Dīvaini dzinēji, kas iestrēguši progresa nomalē

Vankela dzinējs, Stīrlinga dzinējs un dažāda veida turbodzinēji nekad nav iekļuvuši automobiļu industrijā kā standarts. Pie tiem gadu desmitiem strādāja vairāki labi pazīstami uzņēmumi — no Mazda līdz GM, no Mercedes līdz Volvo. Neatlaidīgi turpināja arī mazie uzņēmumi un individuālie izgudrotāji. Tomēr izrādījās, ka katram alternatīvajam konstruktīvajam risinājumam piemita daudz vairāk nepilnību, nekā sākotnēji gaidīts. Tas nenozīmē, ka netradicionālo dzinēju izstrāde nav iespējama. Entuziasti turpina virzīt dažādas idejas uz priekšu, un šeit mēs aplūkojam dažus eksotiskākos dzinēju konceptus, kas jebkad uzbūvēti.

Sadalīta cikla dzinēji: divi cilindri, viens darba gājiens

Daži dzinēju konstruktori nonāca pie secinājuma, ka klasiskā cilindra, virzuļa, šatūna un kloķvārpstas kombinācija ir pierādījusi sevi vairāk nekā gadsimta laikā — un ka iekšdedzes dzinēju uzlabošanai pietiek ar noteiktu aspektu koriģēšanu, nevis viss jāizgudro no jauna. Pirmais piemērs mūsu sarakstā ir amerikāņu uzņēmuma Scuderi Group izstrādātais dzinējs, kas saglabā klasiskos ieplūdes, kompresijas, darba un izplūdes gājienus — taču sadala tos starp diviem atsevišķiem cilindriem:

• Aukstais (kompresora) cilindrs — veic ieplūdi un kompresiju
• Karstais (darba) cilindrs — veic darba gājienu un izplūdi

Kamēr gāze izplešas darba cilindrā, aukstajā, kompresora cilindrā notiek ieplūdes gājiens. Kad darba cilindrs veic izplūdi, kompresora cilindrs saspiež gāzi. Kompresijas gājiena beigās abi virzuļi tuvojas saviem augšējiem mirušajiem punktiem, maisījums caur apvedceļa kanālu pāriet no aukstā cilindra uz karsto un aizdedzinās. Šis sadalītais cikls — būtībā modificētais Otto cikls — tika patentēts 2006. gadā, un 2009. gadā Scuderi Group uzbūvēja izmēģinājuma Scuderi Split Cycle Engine.

Kompresora un darba cilindriem var būt dažādi diametri un virzuļu gājieni, kas ļauj elastīgi regulēt dzinēja parametrus — tas darbojas kā Millera cikla analogs ar papildu gāzes izplešanos. Pievienojiet kanālam starp cilindriem zaru ar vārstiem un augstspiediena tvertni, un dzinējs spēs atgūt enerģiju bremzēšanas laikā un izmantot to paātrināšanās brīdī. Tomēr jau vairākus gadus Scuderi Group darbība aprobežojas ar prototipiem un parādīšanos izstādēs. Reālie efektivitātes ieguvumi vēl nav attaisnojuši šī risinājuma ievērojamo sarežģītību.

Horvātijas uzņēmums Paut Motor arī pievērsās sadalītajam darba ciklam. Viņu konstrukcija piesaistīja uzmanību vairāku iemeslu dēļ:

• Ievērojami mazāk kustīgu daļu nekā parastiem dzinējiem
• Mazāki berzes zudumi
• Samazināts darbības troksnis
• Kompakti izmēri: 500×440×440 mm pie 7 litru darba tilpuma
• Svars aptuveni 135 kg — apmēram uz pusi mazāks nekā tradicionālam dzinējam ar tādu pašu darba tilpumu

Eļļas neesamība karterī gan prasa ārēju eļļošanas tvertni, taču izgudrotāji uzskatīja šo par pieņemamu kompromisu. Tika uzbūvēti vairāki prototipi, lai gan galīgā jauda nekad netika oficiāli noteikta. Pēdējais prototips tika saliekts 2011. gadā, un kopš tā laika projekts ir apstājies.

