Konstiga Motorer Fast i Teknikutvecklingens Utkant

Wankelmotorn, Stirlingmotorn och olika typer av turboaggregat tog sig aldrig in i bilbranschens mainstream. Ett antal välkända företag — från Mazda till GM, från Mercedes till Volvo — arbetade med dem i decennier. Även små företag och enskilda uppfinnare kämpade vidare. Ändå visade det sig att varje alternativ konstruktion dolde betydligt fler fallgropar än man från början förväntat sig. Det betyder inte att utveckling av okonventionella kraftaggregat är omöjlig. Entusiaster fortsätter att driva fram nya idéer, och här utforskar vi några av de mest exotiska motorkoncept som någonsin byggts.

Delade Cykelmotorer: Två Cylindrar, Ett Kraftslag

Vissa motorkonstruktörer drog slutsatsen att den klassiska kombinationen av cylinder, kolv, vevstake och vevaxel har bevisat sitt värde under mer än ett sekel — och att förbättring av förbränningsmotorer enbart kräver justeringar av vissa aspekter snarare än att uppfinna hjulet på nytt. Det första exemplet på vår lista är motorn utvecklad av det amerikanska företaget Scuderi Group, som behåller de klassiska insugnings-, komprimerings-, kraft- och avgastakterna — men delar upp dem över två separata cylindrar:

• Kall (kompressor) cylinder — hanterar insugning och komprimering
• Varm (arbets) cylinder — hanterar kraftslaget och avgasning

Medan gasen expanderar i arbetscylindern sker ett insugningsslag i den kalla kompressorcylindern. När arbetscylindern avgasar komprimerar kompressorcylindern. I slutet av kompressionsslaget närmar sig båda kolvarna sina övre dödpunkter, blandningen färdas genom en förbikopplingskanal från den kalla cylindern till den varma och antänds. Denna delade cykel — i grunden en modifierad Ottocykel — patenterades 2006, och 2009 byggde Scuderi Group prototypen Scuderi Split Cycle Engine.

Kompressor- och arbetscylindrarna kan ha olika diametrar och kolvslag, vilket gör det möjligt att flexibelt justera motorparametrar — som en analog till Millercykeln med ytterligare gasexpansion. Lägg till en gren med ventiler och en högtrycksflaska till kanalen mellan cylindrarna, och motorn kan återvinna energi vid bromsning och utnyttja den vid acceleration. Under ett antal år har dock Scuderi Groups verksamhet begränsats till prototyper och mässuppträdanden. Verkliga effektivitetsvinster har ännu inte motiverat konstruktionens avsevärda komplexitet.

Det kroatiska företaget Paut Motor vände sig också till den delade arbetscykeln. Deras fördelade konstruktion väckte uppmärksamhet av flera skäl:

• Betydligt färre rörliga delar än konventionella motorer
• Lägre friktionsförluster
• Reducerat driftsljud
• Kompakta mått: 500×440×440 mm vid 7 liters volym
• Vikt på cirka 135 kg — ungefär hälften av en traditionell motor med samma slagvolym

Avsaknaden av olja i vevhuset kräver en extern smörjoljetank, men uppfinnarna ansåg detta vara en acceptabel kompromiss. Flera prototyper byggdes, men den slutliga effekten fastställdes aldrig officiellt. Den sista prototypen monterades 2011, och projektet har sedan dess stannat av.

Bonner Tvåtaktsmotorn: Maximal Komplexitet, Ambitiösa Mål

Bonner tvåtaktsmotorn (uppkallad efter sin sponsor, Bonner Motor) uppfanns 2006 i USA av Walter Schmid och driver den mekaniska komplexiteten ännu längre. Liksom Paut Motor är dess cylindrar arrangerade i X-konfiguration, och vevaxeln utför en planetrörelse via ett kugghjulssystem. Viktiga egenskaper inkluderar:

• Ventiler i cylinderbottnar och roterande spoleventiler i motorhuset för gasfördelning
• Externa kolvar som kan förskjutas något under oljetryck för att ge ett variabelt kompressionsförhållande
• Högt effekt-till-viktförhållande som primärt konstruktionsmål

I teorin ser Bonnermotorn lovande ut. I praktiken har dock inga betydande nyheter kommit från projektet på flera år — uppenbarligen har det inte motsvarat förväntningarna.

