Keisti varikliai, įstrigę pažangos paribyje

Vankelio variklis, Stirlingo variklis ir įvairių tipų turbiniai galios agregatai niekada nepateko į automobilių pramonės pagrindinę srovę. Nemažai žinomų įmonių — nuo „Mazda” iki GM, nuo „Mercedes” iki „Volvo” — dešimtmečiais dirbo su jais. Atkakliai tęsė ir mažos įmonės bei pavieniai išradėjai. Tačiau paaiškėjo, kad kiekvienas alternatyvus dizainas slėpė kur kas daugiau spąstų, nei iš pradžių tikėtasi. Tai nereiškia, kad netradicinių variklių kūrimas yra neįmanomas. Entuziastai ir toliau plėtoja įvairias idėjas, o čia apžvelgiame kai kurias egzotiškiausias kada nors sukurtas variklių koncepcijas.

Padalintojo ciklo varikliai: du cilindrai, vienas darbinis taktas

Kai kurie variklių konstruktoriai priėjo išvadą, kad klasikinė cilindro, stūmoklio, švaistiklio ir alkūninio veleno kombinacija per daugiau nei šimtą metų įrodė savo vertę — ir kad vidaus degimo variklių tobulinimui reikia tik koreguoti tam tikrus aspektus, o ne išradinėti iš naujo. Pirmasis mūsų sąrašo pavyzdys — variklis, sukurtas Amerikos bendrovės Scuderi Group, kuris išlaiko klasikinius įsiurbimo, suspaudimo, darbinio ir išmetimo taktus — tačiau paskirsto juos tarp dviejų atskirų cilindrų:

• Šaltasis (kompresoriaus) cilindras — atlieka įsiurbimą ir suspaudimą
• Karštasis (darbinis) cilindras — atlieka darbo taktą ir išmetimą

Kol darbiniame cilindre plečiasi dujos, šaltajame kompresoriaus cilindre vyksta įsiurbimo taktas. Kai darbinis cilindras išmeta, kompresoriaus cilindras suspaudžia. Suspaudimo takto pabaigoje abu stūmokliai artėja prie viršutinių mirties taškų, mišinys per jungiamąjį kanalą keliauja iš šaltojo cilindro į karštąjį ir užsidega. Šis padalintasis ciklas — iš esmės modifikuotas Otto ciklas — buvo užpatentuotas 2006 m., o 2009 m. „Scuderi Group” pastatė bandomąjį Scuderi padalintojo ciklo variklį.

Kompresoriaus ir darbinis cilindrai gali turėti skirtingus skersmenis ir stūmoklio eigos ilgius, todėl galima lanksčiai derinti variklio parametrus — tai veikia kaip Milerio ciklo analogas su papildomu dujų plėtimu. Prijungus prie kanalo tarp cilindrų šakutę su vožtuvais ir aukšto slėgio balioną, variklis gali atgauti energiją stabdymo metu ir ją panaudoti greitinant. Tačiau daugelį metų „Scuderi Group” veikla apsiriboja prototipais ir pasisakymais parodose. Realus efektyvumo padidėjimas dar nepateisino dizaino sudėtingumo.

Kroatijos bendrovė Paut Motor taip pat atsigręžė į padalintąjį darbo ciklą. Jų išsklaidytas dizainas patraukė dėmesį keliais aspektais:

• Žymiai mažiau judančių dalių nei įprastuose varikliuose
• Mažesni trinties nuostoliai
• Sumažintas darbo triukšmas
• Kompaktiški matmenys: 500×440×440 mm esant 7 litrų darbiniam tūriui
• Svoris apie 135 kg — maždaug perpus mažesnis nei tradicinio to paties tūrio variklio

Alyvos nebuvimas kartelyje reikalauja išorinio tepimo bako, tačiau išradėjai tai laikė priimtinu kompromisu. Buvo pastatyti keli prototipai, nors galutinė galios išvestis niekada nebuvo oficialiai nustatyta. Paskutinis prototipas buvo surinktas 2011 m., o projektas nuo to laiko užstrigo.