Bonner divtaktu dzinējs: maksimāla sarežģītība, ambiciozi mērķi

Bonner divtaktu dzinējs (nosaukts pēc tā sponsora, Bonner Motor) tika izgudrots 2006. gadā Amerikas Savienotajās Valstīs, un tā autors ir Valters Šmids; tas virzās vēl tālāk mehāniskās sarežģītības ziņā. Tāpat kā Paut Motor, tā cilindri ir izvietoti X-konfigurācijā, un kloķvārpsta veic planētāru kustību caur zobrata sistēmu. Galvenās iezīmes ietver:

• Vārsti cilindru apakšdaļās un rotējoši spolveida vārsti dzinēja korpusā gāzu sadalei
• Ārējie virzuļi, kas var nedaudz nobīdīties eļļas spiediena ietekmē, nodrošinot mainīgu kompresijas pakāpi
• Augsta jaudas un svara attiecība kā galvenais konstruktīvais mērķis

Teorētiski Bonner dzinējs izskatās pārliecinoši. Praksē tomēr no projekta nav bijis nekādu nozīmīgu ziņu gadiem ilgi — acīmredzot, tas nav attaisnojis cerības.

Aksiālie dzinēji: cilindri izvietoti kā revolverī

Citi izgudrotāji saglabāja iekšdedzes dzinēja darba ciklus nemainītus, bet pārdomāja tā komponentu fizisko izvietojumu. Aksiālie dzinēji, kas pastāv vairāk nekā gadsimtu, ir labs piemērs. Tie atšķiras savās detaļās, bet tiem ir kopīgs princips: cilindri ir izvietoti kā patronas revolverī, koaksiāli ar izvades vārpstu. Dažādi mehānismi — piemēram, slīpas tapas un konusveida paplāksnes — pārveido virzuļu svārstīgo kustību vārpstas rotācijā.

Jaunzēlandes projekts Duke Engines ir viens ievērības cienīgs paveids: piecu cilindru, četrtaktu aksiālais dzinējs ar 3 litru darba tilpumu. Salīdzinot ar parasto dzinēju ar tādu pašu tilpumu, Duke agregāts piedāvāja:

• 19% mazāku svaru
• 36% kompaktākus izmērus
• Universālas pielietošanas iespējas automobiļu, jūras un aviācijas nozarēs

Tika solīts plaši izmantot šo dzinēju — taču sapņi par pasaules iekarošanu palika par sapņiem.

Kanādas uzņēmuma Reg Technologies RadMax dzinējs aksiālo konceptu attīsta vēl tālāk. Atsevišķu cilindru vietā kopējā būbnī ar plānu lāpstiņu palīdzību veidojas apmēram duci nodalījumu. Rotora spraugās iemontētas plāksnes pārvietojas gar tām rotatoram griežoties, un izliektas virsmas būbņa galos nosaka lāpstiņu trajektorijas un kontrolē gāzu apmaiņu. Ievērojamās īpašības:

• Savietojams ar vairākiem degvielas veidiem, lai gan sākotnēji galvenā uzmanība tika pievērsta dīzeļdegvielai
• 2003. gada prototipa diametrs un garums bija tikai 152 mm, taču tas attīstīja 42 zirgspēkus — daudz vairāk nekā parasts dzinējs ar līdzvērtīgiem izmēriem
• Vēlākie prototipi, kā tiek ziņots, sasnieguši 127 zs un 380 zs

Neskatoties uz šiem cerīgajiem rādītājiem, visa RadMax darbība, šķiet, joprojām ir eksperimentālā stadijā.

Toroīdie dzinēji: kad cilindrs kļūst par virtuļa formu

VGT dzinējs (mainīgas ģeometrijas toroīdais dzinējs) no tagad likvidētā Kanādas uzņēmuma VGT Technologies ir vēl viens gadījums, kad teorija apsteidz praksi. Pirmo reizi pārbaudīts 2005. gadā, šis dzinējs aizstāj parasto cilindru ar toroīdu — virtuļa formas kameru —, kurā griežas rotors ar piestiprinātu virzuļu pāri.

