เครื่องยนต์แปลกประหลาดที่ติดอยู่ในขอบของความก้าวหน้า

เครื่องยนต์แวงเคิล เครื่องยนต์สเตอร์ลิง และหน่วยขับเคลื่อนแบบเทอร์โบหลายประเภทไม่เคยเข้าสู่กระแสหลักของอุตสาหกรรมยานยนต์ บริษัทชื่อดังหลายแห่ง ตั้งแต่ Mazda ไปจนถึง GM จาก Mercedes ถึง Volvo ต่างทุ่มเทพัฒนามาหลายทศวรรษ บริษัทขนาดเล็กและนักประดิษฐ์อิสระก็ยังคงพยายามต่อไป แต่ท้ายที่สุดก็พบว่าแต่ละแบบเครื่องยนต์ทางเลือกต่างมีข้อบกพร่องมากกว่าที่คาดไว้มาก นั่นไม่ได้หมายความว่าการพัฒนาหน่วยขับเคลื่อนแบบไม่ธรรมดาเป็นสิ่งที่เป็นไปไม่ได้ ผู้ที่ชื่นชอบยังคงผลักดันแนวคิดต่าง ๆ ไปข้างหน้า และในที่นี้เราจะสำรวจแนวคิดเครื่องยนต์ที่แปลกใหม่ที่สุดที่เคยถูกสร้างขึ้น

เครื่องยนต์แบบแยกรอบ: สองกระบอกสูบ หนึ่งจังหวะกำลัง

นักออกแบบเครื่องยนต์บางรายสรุปว่าการผสมผสานแบบคลาสสิกของกระบอกสูบ ลูกสูบ ก้านสูบ และเพลาข้อเหวี่ยงได้พิสูจน์ตัวเองมากว่าหนึ่งศตวรรษแล้ว และการปรับปรุงเครื่องยนต์สันดาปภายในต้องการเพียงการปรับแต่งบางแง่มุมเท่านั้น ไม่ใช่การประดิษฐ์ใหม่ทั้งหมด ตัวอย่างแรกในรายการของเราคือเครื่องยนต์ที่พัฒนาโดยบริษัทอเมริกัน Scuderi Group ซึ่งยังคงใช้จังหวะดูด อัด กำลัง และคาย — แต่แยกออกเป็นสองกระบอกสูบที่แตกต่างกัน:

• กระบอกสูบเย็น (คอมเพรสเซอร์) — รับผิดชอบจังหวะดูดและอัด
• กระบอกสูบร้อน (ทำงาน) — รับผิดชอบจังหวะกำลังและคาย

ขณะที่แก๊สขยายตัวในกระบอกสูบทำงาน จังหวะดูดจะเกิดขึ้นในกระบอกสูบเย็นฝั่งคอมเพรสเซอร์ เมื่อกระบอกสูบทำงานคายแก๊สออก กระบอกสูบคอมเพรสเซอร์จะอัดแก๊ส เมื่อสิ้นสุดจังหวะอัด ลูกสูบทั้งสองเข้าใกล้จุดตายบน ส่วนผสมจะเดินทางผ่านช่องบายพาสจากกระบอกสูบเย็นไปยังกระบอกสูบร้อนและจุดระเบิด รอบการทำงานแบบแยกนี้ — ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วคือรอบออตโตที่ดัดแปลง — ได้รับสิทธิบัตรในปี 2549 และในปี 2552 Scuderi Group ได้สร้างเครื่องต้นแบบ Scuderi Split Cycle Engine

กระบอกสูบคอมเพรสเซอร์และกระบอกสูบทำงานสามารถมีเส้นผ่านศูนย์กลางและระยะชักลูกสูบที่แตกต่างกัน ทำให้สามารถปรับแต่งพารามิเตอร์ของเครื่องยนต์ได้อย่างยืดหยุ่น — ทำงานเหมือนอนาล็อกของรอบมิลเลอร์ที่มีการขยายแก๊สเพิ่มเติม หากเพิ่มสาขาที่มีวาล์วและขวดความดันสูงเข้าไปในช่องระหว่างกระบอกสูบ เครื่องยนต์สามารถกู้คืนพลังงานระหว่างการเบรกและนำไปใช้ระหว่างการเร่งความเร็วได้ อย่างไรก็ตาม ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา กิจกรรมของ Scuderi Group ยังคงจำกัดอยู่เพียงการสร้างต้นแบบและการจัดแสดงในงานแสดงสินค้า ผลประโยชน์ด้านประสิทธิภาพในโลกจริงยังไม่สามารถพิสูจน์ความซับซ้อนอันมากมายของการออกแบบนี้ได้