Bonner dvitaktis variklis: maksimalus sudėtingumas, ambicingi tikslai

Bonner dvitaktis variklis (pavadintas savo rėmėjo „Bonner Motor” vardu) buvo išrastas 2006 m. Jungtinėse Amerikos Valstijose Walterio Schmido ir dar labiau padidina mechaninį sudėtingumą. Kaip ir „Paut Motor”, jo cilindrai išdėstyti X formos konfigūracija, o alkūninis velenas atlieka planetinį judesį per pavarų sistemą. Pagrindiniai bruožai:

• Vožtuvai cilindrų apačioje ir besisukantys ritinėliniai vožtuvai variklio korpuse dujų paskirstymui
• Išoriniai stūmokliai, galintys šiek tiek judėti veikiami alyvos slėgio, užtikrinant kintamąjį suspaudimo laipsnį
• Aukštas galios ir svorio santykis kaip pagrindinis projektavimo tikslas

Teoriškai „Bonner” variklis atrodo įtikinamai. Tačiau praktiškai per daugelį metų iš projekto neišėjo jokių reikšmingų naujienų — matyt, jis neatitiko lūkesčių.

Ašiniai varikliai: cilindrai išdėstyti kaip revolverio būgne

Kiti išradėjai paliko nepakitusius vidaus degimo variklio darbo ciklus, tačiau permąstė jo komponentų fizinį išdėstymą. Ašiniai varikliai, egzistuojantys daugiau nei šimtą metų, yra puikus to pavyzdys. Jie skiriasi detalėmis, tačiau turi bendrą principą: cilindrai išdėstyti kaip šoviniai revolverio būgne, koaksialiai su išvesties velenu. Įvairūs mechanizmai — pavyzdžiui, pasvirusieji kaiščiai ir konusinės poveržlės — paverčia stūmoklių slankiojamąjį judesį į veleno sukimąsi.

Naujosios Zelandijos projektas Duke Engines yra vienas pažymėtinas variantas: penkių cilindrų, keturių taktų ašinis variklis su 3 litrų darbinio tūriu. Lyginant su įprastu to paties tūrio varikliu, „Duke” agregatas pasiūlė:

• 19 % mažesnį svorį
• 36 % kompaktiškesnį išdėstymą
• Universalų pritaikymo potencialą automobilių, laivybos ir aviacijos sektoriuose

Buvo duoti ambicingi pažadai apie platų pritaikymą — tačiau pasaulio užkariavimo svajonės liko svajonėmis.

Kanados bendrovės „Reg Technologies” RadMax variklis ašinę koncepciją plėtoja dar toliau. Vietoj atskirų cilindrų, dvylika skyrių suformuojama bendrame būgne naudojant plonas menteles. Rotoriaus grioveliuose sumontuotos plokštelės juda palei jas besisukant rotoriui, o išlenkti paviršiai būgno galuose apibrėžia mentelių trajektorijas ir valdo dujų mainus. Pažymėtinos charakteristikos:

• Suderinamas su kelių rūšių kuru, nors dyzelinas buvo pirminis dėmesio objektas
• 2003 m. prototipas skersmeniu ir ilgiu buvo tik 152 mm, tačiau gamino 42 arklio galias — žymiai daugiau nei įprastas to paties dydžio variklis
• Vėlesni prototipai esą pasiekė 127 AG ir 380 AG

Nepaisant šių žadančių skaičių, visa „RadMax” veikla, atrodo, lieka eksperimentiniame etape.

Toroidiniai varikliai: kai cilindras tampa spurga

Kanados bendrovės VGT Technologies, kuri dabar jau nebeveikia, VGT variklis (Kintamos geometrijos toroidinis variklis) yra dar vienas teorijos, lenkiančios praktiką, atvejis. Pirmą kartą išbandytas 2005 m., variklis pakeičia įprastą cilindrą toroidu — spurgiuko formos kamera — kurioje sukasi rotorius su pora pritvirtintų stūmoklių.

