Különös motorok a haladás peremén

A Wankel-motor, a Stirling-motor és a különböző turbómeghajtások sosem kerültek be az autóipari főáramlatba. Számos jól ismert vállalat – a Mazdától a GM-ig, a Mercedestől a Volvóig – évtizedeken át dolgozott rajtuk. Kis cégek és magánfeltalálók szintén kitartottak. Kiderült azonban, hogy minden alternatív motorkonstrukció sokkal több buktatót rejt, mint azt kezdetben gondolták. Ez nem jelenti azt, hogy a nem hagyományos erőforrások fejlesztése lehetetlen. A lelkes mérnökök folyamatosan terjesztik elő új ötleteiket, és mi most bemutatjuk a valaha épített legegzotikusabb motorkonstrukciókat.

Osztott ciklusú motorok: két henger, egy munkafázis

Egyes motortervezők arra jutottak, hogy a henger, a dugattyú, a hajtókar és a főtengely klasszikus kombinációja több mint egy évszázad alatt bizonyított – és a belsőégésű motorok fejlesztéséhez nem kell mindent nulláról újragondolni, elég néhány szempontot finomítani. Listánk első eleme az amerikai Scuderi Group által kifejlesztett motor, amely megtartja a klasszikus szívás, sűrítés, munkatétel és kipufogás ütemeit – de azokat két külön hengerbe osztja szét:

• Hideg (kompresszor) henger – a szívást és a sűrítést végzi
• Forró (munkavégző) henger – a munkafázist és a kipufogást végzi

Míg a gáz a munkavégző hengerben terjed, a hideg kompresszorhengerben szívási ütem zajlik. Amikor a munkavégző henger kipufog, a kompresszor henger sűrít. A sűrítési ütem végén mindkét dugattyú felső holtpontjához közeledik, a keverék egy átvezető csatornán keresztül a hideg hengerből a forróba áramlik, ahol meggyullad. Ez az osztott ciklus – lényegében egy módosított Otto-ciklus – 2006-ban lett szabadalmaztatva, 2009-ben pedig a Scuderi Group megépítette a kísérleti Scuderi Split Cycle Engine-t.

A kompresszor- és munkavégző hengernek eltérő átmérője és dugattyúlöket-hossza lehet, ami rugalmasan teszi lehetővé a motorparaméterek hangolását – a Miller-ciklushoz hasonlóan, kiegészítve a gáz további expanziójával. Ha a hengerek közötti csatornára szelepeket és egy nagynyomású tartályt illesztenek, a motor fékezéskor energiát nyerhet vissza, és gyorsításkor azt felhasználhatja. Ugyanakkor a Scuderi Group tevékenysége évek óta prototípusokra és kiállítási szereplésekre korlátozódik. A valós hatékonyságnövekedés mindeddig nem igazolta a konstrukció jelentős bonyolultságát.

A horvát Paut Motor vállalat szintén az osztott munkaciklus felé fordult. Elosztott elrendezésű konstrukciójuk több szempontból is figyelmet keltett:

• Lényegesen kevesebb mozgó alkatrész, mint a hagyományos motorokban
• Kisebb súrlódási veszteségek
• Csökkentett üzemi zaj
• Kompakt méretek: 500×440×440 mm 7 literes hengerűrtartalom mellett
• Tömeg: körülbelül 135 kg – nagyjából fele egy azonos lökettérfogatú hagyományos motornak

A forgattyúsház olajmentessége külső kenőanyag-tartályt igényel, de a feltalálók ezt elfogadható kompromisszumnak tekintették. Több prototípus is elkészült, bár a végleges teljesítményadatokat soha nem tették közzé hivatalosan. Az utolsó prototípus 2011-ben készült el, azóta a projekt megtorpant.

A Bonner kétütemű motor: maximális komplexitás, ambiciózus célok

A Bonner kétütemű motort (neve szponzoráról, a Bonner Motorról kapta) 2006-ban az Egyesült Államokban Walter Schmid találta fel, és a mechanikai bonyolultságot még tovább fokozza. A Paut Motorhoz hasonlóan a hengerek X-elrendezésben helyezkednek el, a főtengely pedig fogaskerék-rendszeren keresztül bolygómozgást végez. Főbb jellemzői:

• Szelepek a hengerek alján és forgó csúszószelepek a motorházban a gázelosztáshoz
• Külső dugattyúk, amelyek olajnyomás hatására kissé elmozdulhatnak, változtatható sűrítési arányt biztosítva
• Magas fajlagos teljesítmény mint elsődleges tervezési cél

Elméletben a Bonner motor meggyőzőnek tűnik. A gyakorlatban azonban évek óta nem érkezett érdemi hír a projektről – úgy tűnik, nem váltotta be a hozzá fűzött reményeket.

