Čudni motorji, ujeti na obrobju napredka

Wankelov motor, Stirlingov motor in različne vrste turbinskih pogonskih enot nikoli niso prodrli v avtomobilski mainstream. Številna znana podjetja — od Mazde do GM, od Mercedesa do Volva — so desetletja delala na njih. Vztrajali so tudi manjša podjetja in posamezni izumitelji. Pa vendar se je izkazalo, da vsaka alternativna zasnova skriva bistveno več pasti, kot je bilo sprva pričakovano. To ne pomeni, da je razvoj nekonvencionalnih pogonskih enot nemogoč. Navdušenci vztrajno razvijajo različne ideje, in tu predstavljamo nekatere najbolj eksotične motorje, ki so bili kdaj zgrajeni.

Motorji z razdeljenim ciklom: dva valja, en delovni takt

Nekateri konstruktorji motorjev so ugotovili, da se je klasična kombinacija valja, bata, ojnice in ročične gredi izkazala skozi več kot stoletje — in da je za izboljšanje motorjev z notranjim zgorevanjem dovolj prilagoditi določene vidike, ne pa znova izumljati vse od začetka. Prvi primer na našem seznamu je motor, ki ga je razvilo ameriško podjetje Scuderi Group, ki ohranja klasične takte — sesanje, kompresijo, delovni takt in izpust — a jih razdeli na dva ločena valja:

• Hladni (kompresorski) valj — izvaja sesanje in kompresijo
• Vroči (delovni) valj — izvaja delovni takt in izpust

Medtem ko se plin razpenja v delovnem valju, poteka sesalni takt v hladnem, kompresorskem valju. Ko delovni valj izpušča, kompresorski valj stiska. Ob koncu kompresijskega takta se oba bata približata zgornji mrtvi točki, zmes potuje skozi obvodni kanal iz hladnega valja v vročega in se vžge. Ta razdeljeni cikel — v bistvu modificiran Ottov cikel — je bil patentiran leta 2006, leta 2009 pa je podjetje Scuderi Group zgradilo prototipni Scuderi Split Cycle Engine.

Kompresorski in delovni valj sta lahko različnih premerov in hodov bata, kar omogoča prilagodljivo nastavljanje parametrov motorja — podobno kot Millerjev cikel z dodatnim raztezanjem plina. Če kanalu med valjema dodamo razvejitev z ventili in visokotlačno posodo, lahko motor med zaviranjem shranjuje energijo in jo izkoristi med pospeševanjem. Kljub temu so dejavnosti podjetja Scuderi Group že vrsto let omejene na prototipe in nastope na razstavah. Dejanski pridobljeni izkoristki v praksi še niso upravičili precejšnje kompleksnosti zasnove.

K razdeljenemu delovnemu ciklu se je zateklo tudi hrvaško podjetje Paut Motor. Njihova prostorska zasnova je pritegnila pozornost iz več razlogov:

• Bistveno manj gibljivih delov kot pri konvencionalnih motorjih
• Manjše trenjske izgube
• Zmanjšan hrup med delovanjem
• Kompaktne mere: 500×440×440 mm pri prostornini 7 litrov
• Masa približno 135 kg — okrog polovico mase klasičnega motorja enake prostornine

Odsotnost olja v oljni posodi ročične gredi sicer zahteva zunanji rezervoar za mazanje, a so izumitelji to ocenili kot sprejemljiv kompromis. Zgrajenih je bilo več prototipov, čeprav končna moč ni bila nikoli uradno določena. Zadnji prototip je bil sestavljen leta 2011, projekt pa je od takrat zamrl.

Bonnerjevo dvotaktno gnalo: največja kompleksnost, ambiciozni cilji

Bonnerjevo dvotaktno gnalo (poimenovano po sponzorju, podjetju Bonner Motor) je leta 2006 v Združenih državah Amerike izumil Walter Schmid in mehansko kompleksnost dvigne na še višjo raven. Tako kot pri Paut Motorju so valji razporejeni v obliki X, ročična gred pa opravlja planetarno gibanje prek zobniških sklopov. Ključne lastnosti vključujejo:

• Ventile v dnu valjev in vrtljive tulčaste ventile v ohišju motorja za razdeljevanje plinov
• Zunanje bate, ki se lahko pod pritiskom olja rahlo premaknejo in zagotovijo spremenljivo kompresijsko razmerje
• Visoko razmerje moč/masa kot primarni cilj zasnove

V teoriji je Bonnerjev motor prepričljiv. V praksi pa iz projekta že vrsto let ni prišlo nobenih pomembnih novic — očitno ni izpolnil pričakovanj.