Plonas paskirstymo diskas su stūmoklių išpjova sukasi per toroidą diržo pavara, ribodamas degalų ir oro mišinį suspaudimo ir darbinio takto metu. 2009 m. Amerikos verslininkai Gary Kelley ir Rick Ivas nepriklausomai sukūrė toroidinį variklį, kuris labai artimas Kanados dizainui. Jų skaičiavimai parodė, kad pusės metro skersmens toroidas užtikrintų:

• 230 arklio galių
• Apie 1 000 N·m sukimo momento
• Visa tai esant vos 1 050 aps./min.

Jų bendrovė „Garric Engines” šiuo metu savo svetainėje rodo tik trumpą žinutę: „Dėkojame už jūsų susidomėjimą. Puslapis gali būti atnaujintas ateityje.”

Nutuojantis variklis: besisukantys diskai vietoj stūmoklių

Šiek tiek daug žadantesnio likimo gali sulaukti 2006 m. amerikiečio Leonardo Meyerio išrastas nutuojantis variklis — bent jau buvo pastatyti keli veikiantys egzemplioriai. Pavadinimas kyla iš lotyniško žodžio nutatio (linktelėjimas arba svyravimas). Meyerio dizaine tarp variklio korpuso ir disko, kuris nutuo (svyruoja) į šonus ir atlieka stūmoklio funkciją, suformuojamos keturios kintamo tūrio darbo kameros. Diskas padalytas per pusę išilgai skersmens ir suvertas ant Z formos išvesties veleno, o kanalai ir vožtuvai korpuse valdo dujų mainus.

Prototipai buvo pastatyti Baker Engineering ir jos seserinėje bendrovėje Kinetic BEI, pasiekiant įspūdingų rezultatų:

• Vienas 102 mm diskas: 7 AG
• Du 203 mm diskai: 120 AG
• Dviejų diskų variklio matmenys: 500 mm ilgis, 300 mm skersmuo, 3,8 litro darbinis tūris
• Galios ir svorio santykis: 2,5–3 AG/kg, palyginti su 1–2 AG/kg masinės gamybos atmosferiniuose varikliuose

Litrinis našumas yra mažiau įspūdingas, tačiau galios tankis yra pažymėtinas. Atrodo, kad „Baker” ir „Kinetic” tobulina dizainą, nors jų svetainių veikla išlieka ribota.

LiquidPiston: Vankelio variklis išverstas į išorę

Rotacinių variklių koncepcijos ir toliau žavi novatorius, tarsi atsitraukimas nuo pažįstamo stūmoklio ir cilindro išdėstymo savaime žadėtų geresnį našumą. Buvęs sovietų inžinierius Nikolajus Školnikas, persikėlęs į Jungtines Amerikos Valstijas, ir jo sūnus Aleksandras sukūrė variklį, primenantį išverstą Vankelio variklį. Žemės riešuto formos rotorius sukasi trikampėje kameroje — tokia pati pagrindinė geometrija kaip Vankelio variklyje — tačiau esminis skirtumas: sandarikliai pritvirtinti prie kameros sienų, o ne prie rotoriaus.

Školnikai įkūrė LiquidPiston, kad plėtotų šią koncepciją, pritraukdami bendrą finansavimą iš DARPA galimam panaudojimui:

• Lengvuosiuose orlaivyse ir dronuose
• Nešiojamuose elektros generatoriuose
• Hibridinių automobilių varomojoje sistemoje

23 cm³ prototipas jau pasiekia 20 % šiluminį naudingumo koeficientą — įspūdingas rodiklis tokio poslinkio klasei. Komanda dabar siekia dyzelinio prototipo, sverančio apie 13 kg ir gaminančio 40 AG, o prognozuojamas šiluminis naudingumo koeficientas turėtų siekti 45 %.

