Sérstæðar vélar fastnar á jaðri framfara

Wankel-vélin, Stirling-vélin og ýmsar tegundir túrbóknúinna krafteininga komust aldrei inn í meginstraum bílamarkaðarins. Fjöldi þekktra fyrirtækja — frá Mazda til GM, frá Mercedes til Volvo — vann að þeim í áratugi. Litlir fyrirtækir og einstaklingsuppfinningamenn gáfu sig heldur ekki upp. En það kom í ljós að hvert óhefðbundið hönnun fól í sér mun fleiri gildrugildir en upphaflega var búist við. Það þýðir þó ekki að þróun óhefðbundinna krafteininga sé ómöguleg. Áhugamenn halda áfram að þrýsta á mismunandi hugmyndir, og hér könnumum við nokkur af þeim skrýtnustu vélhugtökum sem nokkru sinni hafa verið smíðuð.

Skipt-hringrásvélar: Tveir strokkar, eitt kraftslag

Sumir vélahönnuðir komust að þeirri niðurstöðu að klassíska samsetningin af strók, stimpli, tengistöng og sveifásum hefur sannað gildi sitt í meira en öld — og að til að bæta brunahreyfla þarf aðeins að stilla ákveðna þætti frekar en að byrja upp á nýtt frá grunni. Fyrsta dæmið á lista okkar er vélin sem þróuð var af bandaríska fyrirtækinu Scuderi Group, sem heldur í klassísku inntaks-, þjöppunar-, krafts- og útblásturshringrásirnar — en skiptir þeim á milli tveggja aðskilinna strokka:

• Kaldur (þjöppunar) strokkar — annast inntök og þjöppun
• Heitur (vinnu) strokkar — annast kraftslagið og útblásturinn

Meðan gas þenst út í vinnustrokknum á sér stað inntaksslag í kalda þjöppunarstróknum. Þegar vinnustrokkurinn blæs út þjappar þjöppunarstrókurinn. Við lok þjöppunarslags nálgast báðir stimplar efri dauðmiðju sína, blandan ferðast í gegnum millileiðará frá kalda strokknum til þess heita og kveikist. Þessi skiptu hringrás — í grundvallaratriðum breytt Otto-hringrás — var einkaleyfissett árið 2006, og árið 2009 smíðaði Scuderi Group frumgerðina Scuderi Split Cycle Engine.

Þjöppunarstrókurinn og vinnustrokkurinn geta haft mismunandi þvermál og stimpilslag, sem gerir það mögulegt að stilla vélbreytur með sveigjanleika — þjónar sem hliðstæðu Miller-hringrásar með aukinni gasstækkun. Bættu við grein með lokunum og háþrýstiflösku á leiðina milli strokkanna, og vélin getur endurheimt orku við hemlamgsningu og nýtt hana við hröðun. Hins vegar hefur starfsemi Scuderi Group í nokkur ár takmarkast við frumgerðir og messa-þátttöku. Raunverulegur virkniávinningur hefur enn ekki réttlætt tæknilegt flækjustig þessarar hönnunar.

Króatíska fyrirtækið Paut Motor sneri sér einnig að skiptri vinnuhringrás. Dreifð hönnun þeirra vakti athygli af nokkrum ástæðum:

• Mun færri hreyfanlegar hlutar en í hefðbundnum vélum
• Minni núningstap
• Minni rekstrarhávaði
• Þétt mál: 500×440×440 mm við 7 lítra rúmmál
• Þyngd um 135 kg — um það bil helmingur þyngdar hefðbundinnar vélar með sama aflrúmmál

Skortur á olíu í sveifáshúsinu krefst utanaðkomandi smurningartanks, en uppfinningamennirnir töldu þetta vera viðunanlegt málamiðlun. Nokkrar frumgerðir voru smíðaðar, þótt endanlegt afl hafi aldrei verið opinberlega ákvarðað. Síðasta frumgerðin var sett saman árið 2011, og verkefnið hefur síðan stöðnað.