Axialmotorer: Cylindrar Arrangerade som i en Revolver

Andra uppfinnare behöll förbränningsmotorns arbetscykler intakta men nytänkte den fysiska layouten av dess komponenter. Axialmotorer, som har funnits i över ett sekel, är ett utmärkt exempel. De varierar i detaljer men delar en gemensam princip: cylindrarna är arrangerade som patroner i ett revolvertrumma, koaxialt med utdrivningsaxeln. Olika mekanismer — såsom lutande stift och koniska brickor — omvandlar kolvens fram-och-tillbaka-rörelse till axelrotation.

Projektet Duke Engines från Nya Zeeland är en anmärkningsvärd variant: en femcylindrig, fyrtakts axialmotor med 3 liters slagvolym. Jämfört med en konventionell motor med samma kapacitet erbjöd Duke-aggregatet:

• 19 % lägre vikt
• 36 % mer kompakt packning
• Mångsidiga användningsmöjligheter inom bil-, marin- och flygsektorn

Ambitiösa löften gjordes om dess utbredda användning — men drömmarna om att erövra världen förblev drömmar.

RadMax-motorn av det kanadensiska företaget Reg Technologies tar axialkonceptet ännu längre. Istället för diskreta cylindrar bildas ett dussintal fack inuti ett gemensamt trumma med hjälp av tunna blad. Plattor monterade i rotorspår rör sig längs dem när rotorn snurrar, och böjda ytor i trummans ändar definierar bladbanor och styr gasutbytet. Anmärkningsvärda egenskaper:

• Kompatibel med flera bränsletyper, även om diesel var det initiala fokuset
• En prototyp från 2003 mätte bara 152 mm i både diameter och längd men producerade 42 hästkrafter — långt mer än en konventionell motor av motsvarande storlek
• Senare prototyper uppges ha nått 127 hk och 380 hk

Trots dessa lovande siffror verkar all RadMax-aktivitet förbli på experimentstadiet.

Toroidalmotorer: När Cylindern Blir en Munk

VGT-motorn (Variable Geometry Toroidal Engine) från det numera nedlagda kanadensiska företaget VGT Technologies är ytterligare ett exempel på när teorin överpresterar i förhållande till praktiken. Motorn, som testades första gången 2005, ersätter den konventionella cylindern med en toroid — ett munkformigt kammare — inuti vilken en rotor med ett par fästa kolvar roterar.

En tunn fördelningsskiva med ett utskärning för kolvarna roterar tvärs toroiden via ett remtransmission och begränsar bränsle-luftblandningen under komprimering och kraftslaget. År 2009 utvecklade de amerikanska entreprenörerna Gary Kelley och Rick Ivas oberoende av varandra en toroidal motor som nära speglade den kanadensiska konstruktionen. Deras uppskattningar antydde att en halvmeters diameter toroid skulle leverera:

• 230 hästkrafter
• Cirka 1 000 N·m vridmoment
• Allt vid bara 1 050 rpm

Deras företag, Garric Engines, visar nu bara ett stubbmeddelande på sin webbplats: “Tack för ditt intresse. Sidan kan komma att uppdateras i framtiden.”

Nutationsmotorn: Snurrande Skivor Istället för Kolvar

Ett något mer lovande öde kan vänta nutationsmotorn uppfunnen av amerikanen Leonard Meyer 2006 — åtminstone har flera fungerande exemplar byggts. Namnet härstammar från latinets nutatio (nickande eller vickande). Meyers konstruktion bildar fyra arbetskammare med variabel volym mellan motorhuset och en skiva som nuterar (vickar) från sida till sida och fungerar som kolv. Skivan är skuren på mitten längs sin diameter och trädad på en Z-formad utdrivningsaxel, med kanaler och ventiler i huset som hanterar gasutbytet.

Prototyper byggdes av Baker Engineering och dess systerföretag Kinetic BEI, med imponerande resultat:

• Enkel 102 mm skiva: 7 hk
• Dubbla 203 mm skivor: 120 hk
• Tvåskivsmotorns mått: 500 mm längd, 300 mm diameter, 3,8 liters slagvolym
• Effekt-till-viktförhållande: 2,5–3 hk/kg jämfört med 1–2 hk/kg för seriellt tillverkade sugmotorer

Literspecifik effekt är mindre imponerande, men effekttätheten är anmärkningsvärd. Baker och Kinetic verkar förfina konstruktionen, även om aktiviteten på deras webbplatser förblir begränsad.

