Merkelige motorer fastlåst i fremdriftens ytterkanter

Wankelmotoren, Stirlingmotoren og ulike typer turboaggregater nådde aldri frem til bilenes hovedstrøm. En rekke kjente selskaper – fra Mazda til GM, fra Mercedes til Volvo – arbeidet med dem i tiår. Også mindre firmaer og individuelle oppfinnere holdt ut. Det viste seg likevel at hvert alternative design skjulte langt flere fallgruver enn man opprinnelig hadde forventet. Det betyr ikke at utvikling av ukonvensjonelle kraftenheter er umulig. Entusiaster fortsetter å fremme ulike ideer, og her utforsker vi noen av de mest eksotiske motorkonseptene som noensinne er bygget.

Splittsyklusmotorer: To sylindere, ett arbeidslag

Noen motordesignere kom frem til at den klassiske kombinasjonen av sylinder, stempel, veivstake og veivaksel har bevist seg over mer enn ett århundre – og at forbedring av forbrenningsmotorer kun krever justering av visse aspekter snarere enn å finne opp hjulet på nytt. Det første eksemplet på vår liste er motoren utviklet av det amerikanske selskapet Scuderi Group, som beholder de klassiske inntak-, kompresjons-, arbeids- og eksoslagene – men fordeler dem på to separate sylindere:

• Kald (kompressor) sylinder — håndterer inntak og kompresjon
• Varm (arbeids) sylinder — håndterer arbeidslaget og eksoset

Mens gassen ekspanderer i arbeidssylinderen, skjer et innsugsslag i den kalde kompressorsylinderen. Når arbeidssylinderen slipper ut eksos, komprimerer kompressorsylinderen. Ved slutten av kompresjonsslaget nærmer begge stempler seg sitt øvre dødpunkt, blandingen beveger seg gjennom en bypass-kanal fra den kalde sylinderen til den varme og antennes. Denne splittsyklusen – i bunn og grunn en modifisert Otto-syklus – ble patentert i 2006, og i 2009 bygde Scuderi Group pilotprototypen Scuderi Split Cycle Engine.

Kompressor- og arbeidssylindrene kan ha ulike diametre og stempeløp, noe som gjør det mulig å justere motorparametrene fleksibelt – og fungere som en analog til Miller-syklusen med ytterligere gassekspansjon. Legger man til en gren med ventiler og en høytrykksflask i kanalen mellom sylindrene, kan motoren gjenvinne energi under bremsing og frigjøre den ved akselerasjon. I en rekke år har imidlertid Scuderi Groups aktiviteter vært begrenset til prototyper og messeopptrinn. Reelle effektivitetsgevinster har ennå ikke rettferdiggjort designets betydelige kompleksitet.

Det kroatiske selskapet Paut Motor vendte seg også mot den delte arbeidssyklusen. Deres romlige design vakte oppmerksomhet av flere årsaker:

• Vesentlig færre bevegelige deler enn konvensjonelle motorer
• Lavere friksjonstap
• Redusert driftsstøy
• Kompakte dimensjoner: 500×440×440 mm ved 7-liters kapasitet
• Vekt på omtrent 135 kg — omtrent halvparten av en tradisjonell motor med samme slagvolum

Fraværet av olje i veivhuset krever en ekstern smøretank, men oppfinnerne anså dette som et akseptabelt kompromiss. Flere prototyper ble bygget, selv om den endelige ytelsen aldri ble offisielt fastslått. Den siste prototypen ble satt sammen i 2011, og prosjektet har siden stagnert.

Bonner totaktsmotoren: Maksimal kompleksitet, ambisiøse mål

Bonner totaktsmotoren (oppkalt etter sponsoren Bonner Motor) ble oppfunnet i 2006 i USA av Walter Schmid og presser mekanisk kompleksitet enda lenger. Som Paut Motor er sylindrene arrangert i X-konfigurasjon, og veivakselen utfører en planetarisk bevegelse via et tannhjulsystem. Sentrale egenskaper inkluderer:

• Ventiler i sylinderbunn og roterende spoleventiler i motorkroppen for gassfordeling
• Eksterne stempler som kan forskyve seg noe under oljetrykk for å gi variabelt kompresjonsforhold
• Høyt effekt-til-vekt-forhold som primært designmål

I teorien ser Bonner-motoren lovende ut. I praksis har det imidlertid ikke kommet noen vesentlige nyheter fra prosjektet på årevis — tilsynelatende har det ikke innfridd forventningene.