Bonner tveggja slaga vélin: Hámarks flækjustig, metnaðarfullar markmið

Bonner tveggja slaga vélin (kennd við styrktaraðila hennar, Bonner Motor) var uppfundin árið 2006 í Bandaríkjunum af Walter Schmid og þrýstir vélrænu flækjustigi enn frekar. Líkt og Paut Motor eru strokkar hennar raðaðir í X-uppbyggingu, og sveifásinn framkvæmir reikistjörnuhreyfingu í gegnum tannhjólakerfi. Lykileiginleikar eru:

• Lokur í botni strokka og snúningsspólulokur í vélhlutanum fyrir gasdreifingu
• Ytri stimplar sem geta skotiðt lítillega undan olíuþrýstingi til að bjóða upp á breytilegt þjöppunarhlutfall
• Hátt afl-til-þyngdarhlutfall sem aðalmarkmið hönnunarinnar

Fræðilega séð lítur Bonner-vélin heillandi út. Í reynd hefur hins vegar ekki komið fram neinar umtalsverðar fréttir frá verkefninu í áratugi — að öllum líkindum hefur það ekki uppfyllt væntingar.

Ásavélar: Strokkar raðaðir eins og í revólver

Aðrir uppfinningamenn héldu í vinnuhringrásir brunahreyfla en hugsuðu upp á nýtt um líkamlega uppbyggingu þátta þeirra. Ásavélar, sem hafa verið til í meira en öld, eru gott dæmi. Þær eru mismunandi í smáatriðum en deila sameiginlegu meginreglu: strokkar eru raðaðir eins og hylki í revólvertrommu, samfjöruðir útgangsásnum. Ýmsar búnaðar — svo sem halltar pinnar og keilulaga þvogar — umbreyta fram-og-aftur hreyfingu stimplanna í snúning á ásnum.

Verkefnið Duke Engines frá Nýja-Sjálandi er eitt áhugavert dæmi: fimm strokka, fjögurra slaga ásavél með 3 lítra aflrúmmál. Í samanburði við hefðbundna vél með sama aflrúmmál bauð Duke-vélin:

• 19% lægri þyngd
• 36% þéttari pökkun
• Fjölhæft notkunarsvið á sviði bíla, sjóferða og flugs

Metnaðarfullar loforð voru gefin um útbreidda notkun — en draumar um heimsyfirtöku héldu áfram að vera draumar.

RadMax-vélin eftir kanadíska fyrirtækið Reg Technologies þrýstir á ásahugtakið enn frekar. Í stað sérstakra strokka myndast tugur af hólfum inni í sameiginlegri trommu með þunnum blöðum. Plötur festar í raufum snúðlingsins hreyfast meðfram þeim þegar snúðlingurinn snýst, og bognar flötur á endana trömmunnar skilgreina slóð blaðanna og stjórna gasviðskiptum. Athyglisverðar einkenni:

• Samhæft við margar eldsneytistegundir, þótt dísel hafi verið upphafsáherslan
• Frumgerð frá 2003 mældi aðeins 152 mm í bæði þvermál og lengd en framleiddi 42 hestöfl — mun meira en hefðbundin vél af samsvarandi stærð
• Síðari frumgerðir náðu að sögn 127 hestöflum og 380 hestöflum

Þrátt fyrir þessar efnilegar tölur virðist öll starfsemi RadMax enn vera á tilraunastigi.

Hringlaga vélar: Þegar strokkurinn verður að kleinuhring

VGT-vélin (Variable Geometry Toroidal Engine) frá nú niðurlagðri kanadíska fyrirtækinu VGT Technologies er annað dæmi um kenningar sem ganga framar framkvæmd. Vélin var fyrst prófuð árið 2005 og kemur í stað hefðbundins strokks með þverstæðu — kleinuhringlaga hólfi — þar sem snúðlingur með pari af tengdum stimplunum snýst.

