Podivné motory uviaznuté na okraji pokroku

Wankelov motor, Stirlingov motor a rôzne typy turbínových pohonných jednotiek sa nikdy nedostali do automobilového mainstreamu. Pracovalo na nich množstvo známych spoločností – od Mazdy po GM, od Mercedesu po Volvo – a to celé desaťročia. Nevzdávali sa ani malé firmy a jednotliví vynálezcovia. Nakoniec sa však ukázalo, že každý alternatívny dizajn skrýva oveľa viac úskalí, než sa pôvodne predpokladalo. To neznamená, že vývoj nekonvenčných pohonných jednotiek je nemožný. Nadšenci naďalej presadzujú rôzne nápady a tu sa venujeme niektorým z najexotickejších konceptov motorov, aké kedy boli postavené.

Motory s rozdeleným cyklom: dva valce, jeden pracovný zdvih

Niektorí konštruktéri motorov dospeli k záveru, že klasická kombinácia valca, piestu, ojnice a kľukového hriadeľa sa osvedčila viac než storočie – a že zlepšenie spaľovacích motorov si vyžaduje len úpravu určitých aspektov, nie vynájdenie niečoho úplne nového. Prvým príkladom v našom zozname je motor vyvinutý americkou spoločnosťou Scuderi Group, ktorý zachováva klasické zdvihy nasávania, kompresie, expanzie a výfuku – avšak rozdeľuje ich medzi dva samostatné valce:

• Studený (kompresný) valec — zabezpečuje nasávanie a kompresiu
• Horúci (pracovný) valec — zabezpečuje pracovný zdvih a výfuk

Kým sa plyn rozpína v pracovnom valci, v studenom, kompresnom valci prebieha nasávací zdvih. Keď pracovný valec vypúšťa spaliny, kompresný valec stláča zmes. Na konci kompresného zdvihu sa oba piesty blížia k hornému mŕtvemu bodu, zmes prechádza premosťovacím kanálom zo studeného valca do horúceho a zapáli sa. Tento rozdelený cyklus – v podstate modifikovaný Ottov cyklus – bol patentovaný v roku 2006 a v roku 2009 spoločnosť Scuderi Group postavila prototyp Scuderi Split Cycle Engine.

Kompresný a pracovný valec môžu mať rôzne priemery a zdvihy piestov, čo umožňuje flexibilné nastavenie parametrov motora – funguje ako analóg Millerovho cyklu s dodatočnou expanziou plynu. Pridaním vetvy s ventilmi a vysokotlakovej nádoby do kanála medzi valcami môže motor rekuperovať energiu pri brzdení a využiť ju pri akcelerácii. V priebehu niekoľkých rokov sa však aktivity spoločnosti Scuderi Group obmedzili na prototypy a prezentácie na výstavách. Reálne zlepšenia účinnosti zatiaľ neodôvodňujú značnú zložitosť tohto dizajnu.

K rozdelenému pracovnému cyklu sa obrátila aj chorvátska spoločnosť Paut Motor. Ich priestorový dizajn si získal pozornosť z niekoľkých dôvodov:

• Výrazne menej pohyblivých častí ako konvenčné motory
• Nižšie trecie straty
• Znížená hlučnosť prevádzky
• Kompaktné rozmery: 500×440×440 mm pri objeme 7 litrov
• Hmotnosť približne 135 kg — zhruba polovica hmotnosti tradičného motora rovnakého zdvihového objemu

Absencia oleja v kľukovej skrini si síce vyžaduje externý zásobník maziva, no vynálezcovia to považovali za prijateľný kompromis. Bolo postavených niekoľko prototypov, pričom konečný výkon nikdy nebol oficiálne stanovený. Posledný prototyp bol zostavený v roku 2011 a projekt odvtedy stagnuje.

Bonnerov dvojtaktný motor: maximálna zložitosť, ambiciózne ciele

Bonnerov dvojtaktný motor (pomenovaný po svojom sponzorovi, spoločnosti Bonner Motor) vynašiel v roku 2006 v Spojených štátoch amerických Walter Schmid a posúva mechanickú zložitosť ešte ďalej. Podobne ako Paut Motor, jeho valce sú usporiadané v konfigurácii X a kľukový hriadeľ vykonáva planetárny pohyb prostredníctvom prevodového systému. Kľúčové vlastnosti zahŕňajú:

• Ventily v dnách valcov a rotačné cievkové ventily v tele motora pre distribúciu plynov
• Vonkajšie piesty, ktoré sa môžu mierne posúvať pod tlakom oleja, čím zabezpečujú premenný kompresný pomer
• Vysoký merný výkon ako primárny cieľ konštrukcie

Teoreticky Bonnerov motor pôsobí presvedčivo. V praxi však z tohto projektu v priebehu rokov nevzišli žiadne významné správy — zrejme nesplnil očakávania.

