• Svestran potencijal primjene u automobilskom, pomorskom i zrakoplovnom sektoru

Dana su ambiciozna obećanja o široko rasprostranjenom prihvaćanju — ali snovi o osvajanju svijeta ostali su snovi.

Motor RadMax kanadske tvrtke Reg Technologies gura aksijalni koncept još dalje. Umjesto diskretnih cilindara, unutar zajedničkog bubnja tankim lopaticama formira se dvanaestak pretinaca. Ploče postavljene u utore rotora kreću se duž njih dok se rotor okreće, a zakrivljene površine na krajevima bubnja definiraju putanje lopatica i kontroliraju izmjenu plina. Značajne karakteristike:

• Kompatibilan s više vrsta goriva, premda je dizel bio početni fokus
• Prototip iz 2003. godine imao je samo 152 mm i promjera i duljine, a proizvodio je 42 konjske snage — daleko više od konvencionalnog motora ekvivalentne veličine
• Kasniji prototipovi navodno su dostigli 127 KS i 380 KS

Unatoč ovim obećavajućim podacima, čini se da sve aktivnosti RadMax-a ostaju u eksperimentalnoj fazi.

Toroidalni motori: Kada cilindar postaje krafna

Motor VGT (Variable Geometry Toroidal Engine) sada već nepostojeće kanadske tvrtke VGT Technologies još je jedan primjer teorije koja nadmašuje praksu. Prvotno testiran 2005. godine, motor zamjenjuje konvencionalni cilindar toroidom — pretincem u obliku krafne — unutar kojeg se okreće rotor s parom pričvršćenih klipova.

Tanka razvodna ploča s izrezom za klipove kruži po toroidu putem remenskog prijenosa, ograničavajući mješavinu goriva i zraka tijekom kompresije i radnog takta. Godine 2009., američki poduzetnici Gary Kelley i Rick Ivas neovisno su razvili toroidalni motor koji je usko oponašao kanadski dizajn. Njihove procjene sugeriraju da bi toroid promjera pola metra isporučio:

• 230 konjskih snaga
• Približno 1.000 N·m momenta
• Sve pri samo 1.050 o/min

Njihova tvrtka, Garric Engines, na svojoj web stranici sada prikazuje samo poruku: „Hvala na vašem interesu. Stranica bi mogla biti ažurirana u budućnosti.”

Nutacijski motor: Rotirajući diskovi umjesto klipova

Nešto obećavajuća sudbina možda čeka nutacijski motor koji je 2006. godine izumio Amerikanac Leonard Meyer — barem je izgrađeno nekoliko radnih primjeraka. Naziv potječe od latinskog nutatio (klimanje ili ljuljanje). Meyerov dizajn između tijela motora i diska koji nutira (ljulja se) s jedne na drugu stranu oblikuje četiri radne komore promjenjivog volumena, funkcionirajući kao klip. Disk je prerezan na pola duž svog promjera i nanizat na Z-oblikovano izlazno vratilo, a kanali i ventili u tijelu upravljaju izmjenom plina.

Prototipove su izgradili Baker Engineering i njegova sestrinska tvrtka Kinetic BEI, s impresivnim rezultatima:

• Jedan disk promjera 102 mm: 7 KS
• Dva diska promjera 203 mm: 120 KS
• Dimenzije dvodiskovnog motora: duljina 500 mm, promjer 300 mm, zapremnina 3,8 litara
• Omjer snage i mase: 2,5–3 KS/kg naspram 1–2 KS/kg za serijski proizvedene atmosferske motore

Specifična snaga po litri manje je impresivna, ali gustoća snage je zamjetna. Čini se da Baker i Kinetic dorađuju dizajn, premda aktivnost na njihovim web stranicama ostaje ograničena.

LiquidPiston: Wankelov motor iznutra naopako

Koncepti rotacijskih motora nastavljaju osvajati inovatore, kao da samo odlazak od poznate kombinacije klipa i cilindra inherentno obećava bolje performanse. Nikolaj Školnik, bivši sovjetski inženjer koji se preselio u Sjedinjene Američke Države, i njegov sin Aleksandar razvili su motor koji nalikuje Wankelovom motoru iznutra naopako. Rotor u obliku kikirikija okreće se unutar trokutaste komore — ista osnovna geometrija kao kod Wankela — ali, što je ključno, brtve su pričvršćene za stijenke komore, a ne za rotor.