Aksiale motorer: Sylindere arrangert som i en revolver

Andre oppfinnere beholdt forbrenningsmotorens arbeidssykluser intakt, men tenkte nytt om den fysiske plasseringen av komponentene. Aksiale motorer, som har eksistert i over ett århundre, er et godt eksempel. De varierer i detaljer, men deler et felles prinsipp: sylinderne er arrangert som patroner i en revolvertrommel, koaksialt med utgaksakselen. Ulike mekanismer – som skrå pinner og koniske skiver – omdanner stemplenes frem-og-tilbake-bevegelse til akselrotasjon.

Prosjektet Duke Engines fra New Zealand er én bemerkelsesverdig variant: en femsilindret, firetakts aksialmotor med 3-liters slagvolum. Sammenlignet med en konvensjonell motor med samme kapasitet tilbød Duke-enheten:

• 19 % lavere vekt
• 36 % mer kompakt innbygging
• Allsidig anvendelsespotensial innen bil-, marine- og luftfartssektoren

Det ble gitt ambisiøse løfter om utbredt bruk — men drømmene om å erobre verden forble drømmer.

RadMax-motoren fra det kanadiske selskapet Reg Technologies tar det aksiale konseptet enda lenger. I stedet for separate sylindere dannes et dusin rom inne i en felles trommel ved hjelp av tynne blader. Plater montert i rotorspor beveger seg langs dem når rotoren spinner, og buede overflater i trommelendene definerer bladbanene og styrer gassutskiftingen. Merkbare egenskaper:

• Kompatibel med flere drivstofftyper, selv om diesel var det opprinnelige fokuset
• En prototype fra 2003 målte bare 152 mm i både diameter og lengde, men produserte 42 hestekrefter — langt mer enn en konvensjonell motor av tilsvarende størrelse
• Senere prototyper skal angivelig ha nådd 127 hk og 380 hk

Til tross for disse lovende tallene ser all RadMax-aktivitet ut til å forbli på eksperimentstadiet.

Toroidale motorer: Når sylinderen blir en smultring

VGT-motoren (Variable Geometry Toroidal Engine) fra det nå nedlagte kanadiske selskapet VGT Technologies er enda et eksempel på teori som overgår praksis. Motoren ble første gang testet i 2005 og erstatter den konvensjonelle sylinderen med en toroid – et smultringformet kammer – inne i hvilken en rotor med et par fastmonterte stempler roterer.

En tynn fordelingsplate med et utsnitt for stemplene roterer på tvers av toroiden via et reimdrev og begrenser drivstoff-luftblandingen under kompresjon og arbeidslaget. I 2009 utviklet de amerikanske gründerne Gary Kelley og Rick Ivas uavhengig av hverandre en toroidal motor som lignet sterkt på det kanadiske designet. Deres estimater antydet at en toroid med en halv meters diameter ville levere:

• 230 hestekrefter
• Omtrent 1 000 N·m dreiemoment
• Alt ved kun 1 050 o/min

Selskapet deres, Garric Engines, viser nå kun en kortfattet melding på nettstedet sitt: «Takk for din interesse. Siden kan bli oppdatert i fremtiden.»

Nutasjonsmotoren: Roterende skiver i stedet for stempler

En noe mer lovende skjebne kan vente nutasjonsmotoren oppfunnet av amerikaneren Leonard Meyer i 2006 – i det minste er flere fungerende eksemplarer blitt bygget. Navnet stammer fra det latinske nutatio (nikkende eller vaiende). Meyers design danner fire arbeidskammer med variabelt volum mellom motorkroppen og en skive som nuterer (vaier) fra side til side og fungerer som stempel. Skiven er delt i to langs diameteren og tredd på en Z-formet utgangsakselen, mens kanaler og ventiler i kroppen styrer gassutskiftingen.

Prototyper ble bygget av Baker Engineering og søsterselskapet Kinetic BEI, med imponerende resultater:

• Enkelt 102 mm skive: 7 hk
• Dobbelt 203 mm skiver: 120 hk
• Todiskmotor dimensjoner: 500 mm lengde, 300 mm diameter, 3,8-liters slagvolum
• Effekt-til-vekt-forhold: 2,5–3 hk/kg mot 1–2 hk/kg for masseproduserte sugemotorer

Literytelsen er mindre imponerende, men effekttettheten er bemerkelsesverdig. Baker og Kinetic ser ut til å videreutvikle designet, selv om aktiviteten på nettstedene deres forblir begrenset.