Axiálne motory: valce usporiadané ako revolver

Ďalší vynálezcovia zachovali pracovné cykly spaľovacieho motora, ale prehodnotili fyzické usporiadanie jeho komponentov. Axiálne motory, ktoré existujú viac ako storočie, sú typickým príkladom. Líšia sa v detailoch, ale zdieľajú spoločný princíp: valce sú usporiadané ako náboje v bubne revolvera, súosnovo s výstupným hriadeľom. Rôzne mechanizmy — ako naklonené čapy a kužeľové podložky — premieňajú priamočiary pohyb piestov na otáčanie hriadeľa.

Projekt Duke Engines z Nového Zélandu je jednou pozoruhodnou variantou: päťvalcový, štvortaktný axiálny motor so zdvihovým objemom 3 litre. V porovnaní s konvenčným motorom rovnakého objemu ponúkala jednotka Duke:

• O 19 % nižšiu hmotnosť
• O 36 % kompaktnejšie rozmery
• Všestranný aplikačný potenciál v automobilovom, námornom a leteckom sektore

Zazneli ambiciózne sľuby o jeho rozšírenom nasadení — sny o dobytí sveta však zostali snami.

Motor RadMax kanadskej spoločnosti Reg Technologies posúva axiálny koncept ešte ďalej. Namiesto samostatných valcov je v spoločnom bubne vytvorených tucet komôr pomocou tenkých lopatiek. Dosky osadené v drážkach rotora sa po nich pohybujú pri otáčaní rotora a zakrivené plochy na koncoch bubna určujú trajektórie lopatiek a riadia výmenu plynov. Pozoruhodné vlastnosti:

• Kompatibilita s viacerými typmi paliva, pričom počiatočný dôraz bol kladený na naftu
• Prototyp z roku 2003 mal priemer aj dĺžku iba 152 mm a pritom produkoval 42 koní — oveľa viac ako konvenčný motor rovnakej veľkosti
• Neskoršie prototypy údajne dosiahli 127 k a 380 k

Napriek týmto sľubným číslam sa zdá, že všetky aktivity RadMax zostávajú v experimentálnom štádiu.

Toroidálne motory: keď sa valec stane šiškou

Motor VGT (Variable Geometry Toroidal Engine) od zaniknutej kanadskej spoločnosti VGT Technologies je ďalším príkladom teórie prekonávajúcej prax. Motor, prvýkrát testovaný v roku 2005, nahrádza konvenčný valec toroidom — komorou v tvare šišky — vo vnútri ktorej sa otáča rotor s dvojicou pripojených piestov.

Tenký distribučný disk s výrezom pre piesty sa otáča cez toroid prostredníctvom remeňového pohonu, pričom obmedzuje zmes paliva so vzduchom počas kompresie a pracovného zdvihu. V roku 2009 americkí podnikatelia Gary Kelley a Rick Ivas nezávisle vyvinuli toroidálny motor, ktorý sa veľmi podobal kanadskému dizajnu. Ich odhady naznačovali, že toroid s priemerom pol metra by poskytoval:

• 230 koní
• Približne 1 000 N·m krútiaceho momentu
• A to všetko len pri 1 050 ot./min

Ich spoločnosť Garric Engines zobrazuje na svojej webovej stránke iba strohu správu: „Ďakujeme za váš záujem. Stránka môže byť v budúcnosti aktualizovaná.”

Nutačný motor: rotujúce disky namiesto piestov

O niečo sľubnejší osud možno čaká nutačný motor, ktorý vynašiel Američan Leonard Meyer v roku 2006 — bolo postavených aspoň niekoľko funkčných kusov. Názov pochádza z latinského nutatio (kývanie alebo kolísanie). Meyerov dizajn vytvára štyri pracovné komory s premenným objemom medzi telom motora a diskom, ktorý nutuje (kolíše) zo strany na stranu a plní funkciu piestu. Disk je prerezaný na polovicu pozdĺž priemeru a navlečený na výstupný hriadeľ v tvare Z, pričom kanály a ventily v tele riadia výmenu plynov.

Prototypy postavili spoločnosti Baker Engineering a jej sesterská spoločnosť Kinetic BEI s pôsobivými výsledkami:

• Jeden disk s priemerom 102 mm: 7 k
• Dvojitý disk s priemerom 203 mm: 120 k
• Rozmery dvojdiskového motora: dĺžka 500 mm, priemer 300 mm, zdvihový objem 3,8 litra
• Merný výkon: 2,5–3 k/kg oproti 1–2 k/kg pri sériovo vyrábaných atmosferických motoroch

Litrový výkon je menej pôsobivý, ale hustota výkonu je pozoruhodná. Zdá sa, že Baker a Kinetic dizajn ďalej zdokonaľujú, hoci aktivita na ich webových stránkach zostáva obmedzená.