Axiális motorok: hengerek revolverszerű elrendezésben

Más feltalálók megtartották a belsőégésű motor munkaciklusait, de újragondolták az alkatrészek fizikai elrendezését. Erre remek példa az axiális motor, amely több mint egy évszázada létezik. A változatok részleteikben eltérnek, de közös elvük van: a hengerek revolvertáron belüli töltényekhez hasonlóan, a kimeneti tengellyel koaxiálisan helyezkednek el. Különböző mechanizmusok – például dőlt csapok és kúpos alátétek – alakítják át a dugattyúk oda-vissza mozgását tengelyforgatássá.

Az új-zélandi Duke Engines projekt az egyik figyelemre méltó változat: egy öthengeres, négyütemű axiális motor 3 literes lökettérfogattal. Azonos kapacitású hagyományos motorhoz képest a Duke egység:

• 19%-kal kisebb tömegű
• 36%-kal kompaktabb
• Sokoldalúan alkalmazható személyautókban, hajókban és repülőgépekben egyaránt

Ambiciózus ígéretek hangzottak el széles körű elterjedéséről – de a világ meghódításának álma álom maradt.

A kanadai Reg Technologies cég RadMax motorja az axiális koncepciót még tovább viszi. Különálló hengerek helyett egy közös dobban vékony lapátok segítségével egy tucat kamra alakul ki. A rotor hornyaiba szerelt lapok a rotor forgásakor ezek mentén mozognak, a dob végeinek ívelt felületei pedig meghatározzák a lapátok pályáját és szabályozzák a gázcserét. Főbb jellemzők:

• Többféle üzemanyaggal kompatibilis, bár kezdetben a dízel volt az elsődleges fókusz
• Egy 2003-as prototípus mindössze 152 mm átmérőjű és hosszúságú volt, mégis 42 lóerőt produkált – jóval többet, mint egy hagyományos motor azonos méretben
• Később a prototípusok állítólag 127 LE-t, majd 380 LE-t is elértek

E biztató adatok ellenére a RadMax összes tevékenysége kísérletezési szinten maradt.

Toroidális motorok: amikor a henger fánkká alakul

A már megszűnt kanadai VGT Technologies cég VGT motorja (Variable Geometry Toroidal Engine – változó geometriájú toroidális motor) egy újabb esettanulmány arról, hogy az elmélet felülmúlja a gyakorlatot. 2005-ben tesztelték először: a motor a hagyományos hengert egy toroiddal – fánk alakú kamrával – helyettesíti, amelyben egy pár csatolt dugattyúval rendelkező rotor forog.

Egy vékony elosztótárcsa, amelyen a dugattyúknak nyílás van kivágva, szíjmeghajtáson keresztül forog a toroid belsejében, korlátozva az üzemanyag-levegő keveréket a sűrítés és a munkafázis során. 2009-ben Gary Kelley és Rick Ivas amerikai vállalkozók egymástól függetlenül fejlesztett ki egy toroidális motort, amely nagymértékben hasonlított a kanadai konstrukcióra. Becslésük szerint egy fél méteres átmérőjű toroid az alábbiakat produkálná:

• 230 lóerőt
• Körülbelül 1000 N·m nyomatékot
• Mindössze 1050 ford./percnél

Cégük, a Garric Engines weboldalán ma már csak egy csonka üzenet olvasható: „Köszönjük érdeklődését. Az oldal a jövőben frissülhet.”

A nutáló motor: forgó korongok dugattyúk helyett

Valamivel kedvezőbb sors várhat a Leonard Meyer amerikai feltaláló által 2006-ban kifejlesztett nutáló motorra – legalább több működő példány elkészült belőle. A neve a latin nutatio (bólogatás vagy billegés) szóból ered. Meyer konstrukciója négy változó térfogatú munkakamrát alakít ki a motorház és egy korongszerű, nutáló (oldalra billegő) elem között, amely dugattyúként működik. A korongot átmérője mentén félbevágják, és egy Z-alakú kimeneti tengelyre fűzik fel; a gázcserét a házban elhelyezett csatornák és szelepek irányítják.

A prototípusokat a Baker Engineering és testvérvállalata, a Kinetic BEI gyártotta, lenyűgöző eredményekkel:

• Egyetlen 102 mm-es korong: 7 LE
• Két db 203 mm-es korong: 120 LE
• Kétkorongos motor méretei: 500 mm hossz, 300 mm átmérő, 3,8 literes lökettérfogat
• Fajlagos teljesítmény: 2,5–3 LE/kg a sorozatgyártású, légbeszívásos motorok 1–2 LE/kg értékéhez képest

A literes fajlagos teljesítmény kevésbé lenyűgöző, de a teljesítménysűrűség figyelemre méltó. Úgy tűnik, a Baker és a Kinetic a konstrukció finomításán dolgozik, bár weboldaluk aktivitása korlátozott.

LiquidPiston: a Wankel-motor kifordítva

A forgómotoros koncepciók továbbra is lázba hozzák az újítókat, mintha a megszokott dugattyú-henger elrendezéstől való eltávolodás önmagában jobb teljesítményt ígérne. Nyikolaj Skolnyik, egy egykori szovjet mérnök, aki az Egyesült Államokba települt, fiával, Alekszanderrel közösen olyan motort fejlesztett ki, amely egy kifordított Wankel-motorhoz hasonlít. Egy mogyoró alakú rotor forog egy háromszögű kamrán belül – ugyanolyan alapgeometriával, mint a Wankel –, de a lényeges különbség az, hogy a tömítések a kamrafalakhoz rögzítve vannak, nem a rotorhoz.

