Osobliwe silniki na marginesie postępu

Silnik Wankla, silnik Stirlinga oraz różne typy turbosprężarkowych układów napędowych nigdy nie weszły do motoryzacyjnego mainstreamu. Pracowały nad nimi przez dziesięciolecia znane firmy — od Mazdy po GM, od Mercedesa po Volvo. Nie rezygnowały też małe przedsiębiorstwa i niezależni wynalazcy. Okazało się jednak, że każda alternatywna konstrukcja kryła w sobie znacznie więcej pułapek, niż początkowo zakładano. Nie oznacza to, że rozwój niekonwencjonalnych jednostek napędowych jest niemożliwy. Entuzjaści wciąż forsują kolejne pomysły — a my przyglądamy się niektórym z najbardziej egzotycznych koncepcji silnikowych, jakie kiedykolwiek zbudowano.

Silniki o rozdzielonym cyklu: dwa cylindry, jeden suw roboczy

Część konstruktorów silników doszła do wniosku, że klasyczne połączenie cylindra, tłoka, korbowodu i wału korbowego sprawdza się od ponad stu lat — i że udoskonalanie silników spalinowych wymaga jedynie korekty pewnych elementów, a nie wymyślania wszystkiego od nowa. Pierwszym przykładem na naszej liście jest silnik opracowany przez amerykańską firmę Scuderi Group, który zachowuje klasyczne suwy: ssania, sprężania, roboczy i wydechowy — lecz rozdziela je między dwa oddzielne cylindry:

• Cylinder zimny (sprężarkowy) — odpowiada za ssanie i sprężanie
• Cylinder gorący (roboczy) — odpowiada za suw roboczy i wydech

Gdy gaz rozszerza się w cylindrze roboczym, w zimnym cylindrze sprężarkowym odbywa się suw ssania. Gdy cylinder roboczy wydmuchuje spaliny, sprężarkowy spręża mieszankę. Pod koniec suwu sprężania oba tłoki zbliżają się do górnych zwrotnych punktów martwych, mieszanka przepływa kanałem obejściowym z cylindra zimnego do gorącego i zostaje zapłonięta. Ten rozdzielony cykl — zmodyfikowany cykl Otto — został opatentowany w 2006 roku, a w 2009 roku firma Scuderi Group zbudowała prototyp Scuderi Split Cycle Engine.

Cylinder sprężarkowy i roboczy mogą mieć różne średnice i skoki tłoka, co pozwala elastycznie dobierać parametry silnika — pełniąc funkcję analogu cyklu Millera z dodatkowym rozprężaniem gazu. Dodanie do kanału między cylindrami gałęzi z zaworami i butlą wysokociśnieniową umożliwia odzyskiwanie energii podczas hamowania i jej wykorzystanie podczas przyspieszania. Jednak od wielu lat działalność firmy Scuderi Group ogranicza się do prototypów i pokazów targowych. Rzeczywiste zyski w zakresie sprawności nie uzasadniły jak dotąd znacznej złożoności tej konstrukcji.

Do rozdzielonego cyklu roboczego sięgnęła również chorwacka firma Paut Motor. Ich przestrzenna konstrukcja zwróciła uwagę z kilku powodów:

• Znacznie mniej części ruchomych niż w konwencjonalnych silnikach
• Mniejsze straty na tarcie
• Obniżony poziom hałasu podczas pracy
• Kompaktowe wymiary: 500×440×440 mm przy pojemności 7 litrów
• Masa około 135 kg — mniej więcej o połowę lżejszy od tradycyjnego silnika o tej samej pojemności

Brak oleju w skrzyni korbowej wymaga zewnętrznego zbiornika smarowania, lecz wynalazcy uznali to za akceptowalny kompromis. Zbudowano kilka prototypów, choć ostatecznej mocy silnika nigdy oficjalnie nie określono. Ostatni prototyp powstał w 2011 roku i od tej pory projekt utknął w miejscu.