Školnici su osnovali LiquidPiston za razvoj koncepta, privlačeći sufinanciranje od DARPA-e za potencijalnu upotrebu u:

• Lakim zrakoplovima i dronovima
• Prijenosnim generatorima električne energije
• Pogonskim sklopovima hibridnih vozila

Prototip od 23 cm³ već postiže termalnu učinkovitost od 20% — impresivno za tu klasu zapremnine. Tim sada cilja na dizelski prototip mase oko 13 kg koji proizvodi 40 KS, s projiciranom termalnom učinkovitosti koja raste na 45%.

Motor s ljuljajućim klipom: Kvadratni pristup

Posljednji motor u našem pregledu dokazuje da je privlačnost plosnatog, kompaktnog agregata stvarna — i da rotori nisu jedini put do njega. Motor s ljuljajućim klipom tvrtke Pivotal Engineering jednostavno kvadrira tradicionalni klip, čineći cilindar pravokutnim gledano odozgo. Ovaj dvotaktni dizajn postoji već nekoliko godina, tijekom kojih je niz prototipova pogonio i motocikle i zrakoplove.

Tvrtka se primarno usmjeruje na zrakoplovne primjene, a dizajn nudi neke stvarne prednosti:

• Visoki omjeri snage i mase te snage i volumena
• Odličan potencijal za prisilno punjenje, omogućen kanalom za tekuće hlađenje koji prolazi kroz fiksnu osovinu klipa — teško ostvarivo u konvencionalnim arhitekturama motora
• Pljosnati oblik, budući da se kvadratni rotor može napraviti vrlo tankim

Ostali egzotični koncepti motora vrijedni spomena

Postoje mnogi izvanredni egzotični dizajni motora osim onih ovdje opisanih. Nekoliko vrijednih spomena:

• 12-rotorski Wankelov motor — Mazdina rotacijska koncepcija dovedena do krajnosti
• Knightov motor s čahurnim ventilima — dizajn star stoljeće koji je nakratko parirao konvencionalnim podiznim ventilima
• Motori s nasuprotnim klipovima — dva klipa dijele jedan cilindar, bez glave cilindra
• Motori s varijabilnim omjerom kompresije — omogućuju prilagodbu kompresije u stvarnom vremenu radi optimizacije učinkovitosti pri različitim uvjetima opterećenja
• Petotaktni motori — s namjenskim ekspanzijskim cilindrom za izvlačenje više rada iz produkata izgaranja
• Motori s rotirajućim lopaticama — u kojima se komponente rotora kreću poput stapajućih i rastavljajućih oštrica škara

Zašto alternativni motori ne dosežu serijsku proizvodnju?

Čak i kratak pregled nekonvencionalnih dizajna motora s unutarnjim izgaranjem otkriva upadljiv obrazac: desetci pametnih ideja, vrlo malo proizvodnih vozila. Ponavljajuće prepreke su konzistentne:

• Trošenje brtvi — rotacijski dizajni često zataju zbog degradacije vrhnih brtvi s vremenom
• Izmjenična mehanička opterećenja — koncepti s rotirajućim lopaticama pate od zamora na spoju lopatice i vratila
• Složenost proizvodnje — egzotične geometrije skupe su i teške za masovnu proizvodnju
• Pouzdanost i trajnost — nekonvencionalni motori rijetko dostižu rekord izdržljivosti tradicionalnih klipnih motora usavršavanih više od 100 godina

Drugi razlog zašto alternativni motori imaju poteškoća jest taj što konvencionalna tehnologija motora s unutarnjim izgaranjem nije mirovala. Najnoviji benzinski motori koji koriste Millerov ciklus postižu termalnu učinkovitost do 40% čak i bez turbopunjača — izvanredan podatak, s obzirom na to da većina benzinskih motora postiže samo 20–30%, a dizelski motori 30–40% (s velikim brodskim dizelima koji dostižu i do 50%).

Što je najvažnije, globalna alternativa motoru s unutarnjim izgaranjem već je stigla: električni motori i gorivni članci. Ako izumitelji iza ovih egzotičnih kurioziteta ne razriješe svoje tehničke izazove vrlo brzo, možda će otkriti da ih više ne čeka tržište — električna vozila već će bila preuzela cestu.

Ovo je prijevod. Original možete pročitati ovdje: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html