LiquidPiston: Wankelmotorn Vriden Ut och In

Roterande motorkoncept fortsätter att fascinera innovatörer, som om ett avsteg från den välbekanta kolv-och-cylinder-arrangemanget i sig lovar bättre prestanda. Nikolaj Sjkolnik, en tidigare sovjetisk ingenjör som flyttade till USA, och hans son Alexander utvecklade en motor som liknar Wankelmotorn vriden ut och in. En jordnötsformad rotor snurrar inuti en triangulär kammare — samma grundgeometri som Wankeln — men avgörande nog är tätningarna fastgjorda på kammarväggarna snarare än på rotorn.

Sjkolnikarna grundade LiquidPiston för att utveckla konceptet och attraherade medfinansiering från DARPA för potentiell användning i:

• Lätta flygplan och drönare
• Bärbara kraftgeneratorer
• Hybridfordons drivlinor

En prototyp på 23 cm³ uppnår redan 20 % termisk verkningsgrad — imponerande för den slagvolymsklassen. Teamet siktar nu på en dieselprototyp som väger cirka 13 kg och producerar 40 hk, med projicerad termisk verkningsgrad som stiger till 45 %.

Svängkolvsmotorn: Kvadratisk Form

Den sista motorn i vår genomgång bevisar att attraktionskraften hos en platt, kompakt enhet är verklig — och att rotorer inte är den enda vägen dit. Pivotal Engineerings svängkolvs motor kvadrerar helt enkelt den traditionella kolven, vilket gör cylindern rektangulär sett ovanifrån. Denna tvåtaktsdesign har funnits i flera år, under vilka ett antal prototyper drivit både motorcyklar och flygplan.

Företaget riktar sig primärt mot flygtillämpningar, och konstruktionen erbjuder vissa verkliga fördelar:

• Höga effekt-till-vikt- och effekt-till-storleksförhållanden
• Utmärkt potential för turboladdning, möjliggjord av en vätskekylningskanal som löper genom kolvens fasta axel — en svår bedrift i konventionella motorarkitekturer
• Platt formfaktor, eftersom den kvadratiska rotorn kan göras mycket tunn

Andra Exotiska Motorkoncept Värda att Känna Till

Det finns många anmärkningsvärda exotiska motorkonstruktioner utöver dem som tas upp här. Några hedersomnämnanden:

• 12-rotors Wankelmotor — tar Mazdas rotationskoncept till det extrema
• Knight hylsventilmotor — en hundra år gammal konstruktion som kortvarigt rivaliserade med tallriksventilen
• Motliggande kolvmotorer — två kolvar delar en enda cylinder, utan cylinderlock
• Motorer med variabelt kompressionsförhållande — möjliggör realtidsjustering av kompression för att optimera verkningsgraden under olika lastförhållanden
• Femtaktsmotorer — lägger till en dedikerad expansionscylinder för att utvinna mer arbete från förbränningsgaserna
• Rotorbladsmotorer — där rotorkomponenter rör sig som konvergerande och divergerande saxblad

Varför Når Alternativa Motorer Inte Serieproduktion?

Även en kortfattad genomgång av okonventionella förbränningsmotorkonstruktioner avslöjar ett slående mönster: dussintals kloka idéer, mycket få produktionsfordon. De återkommande hindren är konsekventa:

• Tätningsslitage — roterande konstruktioner misslyckas ofta på grund av degradering av topplägestätningar över tid
• Växlande mekaniska belastningar — rotorbladsbaserade koncept drabbas av utmattning vid anslutningen mellan blad och axel
• Tillverkningskomplexitet — exotiska geometrier är dyra och svåra att producera i stor skala
• Tillförlitlighet och livslängd — okonventionella motorer matchar sällan hållbarhetsrekorden hos traditionella kolvmotorer som förfinats under 100+ år

Det andra skälet till att alternativa motorer har svårt att slå igenom är att konventionell förbränningsmotorteknik inte stått stilla. De senaste bensinmotorerna som använder Millercykeln uppnår termisk verkningsgrad på upp till 40 % även utan turboladdning — en anmärkningsvärd siffra, med tanke på att de flesta bensinmotorer bara klarar 20–30 %, och dieselmotorer 30–40 % (där stora marina dieselmotorer når upp till 50 %).

Viktigast av allt: det globala alternativet till förbränningsmotorn har redan kommit: elmotorer och bränslecellsaggregat. Om uppfinnarna bakom dessa exotiska kuriosum inte löser sina tekniska utmaningar mycket snart kan de upptäcka att det inte längre finns någon marknad som väntar på dem — elfordon kommer redan ha tagit vägen.

Detta är en översättning. Du kan läsa originalet här: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html