Plāns sadalošais disks ar izgriezumu virzuļiem rotē pāri toroīdam caur siksnas piedziņu, ierobežojot degvielas-gaisa maisījumu kompresijas un darba gājiena laikā. 2009. gadā amerikāņu uzņēmēji Gerijs Kellijs un Riks Ivass neatkarīgi izstrādāja toroīdu dzinēju, kas cieši atspoguļoja Kanādas konstrukciju. Viņu aplēses liecināja, ka toroīds ar pusmētra diametru nodrošinātu:

• 230 zirgspēkus
• Aptuveni 1 000 N·m griezes momentu
• Un visu to tikai pie 1 050 apgr./min

Viņu uzņēmums Garric Engines tagad savā tīmekļa vietnē rāda tikai aizvietotāja ziņojumu: “Paldies par jūsu interesi. Lapa var tikt atjaunināta nākotnē.”

Nutējošais dzinējs: griežošies diski virzuļu vietā

Nedaudz cerīgāku likteni var sagaidīt amerikāņa Leonarda Meiера 2006. gadā izgudrotais nutējošais dzinējs — vismaz vairākas darba kopijas ir uzbūvētas. Nosaukums cēlies no latīņu nutatio (mājienu deva vai šūpošanās). Meiера konstrukcija veido četras mainīga tilpuma darba kameras starp dzinēja korpusu un disku, kas nutē (šūpojas) no vienas puses uz otru, darbojoties kā virzulis. Disks ir pārgriezts uz pusēm gar tā diametru un uzlikts uz Z-veida izvades vārpstas, un kanāli un vārsti korpusā pārvalda gāzu apmaiņu.

Prototipus uzbūvēja Baker Engineering un tā māsasuzņēmums Kinetic BEI ar iespaidīgiem rezultātiem:

• Viens 102 mm disks: 7 zs
• Divi 203 mm diski: 120 zs
• Divu disku dzinēja izmēri: 500 mm garums, 300 mm diametrs, 3,8 litru darba tilpums
• Jaudas un svara attiecība: 2,5–3 zs/kg pret 1–2 zs/kg sērijveida atmosfēras dzinējiem

Litru specifiskā jauda ir mazāk iespaidīga, taču jaudas blīvums ir ievērības cienīgs. Baker un Kinetic, šķiet, pilnveido konstrukciju, lai gan aktivitāte viņu tīmekļa vietnēs joprojām ir ierobežota.

LiquidPiston: Vankela dzinējs, apgriezts iekšpusē uz āru

Rotācijas dzinēju koncepti turpina valdzināt novatorus — it kā atkāpšanās no pazīstamā virzuļa un cilindra izvietojuma pati par sevi solītu labāku veiktspēju. Nikolajs Škoļņiks, bijušais padomju inženieris, kurš pārcēlās uz Amerikas Savienotajām Valstīm, un viņa dēls Aleksandrs izstrādāja dzinēju, kas atgādina Vankela dzinēju, apgrieztu iekšpusē uz āru. Zemesrieksta formas rotors griežas trīsstūrveida kamerā — tā pati pamatģeometrija kā Vankelam —, taču izšķirošais ir tas, ka blīves ir fiksētas kameras sieniņās, nevis rotorā.

Škoļņiki nodibināja LiquidPiston, lai attīstītu konceptu, piesaistot DARPA līdzfinansējumu iespējamai izmantošanai:

• Vieglajās lidmašīnās un bezpilota gaisa kuģos
• Pārnēsājamos enerģijas ģeneratoros
• Hibrīdauto piedziņas sistēmās

23 cm³ prototips jau sasniedz 20% termisko efektivitāti — iespaidīgi šai darba tilpuma klasei. Komanda tagad tiecas uz dīzeļa prototipu, kas sver aptuveni 13 kg un attīsta 40 zs, un prognozētā termiskā efektivitāte varētu sasniegt 45%.