Silnik dwusuwowy Bonner: maksymalna złożoność, ambitne cele

Silnik dwusuwowy Bonner (nazwa pochodzi od sponsora — firmy Bonner Motor) został wynaleziony w 2006 roku w Stanach Zjednoczonych przez Waltera Schmida i posuwa złożoność mechaniczną jeszcze dalej. Podobnie jak w Paut Motor, cylindry ułożone są w konfiguracji X, a wał korbowy wykonuje ruch planetarny za pośrednictwem układu przekładni. Do kluczowych cech należą:

• Zawory w dnach cylindrów oraz obrotowe zawory szpulowe w korpusie silnika do rozdziału gazów
• Zewnętrzne tłoki mogące nieznacznie przesuwać się pod ciśnieniem oleju, zapewniając zmienny stopień sprężania
• Wysoki stosunek mocy do masy jako główny cel projektowy

W teorii silnik Bonner wygląda przekonująco. W praktyce jednak od lat nie pojawiły się żadne istotne doniesienia z projektu — najwyraźniej nie spełnił pokładanych w nim oczekiwań.

Silniki osiowe: cylindry ułożone jak w bębnie rewolweru

Inni wynalazcy zachowali cykle robocze silnika spalinowego, lecz na nowo wyobrazili sobie fizyczny układ jego elementów. Doskonałym przykładem są silniki osiowe, istniejące od ponad stu lat. Różnią się szczegółami, lecz łączy je wspólna zasada: cylindry rozmieszczone są jak naboje w bębnie rewolweru, współosiowo z wałem wyjściowym. Różnorodne mechanizmy — takie jak sworznie pochylone i podkładki stożkowe — przekształcają posuwisto-zwrotny ruch tłoków w obrót wału.

Jedną z godnych uwagi odmian jest projekt Duke Engines z Nowej Zelandii: pięciocylindrowy, czterosuwowy silnik osiowy o pojemności 3 litrów. W porównaniu z konwencjonalnym silnikiem tej samej pojemności jednostka Duke oferowała:

• O 19% mniejszą masę
• O 36% bardziej kompaktowe wymiary
• Wszechstronne możliwości zastosowania w motoryzacji, na morzu i w lotnictwie

Padały ambitne obietnice dotyczące powszechnego wdrożenia — marzenia o podboju świata pozostały jednak marzeniami.

Kanadyjska firma Reg Technologies idzie z koncepcją osiową jeszcze dalej swoim silnikiem RadMax. Zamiast oddzielnych cylindrów, wewnątrz wspólnego bębna za pomocą cienkich łopatek tworzy się kilkanaście komór. Płytki osadzone w rowkach wirnika przesuwają się wzdłuż nich podczas obrotu wirnika, a zakrzywione powierzchnie na końcach bębna wyznaczają trajektorie łopatek i sterują wymianą gazów. Charakterystyczne cechy:

• Zgodność z wieloma rodzajami paliwa, choć początkowo skupiono się na oleju napędowym
• Prototyp z 2003 roku miał zaledwie 152 mm zarówno średnicy, jak i długości, a mimo to rozwijał 42 konie mechaniczne — znacznie więcej niż konwencjonalny silnik o równoważnych rozmiarach
• Późniejsze prototypy osiągały podobno 127 KM i 380 KM

Pomimo tych obiecujących wyników całość działań wokół silnika RadMax wydaje się pozostawać na etapie eksperymentalnym.

Silniki toroidalne: gdy cylinder staje się pączkiem

Silnik VGT (Variable Geometry Toroidal Engine) nieistniejącej już kanadyjskiej firmy VGT Technologies to kolejny przykład teorii przewyższającej praktykę. Przetestowany po raz pierwszy w 2005 roku, silnik zastępuje konwencjonalny cylinder toroidem — komorą w kształcie pączka — wewnątrz której obraca się wirnik z parą przymocowanych tłoków.