Sūpuoklinis stūmoklinis variklis: keturkampis sprendimas

Paskutinis mūsų apžvalgos variklis įrodo, kad plono, kompaktiško agregato patrauklumas yra realus — ir kad rotoriai nėra vienintelis būdas tai pasiekti. Pivotal Engineering sūpuoklinis stūmoklinis variklis paprasčiausiai padaro tradicinį stūmoklio keturkampį, todėl cilindras iš viršaus atrodo stačiakampis. Šis dvitakčio ciklo dizainas egzistuoja jau kelerius metus, per kuriuos nemažai prototipų varė tiek motociklus, tiek orlaivius.

Bendrovė pirmiausia taikosi į aviacijos taikymą, ir dizainas siūlo keletą tikrų privalumų:

• Aukštas galios ir svorio bei galios ir dydžio santykis
• Puikus priverstos indukcijos potencialas, užtikrintas skysčio aušinimo kanalu, einančiu per stūmoklio fiksuotą ašį — sunkiai įgyvendinamas įprastose variklių konstrukcijose
• Plokščia forma, nes kvadratinis rotorius gali būti pagamintas labai plonas

Kitos egzotiškos variklių koncepcijos, vertos dėmesio

Yra daug pažymėtinų egzotiškų variklių dizainų, neaprašytų čia. Keletas vertų paminėjimo:

• 12 rotorių Vankelio variklis — „Mazda” rotacinio variklio koncepcijos plėtojimas iki kraštutinumo
• Knight rankovinio vožtuvo variklis — šimtmetį senas dizainas, kuris trumpam konkuravo su keltuvinio vožtuvo varikliais
• Priešingų stūmoklių varikliai — du stūmokliai dalijasi vienu cilindru, be cilindro galvutės
• Kintamo suspaudimo laipsnio varikliai — leidžiantys realiuoju laiku reguliuoti suspaudimą, siekiant optimizuoti efektyvumą esant skirtingoms apkrovoms
• Penkių taktų varikliai — papildantys tradicinę schemą specializuotu plėtimo cilindru, siekiant išgauti daugiau darbo iš degimo dujų
• Rotaciniai mentėliniai varikliai — kuriuose rotoriaus komponentai juda kaip besijungiantys ir besiskiriantys žirklių ašmenys

Kodėl alternatyvūs varikliai nepasiekia masinės gamybos?

Net trumpa netradicinių vidaus degimo variklių dizainų apžvalga atskleidžia ryškų modelį: dešimtys protingų idėjų, labai mažai serijinių automobilių. Pasikartojančios kliūtys yra nuoseklios:

• Sandariklių dėvėjimasis — rotaciniai dizainai dažnai žlunga dėl viršūnių sandariklių degradacijos laikui bėgant
• Kintamosios mechaninės apkrovos — rotaciniai mentėliniai dizainai kenčia nuo nuovargio mentėlio ir veleno jungtyje
• Gamybos sudėtingumas — egzotiška geometrija yra brangi ir sunkiai gaminama masiškai
• Patikimumas ir ilgaamžiškumas — netradiciniai varikliai retai pasiekia tradicinių stūmoklinių variklių, tobulintų daugiau nei 100 metų, patvarumo lygį

Antra priežastis, kodėl alternatyvūs varikliai sunkiai skinasi kelią, yra ta, kad įprastų vidaus degimo variklių technologija nestovėjo vietoje. Naujausieji benzininiai varikliai, naudojantys Milerio ciklą, pasiekia iki 40 % šiluminį naudingumo koeficientą net be turbokompresoriaus — pažymėtinas rodiklis, atsižvelgiant į tai, kad dauguma benzininių variklių pasiekia tik 20–30 %, o dyzeliniai — 30–40 % (dideli jūriniai dyzeliniai motorai siekia iki 50 %).

Svarbiausia — pasaulinis vidaus degimo variklio pakaitalas jau atkeliavo: elektros varikliai ir kuro elementų galios agregatai. Jeigu išradėjai, stovintys už šių egzotiškų keistenybių, labai greitai neišspręs savo techninių iššūkių, jie gali pastebėti, kad jų laukiančios rinkos nebėra — elektriniai automobiliai jau bus užėmę kelią.

Tai vertimas. Originalą galite perskaityti čia: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html