Šūpojošā virzuļa dzinējs: kļūst kvadrātisks

Pēdējais dzinējs mūsu apskatā pierāda, ka plakana, kompakta agregāta pievilcība ir reāla — un ka rotori nav vienīgais ceļš tā sasniegšanā. Pivotal Engineering šūpojošā virzuļa dzinējs vienkārši padara tradicionālo virzuli kvadrātveida, padarot cilindru taisnstūrveida skatā no augšas. Šis divtaktu dizains pastāv jau vairākus gadus, kuru laikā vairāki prototipi darbināja gan motociklus, gan lidmašīnas.

Uzņēmums galvenokārt orientējas uz aviācijas pielietojumiem, un konstrukcija piedāvā dažas patiesas priekšrocības:

• Augstas jaudas un svara, kā arī jaudas un izmēru attiecības
• Lielisks piespiedu padeves potenciāls, ko nodrošina šķidruma dzesēšanas kanāls, kas tek caur virzuļa fiksēto asi — grūts uzdevums tradicionālajās dzinēju arhitektūrās
• Plakans formas faktors, jo kvadrātveida rotoru var izgatavot ļoti plānu

Citi eksotiskie dzinēju koncepti, kurus vērts zināt

Papildus šeit apskatītajiem ir daudz ievērojamu eksotisko dzinēju konstrukciju. Daži pieminēšanas cienīgi piemēri:

• 12 rotoru Vankela dzinējs — Mazda rotācijas koncepta novešana līdz galējībai
• Knaita cilindru vārstu dzinējs — simts gadus vecā konstrukcija, kas īsu laiku konkurēja ar pacēlājvārstu
• Pretējo virzuļu dzinēji — divi virzuļi vienā cilindrā bez cilindra galvas
• Mainīgas kompresijas pakāpes dzinēji — ļauj reāllaikā pielāgot kompresiju efektivitātes optimizācijai dažādos slodzes apstākļos
• Piectaktu dzinēji — pievienojot speciālu izplešanās cilindru, lai iegūtu vairāk darba no sadegšanas gāzēm
• Rotācijas lāpstiņu dzinēji — kuros rotora komponenti kustās kā satiekoši un izejami šķēru asmeņi

Kāpēc alternatīvie dzinēji nenonāk sērijveida ražošanā?

Pat īss netradicionālo iekšdedzes dzinēju konstrukciju pārskats atklāj pārsteidzoši izteiktu tendenci: desmitiem gudru ideju, ļoti maz sērijveida transportlīdzekļu. Atkārtotie šķēršļi ir konsekventi:

• Blīvju nodilums — rotācijas konstrukcijas bieži izgāžas virsotnes blīvju pasliktināšanās dēļ laika gaitā
• Mainīgas mehāniskās slodzes — rotācijas lāpstiņu koncepti cieš no noguruma lāpstiņas un vārpstas savienojuma vietā
• Ražošanas sarežģītība — eksotiskas ģeometrijas ir dārgas un grūti ražojamas lielos apjomos
• Uzticamība un ilgizturība — netradicionālie dzinēji reti sasniedz tradicionālo virzuļu dzinēju izturīguma rādītājus, kas pilnveidoti vairāk nekā 100 gadu laikā

Otrais iemesls, kāpēc alternatīvie dzinēji cīnās, ir tas, ka tradicionālā iekšdedzes dzinēja tehnoloģija nav stāvējusi uz vietas. Jaunākie benzīna dzinēji, izmantojot Millera ciklu, sasniedz termisko efektivitāti līdz 40% pat bez turbokompresora — ievērojams rādītājs, ņemot vērā, ka lielākā daļa benzīna dzinēju sasniedz tikai 20–30%, bet dīzeļdzinēji 30–40% (lielie jūras dīzeļdzinēji — līdz 50%).

Vissvarīgāk, ka globālā alternatīva iekšdedzes dzinējam jau ir klāt: elektromotori un kurināmā elementu enerģijas agregāti. Ja šo eksotisko ziņkārību aiz muguras esošie izgudrotāji drīzumā neatrisinās savus tehniskos izaicinājumus, viņi var konstatēt, ka tirgus vairs nav gaidāms — elektriskie transportlīdzekļi jau būs iekarojuši ceļu.

Šis ir tulkojums. Oriģinālu varat lasīt šeit: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html