Cienki dysk rozdzielczy z wycięciem na tłoki obraca się przez toroid za pośrednictwem napędu pasowego, ograniczając mieszankę paliwowo-powietrzną podczas sprężania i suwu roboczego. W 2009 roku amerykańscy przedsiębiorcy Gary Kelley i Rick Ivas niezależnie od siebie opracowali silnik toroidalny ściśle wzorowany na kanadyjskiej konstrukcji. Według ich szacunków toroid o średnicy pół metra miałby zapewniać:

• 230 koni mechanicznych
• Około 1000 N·m momentu obrotowego
• Wszystko przy zaledwie 1050 obr./min

Ich firma, Garric Engines, wyświetla obecnie na swojej stronie internetowej jedynie krótki komunikat: „Dziękujemy za zainteresowanie. Strona może zostać zaktualizowana w przyszłości.”

Silnik nutacyjny: wirujące tarcze zamiast tłoków

Nieco bardziej obiecujący los może czekać silnik nutacyjny wynaleziony przez Amerykanina Leonarda Meyera w 2006 roku — zbudowano przynajmniej kilka działających egzemplarzy. Nazwa pochodzi od łacińskiego nutatio (kiwanie lub chybotanie). Konstrukcja Meyera tworzy cztery komory robocze o zmiennej objętości między korpusem silnika a tarczą, która nutuje (chybocze) na boki, pełniąc funkcję tłoka. Tarcza jest przepołowiona wzdłuż średnicy i nawleczona na wał wyjściowy w kształcie litery Z, a kanały i zawory w korpusie sterują wymianą gazów.

Prototypy zbudowały firmy Baker Engineering i jej spółka siostrzana Kinetic BEI, osiągając imponujące wyniki:

• Pojedyncza tarcza 102 mm: 7 KM
• Dwie tarcze 203 mm: 120 KM
• Wymiary silnika dwutarczowego: długość 500 mm, średnica 300 mm, pojemność 3,8 litra
• Stosunek mocy do masy: 2,5–3 KM/kg wobec 1–2 KM/kg w seryjnych silnikach wolnossących

Moc litrowa jest mniej imponująca, lecz gęstość mocy zasługuje na uwagę. Firmy Baker i Kinetic wydają się dopracowywać konstrukcję, choć aktywność na ich stronach internetowych pozostaje ograniczona.

LiquidPiston: silnik Wankla wywrócony na lewą stronę

Koncepcje silników obrotowych wciąż fascynują innowatorów, jakby samo odejście od układu tłok–cylinder obiecywało lepsze osiągi. Nikołaj Szkolnik, były radziecki inżynier, który przeniósł się do Stanów Zjednoczonych, wraz z synem Aleksandrem opracował silnik przypominający Wankla wywróconego na lewą stronę. Wirnik w kształcie orzeszka ziemnego obraca się wewnątrz trójkątnej komory — ta sama podstawowa geometria co w silniku Wankla — lecz kluczową różnicą jest to, że uszczelki zamocowane są do ścian komory, a nie do wirnika.

Szkolnikowie założyli firmę LiquidPiston w celu rozwijania tej koncepcji, pozyskując współfinansowanie od DARPA na potrzeby potencjalnych zastosowań w:

• Lekkich samolotach i dronach
• Przenośnych generatorach prądu
• Układach napędowych pojazdów hybrydowych

Prototyp o pojemności 23 cm³ osiąga już 20% sprawności termicznej — imponujący wynik jak na tę klasę pojemności. Zespół dąży teraz do stworzenia prototypu wysokoprężnego o masie około 13 kg i mocy 40 KM, z przewidywaną sprawnością termiczną sięgającą 45%.