LiquidPiston: Wankelov motor naruby

Koncepty rotačných motorov naďalej fascinujú inovátorov, akoby odklon od tradičného usporiadania piestu a valca sám o sebe sľuboval lepší výkon. Nikolaj Školnik, bývalý sovietsky inžinier, ktorý sa presťahoval do Spojených štátov amerických, a jeho syn Alexander vyvinuli motor, ktorý sa podobá Wankelovmu motoru naruby. Rotor v tvare arašidu sa otáča vo vnútri trojuholníkovej komory — rovnaká základná geometria ako u Wankela — avšak kľúčovým rozdielom je, že tesnenia sú pevne upevnené na stenách komory, nie na rotore.

Školnikovci založili spoločnosť LiquidPiston na vývoj tohto konceptu, pričom získali spolufinancovanie od DARPA na potenciálne využitie v:

• Ľahkých lietadlách a dronoch
• Prenosných elektrických generátoroch
• Pohonných sústavách hybridných vozidiel

Prototyp s objemom 23 cm³ už dosahuje tepelnú účinnosť 20 % — pôsobivé číslo pre danú triedu zdvihového objemu. Tím sa teraz zameriava na dieselový prototyp s hmotnosťou okolo 13 kg a výkonom 40 k, pričom predpokladaná tepelná účinnosť by mala dosiahnuť 45 %.

Motor s kývavým piestom: štvorcový prístup

Posledný motor v našom prehľade dokazuje, že príťažlivosť plochej, kompaktnej jednotky je reálna — a že rotory nie sú jedinou cestou k jej dosiahnutiu. Motor s kývavým piestom spoločnosti Pivotal Engineering jednoducho robí tradičný piest štvorcovým, čím sa valec stáva obdĺžnikovým v pohľade zhora. Tento dvojtaktný dizajn existuje niekoľko rokov, počas ktorých množstvo prototypov pohánalo motocykle aj lietadlá.

Spoločnosť sa primárne zameriava na letecké aplikácie a dizajn ponúka niektoré skutočné výhody:

• Vysoké pomery výkonu k hmotnosti a výkonu k objemu
• Vynikajúci potenciál pre pretlakové plnenie, umožnený kanálom kvapalného chladenia prechádzajúcim cez pevnú os piestu — čo je náročne realizovateľné v konvenčných motorových architektúrach
• Plochý tvarový faktor, keďže štvorcový rotor môže byť veľmi tenký

Ďalšie exotické koncepty motorov, ktoré stojí za to poznať

Okrem tu uvedených existuje mnoho pozoruhodných exotických konceptov motorov. Niekoľko čestných zmienok:

• 12-rotorový Wankelov motor — rotačný koncept Mazdy dovedený do extrému
• Knightov motor s rukávovými ventilmi — storočný dizajn, ktorý krátko súperil s tanierkovými ventilmi
• Motory s protiľahlými piestami — dva piesty zdieľajú jeden valec bez hlavy valca
• Motory s premenným kompresným pomerom — umožňujú úpravu kompresie v reálnom čase na optimalizáciu účinnosti pri rôznych záťažových podmienkach
• Päťtaktné motory — pridávajú samostatný expanzný valec na získanie väčšieho množstva práce zo spalín
• Motory s rotačnými lopatkami — kde sa súčasti rotora pohybujú ako zbiehajúce sa a rozbiehajúce nožnice

Prečo sa alternatívne motory nedostanú do sériovej výroby?

Už krátky prehľad nekonvenčných konceptov spaľovacích motorov odhaľuje nápadný vzorec: desiatky dômyselných nápadov, veľmi málo sériových vozidiel. Opakujúce sa prekážky sú konzistentné:

• Opotrebovanie tesnení — rotačné dizajny často zlyhávajú v dôsledku postupnej degradácie vrcholových tesnení
• Striedavé mechanické zaťaženia — koncepty s rotačnými lopatkami trpia únavou v mieste spojenia lopatky s hriadeľom
• Výrobná náročnosť — exotické geometrie sú nákladné a ťažko vyrobiteľné vo veľkom meradle
• Spoľahlivosť a životnosť — nekonvenčné motory len zriedka dosahujú trvanlivosť tradičných piestových motorov zdokonaľovaných viac ako 100 rokov

Druhým dôvodom, prečo alternatívne motory narážajú na ťažkosti, je skutočnosť, že technológia konvenčného spaľovacieho motora nestagnovala. Najnovšie benzínové motory využívajúce Millerov cyklus dosahujú tepelnú účinnosť až 40 % dokonca aj bez turbodúchadla — pozoruhodné číslo, keďže väčšina benzínových motorov dosahuje len 20–30 % a dieselové motory 30–40 % (s veľkými námorný dieselmi dosahujúcimi až 50 %).

A čo je najdôležitejšie, globálna alternatíva k spaľovaciemu motoru už prišla: elektrické motory a palivočlánkové pohonné jednotky. Ak vynálezcovia stojaci za týmito exotickými kuriozitami nevyriešia svoje technické výzvy veľmi skoro, môžu zistiť, že na nich žiadny trh nečaká — elektromobily už dávno obsadili cesty.

Toto je preklad. Originál si môžete prečítať tu: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html