Þunnur dreifingarskífa með útskurð fyrir stimpla snýst þvert yfir hringlaga hólfið með belti og takmarkar blandann af eldsneyti og lofti við þjöppun og kraftslagið. Árið 2009 þróuðu bandarísku frumkvöðlarnir Gary Kelley og Rick Ivas sjálfstætt hringlaga vél sem líktist mjög hönnun Kanadamanna. Mat þeirra benti til þess að hringlaga hólf með hálfs metra þvermál myndi skila:

• 230 hestöflum
• Um 1.000 N·m af togkrafti
• Allt við aðeins 1.050 snúningum á mínútu

Fyrirtæki þeirra, Garric Engines, sýnir nú aðeins stutt skilaboð á vefsíðu sinni: „Þakka þér fyrir áhuga þinn. Síðan gæti uppfærst í framtíðinni.”

Títringsvélin: Snúningsplötur í stað stimplanna

Nokkuð heppilegra hlutskipti gæti beðið títringsvélina sem bandaríkjamaðurinn Leonard Meyer uppfann árið 2006 — að minnsta kosti hafa nokkrar vinnugerðir verið smíðaðar. Nafnið kemur af latínu nutatio (hneiging eða títringur). Hönnun Meyer myndar fjögur vinnuhólf með breytilegu rúmmáli milli vélhlutans og skífu sem títrar (sveifst) til hliðar og þjónar sem stimpillinn. Skífan er skorin í tvennt eftir þvermáli sínu og þrædd á Z-laga útgangsás, með rásum og lokunum í hlutanum til að stjórna gasviðskiptum.

Frumgerðir voru smíðaðar af Baker Engineering og systurfyrirtæki þess Kinetic BEI, með áhrifamiklum niðurstöðum:

• Ein 102 mm skífa: 7 hestöfl
• Tvöfaldar 203 mm skífur: 120 hestöfl
• Mál tveggja skífna vélar: 500 mm lengd, 300 mm þvermál, 3,8 lítra aflrúmmál
• Afl-til-þyngdarhlutfall: 2,5–3 hestöfl/kg á móti 1–2 hestöflum/kg fyrir verðlagsframleiðslu eðlisloftaðar vélar

Lítramiðað afl er síður áhrifamikið, en aflþéttleikinn er athyglisverður. Baker og Kinetic virðast vinna að fínpússi hönnunarinnar, þótt starfsemi á vefsíðum þeirra sé takmörkuð.

LiquidPiston: Wankel-vélin snúin við og út

Snúningsvélarhugtök halda áfram að heilla nýskapendur, eins og það að víkja frá kunnuglegri stimpill-og-strokk uppbyggingu lofi í grundvallaratriðum betri afköst. Nikolay Shkolnik, fyrrverandi sovéskur verkfræðingur sem fluttist til Bandaríkjanna, og sonur hans Alexander þróuðu vél sem líkist Wankel-vélinni snúinni við og út. Jarðhnetskulaga snúðlingur snýst inni í þríhyrnu hólfi — sömu grundrúmfræði og Wankel — en lykilmunurinn er sá að þéttingarnar eru festar við veggina í hólfinu frekar en við snúðlinginn.

Shkolnik-fjölskyldan stofnaði LiquidPiston til að þróa hugmyndina og laðaði að sér samfjármögnun frá DARPA til mögulegrar notkunar í:

• Léttar flugvélar og drónar
• Meðfærilegir rafmagnsgeneratórar
• Raftengilknúningskerfi í bifreiðar

23 cm³ frumgerð nær þegar 20% varmavirkni — áhrifamikið fyrir þann aflrúmmálsflokk. Teymið miðar nú að díselfrumgerð sem vegur um 13 kg og framleiðir 40 hestöfl, með áætlaðri varmavirkni sem fer upp í 45%.