Aksialni motorji: valji razporejeni kot v revolverju

Drugi izumitelji so ohranili delovne cikle motorja z notranjim zgorevanjem, a na novo zamislili fizično razporeditev njegovih komponent. Aksialni motorji, ki obstajajo že več kot stoletje, so dober primer. V podrobnostih se razlikujejo, a si delijo skupno načelo: valji so razporejeni kot naboji v bobnu revolverja, koaksialno z izhodno gredjo. Različni mehanizmi — kot so nagnjeni zatiki in konični podložki — pretvarjajo bočno gibanje batov v vrtenje gredi.

Projekt Duke Engines iz Nove Zelandije je eden izmed opaznih primerov: petvaljni, štiritaktni aksialni motor s prostornino 3 litre. V primerjavi s konvencionalnim motorjem enake prostornine je Duke ponudil:

• 19 % manjšo maso
• 36 % bolj kompaktne mere
• Vsestranske možnosti uporabe v avtomobilskem, pomorskem in letalskem sektorju

Napovedana je bila obsežna uvedba v prakso — a sanje o osvajanju sveta so ostale sanje.

Motor RadMax kanadskega podjetja Reg Technologies aksialni koncept razvija še dlje. Namesto ločenih valjev je v skupnem bobnu z oblikovanimi lopaticami tvorjenih dvanajst prekatov. Plošče, vstavljene v reže rotorja, se premikajo vzdolž lopatice med vrtenjem rotorja, ukrivljene površine na koncih bobna pa določajo tirnice lopatic in nadzirajo izmenjavo plinov. Pomembne lastnosti:

• Združljivost z več vrstami goriv, čeprav je bil dizel prvotno v ospredju
• Prototip iz leta 2003 je meril le 152 mm v premeru in dolžini, a je razvil 42 konjskih moči — bistveno več kot konvencionalni motor enake velikosti
• Poznejši prototipi naj bi dosegli 127 KM in 380 KM

Kljub tem obetavnim vrednostim se zdi, da vse dejavnosti RadMax ostajajo na eksperimentalni stopnji.

Toroidni motorji: ko valj postane obroč

Motor VGT (Variable Geometry Toroidal Engine) zdaj propadlega kanadskega podjetja VGT Technologies je še en primer, ko teorija prekaša prakso. Prvič preizkušen leta 2005, ta motor nadomesti klasični valj s toroidom — kolobarju podobno komoro — v kateri se vrti rotor z dvema pritrjenima batoma.

Tanek razdelilni disk z izrezom za bate se prek jermenskega pogona vrti skozi toroid in omejuje gorivo-zračno zmes med kompresijo in delovnim taktom. Leta 2009 sta ameriška podjetnika Gary Kelley in Rick Ivas neodvisno razvila toroidni motor, ki je bil zelo podoben kanadski zasnovi. Njune ocene so pokazale, da bi toroid s polmetrskim premerom zagotovil:

• 230 konjskih moči
• Okrog 1.000 N·m navora
• Vse to pri samo 1.050 vrt./min

Njuno podjetje Garric Engines na svoji spletni strani prikazuje le kratko sporočilo: »Hvala za vaše zanimanje. Stran bo morda posodobljena v prihodnosti.«

Nutacijski motor: vrteči diski namesto batov

Nekoliko boljša usoda morda čaka nutacijski motor, ki ga je ameriški izumitelj Leonard Meyer razvil leta 2006 — zgrajenih je bilo vsaj več delujočih primerkov. Ime izhaja iz latinskega nutatio (kimanje ali nihanje). Meyerjeva zasnova tvori štiri delovne komore spremenljivega volumna med ohišjem motorja in diskom, ki nutira (niha) levo in desno ter deluje kot bat. Disk je razrezan na pol vzdolž premera in nataknjen na izhodno gred v obliki črke Z, kanali in ventili v ohišju pa skrbijo za izmenjavo plinov.

Prototipe sta zgradila podjetje Baker Engineering in njegovo sestrsko podjetje Kinetic BEI, z impresivnimi rezultati:

• Enojni disk premera 102 mm: 7 KM
• Dvojna diska premera 203 mm: 120 KM
• Mere motorja z dvema diskoma: dolžina 500 mm, premer 300 mm, prostornina 3,8 litra
• Razmerje moč/masa: 2,5–3 KM/kg v primerjavi z 1–2 KM/kg pri serijsko izdelanih atmosferskih motorjih

Litrska moč je manj impresivna, a gostota moči je vredna pozornosti. Zdi se, da Baker in Kinetic zasnovo še izpopolnjujeta, čeprav dejavnost na njunih spletnih straneh ostaja omejena.

