Чудни мотори заглављени на маргинама напретка

Ванкелов мотор, Стирлингов мотор и различите врсте турбо-погонских јединица никада нису ушли у аутомобилски мејнстрим. Бројне познате компаније — од Мазде до ГМ-а, од Мерцедеса до Волва — радиле су на њима деценијама. Истрајавале су и мале фирме и индивидуални проналазачи. Ипак, испоставило се да свако алтернативно решење крије знатно више замки него што је у почетку очекивано. То не значи да је развој неконвенционалних погонских јединица немогућ. Ентузијасти настављају да промовишу различите идеје, а овде истражујемо неке од најегзотичнијих концепата мотора икада направљених.

Мотори са подељеним циклусом: Два цилиндра, један радни такт

Неки конструктори мотора закључили су да се класична комбинација цилиндра, клипа, клипњаче и радилице доказала кроз више од века — и да унапређење мотора са унутрашњим сагоревањем захтева само дотеривање одређених аспеката, а не измишљање из нуле. Први пример на нашој листи је мотор који је развила америчка компанија Scuderi Group, која задржава класичне тактове усиса, компресије, рада и издувавања — али их дели на два одвојена цилиндра:

• Хладни (компресорски) цилиндар — врши усис и компресију
• Врући (радни) цилиндар — врши радни такт и издувавање

Док се гас шири у радном цилиндру, у хладном, компресорском цилиндру одвија се такт усиса. Када радни цилиндар издувава, компресорски цилиндар компримује. На крају такта компресије, оба клипа приближавају се горњим мртвим тачкама, смеша путује кроз обилазни канал из хладног цилиндра у врући и пали се. Овај подељени циклус — у суштини модификовани Отоов циклус — патентиран је 2006. године, а 2009. компанија Scuderi Group изградила је прототип Scuderi Split Cycle Engine.

Компресорски и радни цилиндри могу имати различите пречнике и ходове клипа, што омогућава флексибилно подешавање параметара мотора — функционишући као аналог Милеровог циклуса са додатним ширењем гаса. Додајте грану са вентилима и бочу под високим притиском у канал између цилиндара, и мотор може да рекуперише енергију при кочењу и искористи је при убрзавању. Међутим, током низа година, активности компаније Scuderi Group ограничене су на прототипове и наступе на сајмовима. Стварни добици у ефикасности још увек нису оправдали знатну сложеност овог решења.

Хрватска компанија Paut Motor такође се окренула подељеном радном циклусу. Њихов раздвојени дизајн привукао је пажњу из неколико разлога:

• Знатно мање покретних делова него код конвенционалних мотора
• Мањи губици услед трења
• Смањена бука при раду
• Компактне димензије: 500×440×440 мм при запремини од 7 литара
• Маса од приближно 135 кг — отприлике упола мање од традиционалног мотора исте запремине

Одсуство уља у картеру захтева спољни резервоар за подмазивање, али су проналазачи сматрали да је то прихватљив компромис. Израђено је неколико прототипова, иако коначна снага никада није званично утврђена. Последњи прототип склопљен је 2011. године, а пројекат је од тада застао.

Бонеров двотактни мотор: Максимална сложеност, амбициозни циљеви

Бонеров двотактни мотор (назван по спонзору, Bonner Motor) изумио је 2006. године у Сједињеним Америчким Државама Волтер Шмит и гура механичку сложеност још даље. Као и код компаније Paut Motor, цилиндри су распоређени у Х-конфигурацији, а радилица врши планетарно кретање путем зупчастог система. Кључне карактеристике укључују:

• Вентили у дновима цилиндара и ротирајући калемни вентили у телу мотора за расподелу гасова
• Спољашњи клипови који могу да се благо помере под притиском уља ради обезбеђивања променљивог степена компресије
• Висок однос снаге и масе као примарни циљ дизајна

У теорији, Бонеров мотор изгледа убедљиво. У пракси, међутим, из пројекта у годинама нису стигле значајне вести — очигледно, није испунио очекивања.