Silnik z wahającym się tłokiem: kwadratowe podejście

Ostatni silnik w naszym przeglądzie dowodzi, że atrakcyjność płaskiej, kompaktowej jednostki jest jak najbardziej realna — i że wirniki nie są jedyną drogą do jej osiągnięcia. Silnik z wahającym się tłokiem firmy Pivotal Engineering po prostu kwadratuje tradycyjny tłok, nadając cylindrowi prostokątny kształt w widoku z góry. Ta dwusuwowa konstrukcja istnieje od kilku lat, w czasie których szereg prototypów napędzał zarówno motocykle, jak i samoloty.

Firma koncentruje się przede wszystkim na zastosowaniach lotniczych, a konstrukcja oferuje kilka rzeczywistych zalet:

• Wysokie wskaźniki mocy do masy i mocy do objętości
• Doskonały potencjał doładowania, umożliwiony przez kanał cieczy chłodzącej biegnący przez stałą oś tłoka — trudne do osiągnięcia w konwencjonalnych konstrukcjach silnikowych
• Płaska forma, ponieważ kwadratowy wirnik może być wykonany bardzo cienko

Inne egzotyczne koncepcje silnikowe warte poznania

Poza opisanymi tutaj istnieje wiele godnych uwagi egzotycznych konstrukcji silnikowych. Kilka wyróżniających się przykładów:

• 12-wirnikowy silnik Wankla — obrotowa koncepcja Mazdy doprowadzona do skrajności
• Silnik z tuleją zaworową Knighta — stuletnia konstrukcja, która przez krótki czas rywalizowała z zaworem grzybkowym
• Silniki z przeciwbieżnymi tłokami — dwa tłoki współdzielące jeden cylinder, bez głowicy cylindra
• Silniki ze zmiennym stopniem sprężania — umożliwiające bieżącą regulację sprężania w celu optymalizacji sprawności przy różnych obciążeniach
• Silniki pięciosuwowe — z dodatkowym cylindrem ekspansyjnym służącym do pozyskania większej pracy z gazów spalinowych
• Silniki z obrotowymi łopatkami — gdzie elementy wirnika poruszają się jak zbiegające się i rozbiegające ostrza nożyczek

Dlaczego alternatywne silniki nie trafiają do seryjnej produkcji?

Nawet pobieżny przegląd niekonwencjonalnych konstrukcji silników spalinowych ujawnia uderzający schemat: dziesiątki pomysłowych koncepcji, bardzo niewiele pojazdów produkcyjnych. Powtarzające się przeszkody są niezmienne:

• Zużycie uszczelnień — konstrukcje obrotowe często zawodzą z powodu degradacji uszczelek wierzchołkowych w czasie
• Zmienne obciążenia mechaniczne — koncepcje z obrotowymi łopatkami cierpią na zmęczenie materiału w miejscu połączenia łopatki z wałem
• Złożoność produkcji — egzotyczne geometrie są drogie i trudne do wytworzenia na skalę masową
• Niezawodność i trwałość — niekonwencjonalne silniki rzadko dorównują rekordowi niezawodności tradycyjnych silników tłokowych, doskonalonych przez ponad 100 lat

Drugi powód trudności alternatywnych silników jest taki, że konwencjonalna technologia silników spalinowych nie stała w miejscu. Najnowsze silniki benzynowe wykorzystujące cykl Millera osiągają sprawność termiczną nawet 40% bez doładowania — imponujący wynik, biorąc pod uwagę, że większość silników benzynowych uzyskuje zaledwie 20–30%, a silniki wysokoprężne 30–40% (przy czym duże okrętowe silniki Diesla dochodzą do 50%).

Co najważniejsze, globalna alternatywa dla silnika spalinowego jest już dostępna: silniki elektryczne i ogniwa paliwowe. Jeśli wynalazcy stojący za tymi egzotycznymi ciekawostkami nie rozwiążą swoich problemów technicznych w bardzo bliskiej przyszłości, mogą odkryć, że rynek przestał na nich czekać — pojazdy elektryczne zdążą już przejąć drogi.

To jest tłumaczenie. Oryginał można przeczytać tutaj: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html