LiquidPiston: Wankelov motor, obrnjen na glavo

Koncepti rotacijskih motorjev še naprej navdihujejo inovatorje, kot da bi odmik od znane kombinacije bat-valj sam po sebi obetal boljše zmogljivosti. Nikolaj Školnik, nekdanji sovjetski inženir, ki se je preselil v Združene države Amerike, in njegov sin Aleksander sta razvila motor, ki spominja na Wankelov motor, obrnjen na glavo. Arašidasto oblikovan rotor se vrti znotraj trikotne komore — enaka osnovna geometrija kot pri Wanklu — a ključna razlika je v tem, da so tesnila pritrjena na stene komore in ne na rotor.

Školnikova sta ustanovila podjetje LiquidPiston za razvoj koncepta in pritegnila sofinanciranje agencije DARPA za morebitno uporabo v:

• Lahkih letalih in brezpilotnih letalnikih
• Prenosnih agregatih za proizvodnjo električne energije
• Pogonskih sistemih hibridnih vozil

Prototip s prostornino 23 cm³ že dosega 20-odstotno toplotno učinkovitost — impresivno za ta razred prostornine. Ekipa zdaj cilja na dizelski prototip z maso okoli 13 kg in močjo 40 KM, pri čemer naj bi predvidena toplotna učinkovitost dosegla 45 %.

Motor z nihajočim batom: kvadratni pristop

Zadnji motor v našem pregledu dokazuje, da je privlačnost ploskega, kompaktnega sklopa resnična — in da rotorji niso edina pot do njega. Motor z nihajočim batom podjetja Pivotal Engineering preprosto da klasičnemu batu kvadratno obliko, s čimer postane valj v tlorisu pravokoten. Ta dvotaktna zasnova obstaja že več let, v tem času pa so številni prototipi poganjali tako motocikle kot letala.

Podjetje se primarno osredotoča na letalske aplikacije, zasnova pa ponuja nekatere resnične prednosti:

• Visoka razmerja moč/masa in moč/prostornina
• Odličen potencial za prisilno polnjenje, ki ga omogoča kanal za tekočinsko hlajenje skozi nepremično os bata — kar je pri konvencionalnih motorjih izjemno zahtevno
• Ploska oblika, saj je kvadratni rotor lahko zelo tanek

Drugi eksotični koncepti motorjev, vredni pozornosti

Poleg tukaj obravnavanih obstaja še mnogo izjemnih eksotičnih zasnov motorjev. Nekaj vrednih omembe:

• 12-rotorski Wankelov motor — Mazdin rotacijski koncept priveden do skrajnosti
• Knightov motor z rokavnimi ventili — sto let stara zasnova, ki je za kratek čas tekmovala z glivastimi ventili
• Motorji z nasprotno ležečimi bati — dva bata si delita en valj, brez glave valja
• Motorji s spremenljivim kompresijskim razmerjem — omogočajo sprotno prilagajanje kompresije za optimizacijo učinkovitosti pri različnih obremenitvah
• Petataktni motorji — z dodanim ekspanzijskim valjem za izkoriščanje večje količine energije iz zgorevalnih plinov
• Motorji z rotacijskimi lopaticami — kjer se komponente rotorja premikajo kot škarje, ki se odpirajo in zapirajo

Zakaj alternativni motorji ne pridejo do serijske proizvodnje?

Že bežen pregled nekonvencionalnih zasnov motorjev z notranjim zgorevanjem razkrije udaren vzorec: na desetine pametnih idej, a zelo malo serijsko proizvedenih vozil. Ponavljajoče se ovire so dosledne:

• Obraba tesnila — rotacijske zasnove pogosto odpovedo zaradi propadanja tesnila na vrhu rotorja sčasoma
• Izmenične mehanske obremenitve — koncepti z rotacijskimi lopaticami trpijo za utrujanjem materiala na mestu povezave lopatic z gredjo
• Kompleksnost izdelave — eksotične geometrije so drage in jih je težko serijsko proizvajati
• Zanesljivost in trajnost — nekonvencionalni motorji le redko dosegajo raven vzdržljivosti klasičnih batnih motorjev, izpopolnjenih skozi več kot 100 let

Drugi razlog, zakaj alternativni motorji zaostajajo, je ta, da konvencionalna tehnologija motorjev z notranjim zgorevanjem ni stagnirala. Najnovejši bencinski motorji z Millerjevim ciklom dosegajo toplotno učinkovitost do 40 % tudi brez turbokompresorja — izjemna vrednost, glede na to, da večina bencinskih motorjev dosega le 20–30 %, dizelski pa 30–40 % (veliki ladijski dizelski motorji pa do 50 %).

Najpomembneje: globalna alternativa motorjem z notranjim zgorevanjem je že tu: električni motorji in gorivnocelični pogonski sklopi. Če izumitelji za temi eksotičnimi zanimivostmi ne bodo v kratkem razrešili svojih tehničnih izzivov, se utegne izkazati, da zanje ni več trga — električna vozila bodo že zavzela ceste.

To je prevod. Izvirnik si lahko preberete tukaj: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html