Аксијални мотори: Цилиндри распоређени попут револвера

Други проналазачи задржали су радне циклусе мотора са унутрашњим сагоревањем, али су изнова осмислили физички распоред његових компоненти. Аксијални мотори, који постоје већ преко века, одличан су пример. Разликују се у детаљима, али деле заједнички принцип: цилиндри су распоређени попут метака у добошу револвера, коаксијално са излазним вратилом. Различити механизми — попут косих чивија и конусних подлошки — претварају наизменично кретање клипова у ротацију вратила.

Пројекат Duke Engines са Новог Зеланда је један значајан пример: петоцилиндрични, четворотактни аксијални мотор запремине 3 литра. У поређењу са конвенционалним мотором исте запремине, Duke јединица је нудила:

• 19% мању масу
• 36% компактније димензије
• Свестране могућности примене у ауто, морском и авијационом сектору

Давана су амбициозна обећања о широкој примени — али снови о освајању света остали су снови.

RadMax мотор канадске компаније Reg Technologies аксијални концепт одводи корак даље. Уместо засебних цилиндара, унутар заједничког добоша формирано је дванаест преграда помоћу танких лопатица. Плоче уграђене у уторе ротора клизе дуж њих док се ротор окреће, а закривљене површине на крајевима добоша одређују трајекторије лопатица и управљају разменом гаса. Значајне карактеристике:

• Компатибилан са више врста горива, иако је дизел био почетни фокус
• Прототип из 2003. мерио је свега 152 мм у пречнику и дужини, а производио је 42 коњске снаге — знатно више од конвенционалног мотора еквивалентне величине
• Каснији прототипови наводно су досезали 127 КС и 380 КС

Упркос овим обећавајућим вредностима, сва активност компаније RadMax изгледа да остаје на експерименталном нивоу.

Тороидални мотори: Када цилиндар постане крофна

VGT Engine (Тороидални мотор са промењивом геометријом) из сада непостојеће канадске компаније VGT Technologies још је један случај у коме теорија надмашује праксу. Мотор, који је први пут тестиран 2005. године, замењује конвенционални цилиндар тороидом — комором у облику крофне — унутар које ротира ротор са паром причвршћених клипова.

Танак дистрибутивни диск са прорезом за клипове ротира преко тороида помоћу каишног преноса, ограничавајући смешу горива и ваздуха током компресије и радног такта. Године 2009, амерички предузетници Гери Кели и Рик Ивас независно су развили тороидални мотор који је у великој мери наликовао канадском дизајну. Њихове процене су сугерисале да би тороид пречника пола метра испоручивао:

• 230 коњских снага
• Приближно 1.000 Н·м обртног момента
• Све при свега 1.050 о/мин

Њихова компанија, Garric Engines, сада на свом сајту приказује само поруку: „Хвала на интересовању. Страница може бити ажурирана у будућности.”

Нутирајући мотор: Ротирајући дискови уместо клипова

Нешто перспективнија судбина можда чека нутирајући мотор који је изумио амерички Леонард Мејер 2006. године — барем је израђено неколико радних примерака. Назив потиче од латинске речи nutatio (климање или љуљање). Мејеров дизајн формира четири радне коморе промењиве запремине између тела мотора и диска који нутира (љуља) са стране на страну, функционишући као клип. Диск је пресечен напола дуж пречника и нанизан је на З-облик излазног вратила, а канали и вентили у телу управљају разменом гаса.

Прототипове су израдиле Baker Engineering и њено сестринско предузеће Kinetic BEI, са импресивним резултатима:

• Један диск пречника 102 мм: 7 КС
• Два диска пречника 203 мм: 120 КС
• Димензије мотора са два диска: дужина 500 мм, пречник 300 мм, запремина 3,8 литара
• Однос снаге и масе: 2,5–3 КС/кг у поређењу са 1–2 КС/кг за масовно произведене атмосферске моторе

Специфична снага по литру је мање импресивна, али је густина снаге значајна. Компаније Baker и Kinetic изгледа да усавршавају дизајн, иако је активност на њиховим сајтовима ограничена.