A Skolnyik-páros megalapította a LiquidPiston vállalatot a koncepció fejlesztésére, és a DARPA társfinanszírozását is megszerezték a következő területeken való alkalmazásra:

• Könnyű repülőgépek és drónok
• Hordozható áramfejlesztők
• Hibrid járművek hajtáslánca

Egy 23 cm³-es prototípus már 20%-os termikus hatásfokot ér el – ez lenyűgöző szám az adott hengerűrtartalom-kategóriában. A csapat most egy körülbelül 13 kg tömegű, 40 LE-t termelő dízel prototípuson dolgozik, amelynek tervezett termikus hatásfoka elérheti a 45%-ot.

A lengő dugattyús motor: négyszögletes megközelítés

Listánk utolsó motorja bizonyítja, hogy a lapos, kompakt egység vonzereje valódi – és hogy a rotorok nem az egyetlen út ennek elérésére. A Pivotal Engineering lengő dugattyús motorja egyszerűen négyszögletessé teszi a hagyományos dugattyút, így a henger felülnézetben téglalap alakú lesz. Ez a kétütemű konstrukció már néhány éve létezik, és azóta számos prototípus hajtott meg motorkerékpárokat és repülőgépeket egyaránt.

A vállalat elsősorban repülési alkalmazásokat céloz meg, és a konstrukció valódi előnyöket kínál:

• Magas teljesítmény/tömeg és teljesítmény/méret arány
• Kiváló kényszerbeszívásos potenciál, amelyet a dugattyú rögzített tengelyén átmenő folyadékhűtő csatorna tesz lehetővé – ez hagyományos motorarchitektúrákban nehezen megvalósítható
• Lapos kialakítás, mivel a szögletes rotor nagyon vékonyra is készíthető

Egyéb egzotikus motorkoncepciók, amelyeket érdemes ismerni

Az itt bemutatottakon kívül számos figyelemre méltó egzotikus motorkonstrukció létezik. Néhány érdemes megemlíteni:

• 12 rotoros Wankel-motor – a Mazda forgó koncepcióját a végletekig fokozva
• Knight hüvelyszelepű motor – egy évszázados konstrukció, amely rövid ideig vetélytársa volt a tányérszelepnek
• Szemközti dugattyús motorok – két dugattyú egy közös hengerben, hengerfej nélkül
• Változtatható sűrítési arányú motorok – lehetővé teszik a sűrítési arány valós idejű módosítását a hatékonyság optimalizálásához különböző terheléseknél
• Ötütemű motorok – egy dedikált expanziós hengerrel egészülnek ki, hogy több munkát nyerjenek ki az égésgázokból
• Forgólapátos motorok – ahol a rotor elemei összezáró és nyíló ollólapátokhoz hasonlóan mozognak

Miért nem jutnak el az alternatív motorok a sorozatgyártásig?

A nem hagyományos belsőégésű motor-konstrukciók akár rövid áttekintése is egy szembetűnő mintázatot tár fel: rengeteg szellemes ötlet, nagyon kevés gyártott jármű. Az ismétlődő akadályok következetesek:

• Tömítéskopás – a forgó konstrukciók gyakran csúcstömítéseik idővel bekövetkező leromlása miatt mondják fel a szolgálatot
• Váltakozó mechanikus terhelések – a forgólapátos megoldásoknál a lapát és a tengely csatlakozásánál fáradásos törés lép fel
• Gyártási bonyolultság – az egzotikus geometriák drágán és nehezen gyárthatók tömegesen
• Megbízhatóság és élettartam – a nem hagyományos motorok ritkán közelítik meg a több mint 100 éve finomított hagyományos dugattyús motorok tartóssági rekordját

Az alternatív motorok küzdelmének másik oka, hogy a hagyományos belsőégésű motor-technológia sem állt meg. A Miller-ciklust alkalmazó legújabb benzinmotorok turbófeltöltő nélkül is akár 40%-os termikus hatásfokot érnek el – figyelemre méltó szám, tekintve, hogy a legtöbb benzinmotor csak 20–30%-ot, a dízelmotorok 30–40%-ot teljesítenek (a nagy tengerészeti dízelek akár 50%-ot is).

A legfontosabb tény azonban az, hogy a belsőégésű motor globális alternatívája már megérkezett: az elektromos motorok és az üzemanyagcellás hajtásrendszerek. Ha ezeknek az egzotikus kuriózumoknak a feltalálói nem oldják meg hamarosan műszaki kihívásaikat, előfordulhat, hogy már nem lesz rájuk váró piac – az elektromos járművek addigra átvesznek az utakon.

Ez egy fordítás. Az eredetit itt olvashatja: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html