LiquidPiston: Wankelmotoren snudd opp ned

Roterende motorkonsepter fortsetter å fascinere innovatører, som om det å bryte med den kjente stempel-og-sylinder-løsningen i seg selv lover bedre ytelse. Nikolay Shkolnik, en tidligere sovjetisk ingeniør som flyttet til USA, og sønnen Alexander utviklet en motor som ligner Wankelmotoren snudd opp ned. En peanøttformet rotor spinner inne i et trekantet kammer – samme grunnleggende geometri som Wankel – men avgjørende er det at tetningene er festet til kammerveggen snarere enn til rotoren.

Shkolnik-ene grunnla LiquidPiston for å utvikle konseptet og tiltrakk seg medfinansiering fra DARPA for mulig bruk i:

• Lette fly og droner
• Bærbare strømaggregater
• Kraftoverføringer i hybridbiler

En prototype på 23 cm³ oppnår allerede 20 % termisk virkningsgrad – imponerende for den slagvolumklassen. Teamet sikter nå mot en dieselprototype som veier rundt 13 kg og produserer 40 hk, med en anslått termisk virkningsgrad som klatrer til 45 %.

Svingestempelmotoren: Går firkantet til verks

Den siste motoren i vår gjennomgang beviser at appellen til en flat, kompakt enhet er reell – og at rotorer ikke er den eneste veien dit. Pivotal Engineerings svingestempelmotor gjør ganske enkelt det tradisjonelle stempelet firkantet, noe som gjør sylinderen rektangulær sett ovenfra. Dette totaktsdesignet har eksistert i flere år, i løpet av hvilken tid en rekke prototyper har drevet både motorsykler og fly.

Selskapet retter seg primært mot luftfartsanvendelser, og designet byr på noen reelle fordeler:

• Høye ytelse-til-vekt- og ytelse-til-størrelse-forhold
• Utmerket potensial for tvangsinnsug, muliggjort av en flytende kjølekanal som løper gjennom stempelets faste akse – en vanskelig bragd i konvensjonelle motorarkitekturer
• Flat formfaktor, siden den firkantede rotoren kan gjøres svært tynn

Andre eksotiske motorkonsepter verdt å kjenne til

Det finnes mange bemerkelsesverdige eksotiske motordesign utover dem som er dekket her. Noen hederlige omtaler:

• 12-rotors Wankelmotor — Mazdas roterende konsept drevet til det ekstreme
• Knight ermeventilmotor — et hundre år gammelt design som kortvarig konkurrerte med poppetventilen
• Mottstående-stempel-motorer — to stempler som deler en enkelt sylinder, uten sylindertopp
• Motorer med variabelt kompresjonsforhold — muliggjør sanntidsjustering av kompresjon for å optimalisere virkningsgraden under ulike lastforhold
• Femtaktsmotorer — legger til en dedikert ekspansjonssylinder for å utvinne mer arbeid fra forbrenningsgassene
• Roterende bladmotorer — der rotorkomponentene beveger seg som konvergerende og divergerende saksblader

Hvorfor når ikke alternative motorer frem til masseproduksjon?

Selv en kort gjennomgang av ukonvensjonelle forbrenningsmotordesign avslører et slående mønster: dusinvis av smarte ideer, svært få produksjonskjøretøy. De tilbakevendende hindringene er konsistente:

• Tetningsslitasje — roterende design feiler ofte på grunn av degradering av apekstetninger over tid
• Vekslende mekaniske laster — roterende bladkonsepter lider av utmattelse i bladets forbindelse til akselen
• Produksjonskompleksitet — eksotiske geometrier er dyre og vanskelige å produsere i stor skala
• Pålitelighet og levetid — ukonvensjonelle motorer matcher sjelden holdbarhetsnivået til tradisjonelle stempelmotorer som er raffinert over 100+ år

Den andre grunnen til at alternative motorer sliter, er at konvensjonell forbrenningsmotorteknologi ikke har stått stille. De nyeste bensinmotorene som bruker Miller-syklusen oppnår termisk virkningsgrad på opptil 40 % selv uten turbolading – et bemerkelsesverdig tall, gitt at de fleste bensinmotorer bare klarer 20–30 %, og dieselmotorer 30–40 % (med store marine dieselmotorer som når opptil 50 %).

Viktigst av alt: det globale alternativet til forbrenningsmotoren er allerede her: elektromotorer og brenselcelleaggregater. Dersom oppfinnerne bak disse eksotiske kuriositetene ikke løser sine tekniske utfordringer svært snart, kan de oppdage at det ikke lenger finnes noe marked som venter på dem – elbilene vil allerede ha tatt veien.

Dette er en oversettelse. Du kan lese originalen her: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html