LiquidPiston: Ванкелов мотор изокренут наопачке

Концепти ротационих мотора настављају да очаравају иноваторе, као да удаљавање од познатог система клип-цилиндар само по себи обећава боље перформансе. Николај Школник, бивши совјетски инжењер који је прешао у Сједињене Америчке Државе, и његов син Александар развили су мотор који подсећа на Ванкелов мотор изокренут наопачке. Ротор у облику кикирикија окреће се унутар троугласте коморе — иста основна геометрија као код Ванкеловог — али кључно, заптивачи су фиксирани за зидове коморе, а не за ротор.

Школникови су основали LiquidPiston да би развили концепт, привлачећи суфинансирање од DARPA-е за потенцијалну употребу у:

• Лаким авионима и дроновима
• Преносним генераторима струје
• Погонским системима хибридних возила

Прототип запремине 23 цм³ већ постиже термичку ефикасност од 20% — импресивно за ту класу запремине. Тим сада циља на дизелски прототип масе око 13 кг и снаге 40 КС, са пројектованом термичком ефикасношћу до 45%.

Мотор са клатним клипом: Правоугаони облик

Последњи мотор у нашем прегледу доказује да је привлачност равне, компактне јединице реална — и да ротори нису једини пут до тога. Мотор са клатним клипом компаније Pivotal Engineering једноставно квадратира традиционални клип, чинећи цилиндар правоугаоним у погледу одозго. Овај двотактни дизајн постоји већ неколико година, током којих је низ прототипова погонио мотоцикле и авионе.

Компанија је примарно усмерена на авијационе примене, а дизајн нуди неке стварне предности:

• Висок однос снаге и масе и снаге и запремине
• Одличан потенцијал за приморано пуњење, омогућен каналом за течно хлађење који пролази кроз фиксну осу клипа — тешко остварив у конвенционалним архитектурама мотора
• Равна форма, пошто квадратни ротор може бити веома танак

Остали егзотични концепти мотора вредни пажње

Постоји много изванредних егзотичних конструкција мотора изван оних овде поменутих. Неколико достојних помена:

• Ванкелов мотор са 12 ротора — Маздин ротациони концепт доведен до крајности
• Мотор са рукавним вентилима Knight — дизајн стар век који је кратко ривализовао са вентилом типа клипњача
• Мотори са супротним клиповима — два клипа деле један цилиндар, без главе цилиндра
• Мотори са промењивим степеном компресије — омогућавају прилагођавање компресије у реалном времену ради оптимизације ефикасности при различитим оптерећењима
• Петотактни мотори — додају наменски цилиндар за ширење ради добијања више рада из гасова сагоревања
• Мотори са ротирајућим лопатицама — у којима се компоненте ротора крећу попут конвергирајућих и дивергирајућих лопатица маказа

Зашто алтернативни мотори не доспевају до масовне производње?

Чак и кратак преглед неконвенционалних конструкција мотора са унутрашњим сагоревањем открива упадљив образац: десетине паметних идеја, веома мало производних возила. Понављајуће препреке су доследне:

• Хабање заптивача — ротациони дизајни често пропадају због деградације врхунских заптивача током времена
• Наизменична механичка оптерећења — концепти са ротирајућим лопатицама пате од замора на споју лопатице и вратила
• Сложеност производње — егзотичне геометрије су скупе и тешке за производњу у великим количинама
• Поузданост и дуговечност — неконвенционални мотори ретко достижу рекорд трајности традиционалних клипних мотора усавршаваних преко 100 година

Други разлог због којег се алтернативни мотори боре је тај да конвенционална технологија мотора са унутрашњим сагоревањем није стајала мирно. Најновији бензински мотори који користе Милеров циклус постижу термичку ефикасност до 40% чак и без турбопуњача — изванредна вредност, с обзиром да већина бензинских мотора постиже само 20–30%, а дизелски мотори 30–40% (са великим поморским дизелима који достижу до 50%).

Најважније, глобална алтернатива мотору са унутрашњим сагоревањем је већ стигла: електрични мотори и погонске јединице на горивне ћелије. Ако проналазачи иза ових егзотичних радозналости не реше своје техничке изазове врло ускоро, можда ће открити да тржиште више не чека на њих — електрична возила ће већ преузети пут.

Ово је превод. Оригинал можете прочитати овде: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html