Sveifstimpillvélin: Verður ferningslaga

Síðasta vélin í yfirferð okkar sannar að aðdráttarafl flatar, þéttrar einingar er raunverulegt — og að snúðlingar eru ekki eina leiðin til að ná því. Sveifstimpillvél Pivotal Engineering gerir einfaldlega hefðbundna stimpilinn ferningslagan, sem gerir strokkinn rétthyrndann séð ofan frá. Þessi tveggja slaga hönnun hefur verið til í nokkur ár, á meðan fjöldi frumgerða hefur knúið bæði mótorhjól og flugvélar.

Fyrirtækið miðar aðallega á flugtengd notkunarsvið, og hönnunin býður upp á nokkra raunverulega kosti:

• Hátt afl-til-þyngdar- og afl-til-stærðarhlutfall
• Frábærar möguleikar með þvingaðri loftgjöf, gert mögulegt með vökvakæltri rás í gegnum fastan ás stimplanna — erfitt að ná fram í hefðbundnum vélakynningum
• Flatt form, þar sem ferningslagi snúðlingurinn getur verið mjög þunnur

Aðrar framúrstefnulegar vélahugmyndir þess virði að þekkja

Margar athyglisverðar framúrstefnulegar vélahannanir eru til sem ekki er fjallað um hér. Nokkur heiðursverð dæmi:

• 12 snúðlings Wankel-vél — þrýstir snúningsvélarhugtaki Mazda til öfga
• Knight ermalokvél — hundrað ára gömul hönnun sem stuttlega kepptist við ventillokvélina
• Gagnstæðar stimpilvélar — tveir stimplar sem deila einum strók, án strokkshauss
• Vélar með breytilegu þjöppunarhlutfalli — leyfa rauntímabreytingu á þjöppun til að hámarka skilvirkni við mismunandi álag
• Fimm slaga vélar — bæta við sérstökum stækkunarstrók til að vinna meira af bruna lofttegundum
• Snúnings-blaðavélar — þar sem snúðlingsíhlutir hreyfast eins og samankomandi og víkkandi skærablaðar

Af hverju komast aðrar vélar ekki í fjöldaframleiðslu?

Jafnvel stutt yfirlit yfir óhefðbundnar brunahreyfillshönnunir afhjúpar áhrifamikið mynstur: tugar af greinilegum hugmyndum, mjög fáir framleiðslubílar. Endurteknar hindranir eru stöðugar:

• Þéttingarslitnaður — snúningshönnun mistekst oft vegna niðurbrots á tipp-þéttingum með tímanum
• Skiptandi vélrænar álagningar — snúnings-blaðahugmyndir þjást af þreytu við tengingu blaðs og áss
• Framleiðsluflækjustig — framúrstefnulegar rúmfræðar eru dýrar og erfiðar að framleiða í stórum mæli
• Áreiðanleiki og endingartími — óhefðbundnar vélar ná sjaldan sama þrekmerti og hefðbundnar stimpilvélar sem hafa verið fínpússar í 100+ ár

Önnur ástæða þess að aðrar vélar eiga í erfiðleikum er sú að hefðbundin brunahreyflatækni hefur ekki staðið í stað. Nýjustu bensínvélarnar sem nota Miller-hringrás ná varmavirkni allt að 40% jafnvel án túrbóhleðslu — áhrifamikið tala, þar sem flestar bensínvélar ná aðeins 20–30%, og díselvélar 30–40% (og stórar sjávardíselvélar allt að 50%).

Mikilvægast er að alþjóðlegt val í stað brunahreyfla er þegar komið: rafmótorar og brenniefnisfrumukrafteiningar. Ef uppfinningamennirnir á bak við þessar framúrstefnulegu sérsmíðavélar leysa ekki tæknilegar áskoranir sínar mjög fljótt, gætu þeir komist að því að enginn markaður bíður þeirra lengur — rafbílar munu þegar hafa tekið yfir veginn.

Þetta er þýðing. Þú getur lesið frumritið hér: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html