บริษัทโครเอเชีย Paut Motor ก็หันมาใช้รอบการทำงานแบบแยกเช่นกัน การออกแบบแบบเว้นระยะของพวกเขาดึงดูดความสนใจด้วยเหตุผลหลายประการ:

• ชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวน้อยกว่าเครื่องยนต์ทั่วไปอย่างมีนัยสำคัญ
• การสูญเสียแรงเสียดทานต่ำกว่า
• เสียงรบกวนขณะทำงานน้อยลง
• ขนาดกะทัดรัด: 500×440×440 มม. ที่ความจุ 7 ลิตร
• น้ำหนักประมาณ 135 กก. — ประมาณครึ่งหนึ่งของเครื่องยนต์แบบดั้งเดิมที่มีปริมาตรกระบอกสูบเท่ากัน

การไม่มีน้ำมันในอ่างน้ำมันเครื่องจำเป็นต้องมีถังน้ำมันหล่อลื่นภายนอก แต่ผู้ประดิษฐ์ถือว่านี่เป็นการแลกเปลี่ยนที่ยอมรับได้ มีการสร้างต้นแบบหลายชิ้น แม้ว่าจะไม่เคยมีการระบุกำลังเอาต์พุตสุดท้ายอย่างเป็นทางการ ต้นแบบชิ้นสุดท้ายถูกประกอบในปี 2554 และโครงการนี้ก็หยุดชะงักนับแต่นั้นมา

เครื่องยนต์สองจังหวะ Bonner: ความซับซ้อนสูงสุด เป้าหมายอันทะเยอทะยาน

เครื่องยนต์สองจังหวะ Bonner (ตั้งชื่อตามผู้สนับสนุน Bonner Motor) ถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี 2549 ในสหรัฐอเมริกา โดย Walter Schmid และมีความซับซ้อนทางกลไกยิ่งกว่าเดิม เช่นเดียวกับ Paut Motor กระบอกสูบของมันถูกจัดเรียงในรูปแบบ X และเพลาข้อเหวี่ยงทำการเคลื่อนที่แบบดาวเคราะห์ผ่านระบบเฟือง คุณสมบัติหลักได้แก่:

• วาล์วที่ก้นกระบอกสูบและวาล์วแบบสปูลหมุนในตัวมอเตอร์สำหรับการจ่ายแก๊ส
• ลูกสูบภายนอกที่สามารถเลื่อนเล็กน้อยภายใต้แรงดันน้ำมันเพื่อให้มีอัตราส่วนการอัดแบบแปรผัน
• อัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักสูงเป็นเป้าหมายหลักของการออกแบบ

ในทางทฤษฎี เครื่องยนต์ Bonner ดูน่าสนใจมาก แต่ในทางปฏิบัติ ยังไม่มีข่าวสำคัญใดออกมาจากโครงการนี้มาหลายปีแล้ว — ดูเหมือนว่ามันไม่ได้ตรงตามความคาดหวัง

เครื่องยนต์แบบแกนหมุน: กระบอกสูบที่เรียงกันเหมือนปืนลูกโม่

นักประดิษฐ์คนอื่น ๆ ยังคงใช้รอบการทำงานของเครื่องยนต์สันดาปภายในไว้ แต่จินตนาการใหม่ถึงการจัดวางชิ้นส่วนทางกายภาพ เครื่องยนต์แบบแกนหมุนซึ่งมีอยู่มากกว่าหนึ่งศตวรรษเป็นตัวอย่างที่ดี มีความแตกต่างในรายละเอียดแต่มีหลักการร่วมกัน: กระบอกสูบถูกจัดเรียงเหมือนกระสุนในถังปืนลูกโม่ที่มีแกนร่วมกับเพลาส่งออก กลไกต่าง ๆ เช่น หมุดเอียงและแหวนเรียว แปลงการเคลื่อนที่แบบลูกสูบให้เป็นการหมุนของเพลา

โครงการ Duke Engines จากนิวซีแลนด์เป็นหนึ่งในตัวอย่างที่น่าสังเกต: เครื่องยนต์สี่จังหวะแบบแกนหมุนห้ากระบอกสูบที่มีความจุ 3 ลิตร เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องยนต์ทั่วไปที่มีความจุเท่ากัน เครื่องยนต์ Duke มีข้อดีดังนี้:

• น้ำหนักเบากว่า 19%
• ขนาดกะทัดรัดกว่า 36%
• ศักยภาพในการประยุกต์ใช้ที่หลากหลายในภาคยานยนต์ ทางทะเล และการบิน

มีการให้คำมั่นสัญญาอย่างทะเยอทะยานเกี่ยวกับการนำไปใช้อย่างแพร่หลาย — แต่ความฝันในการพิชิตโลกก็ยังคงเป็นเพียงความฝัน

เครื่องยนต์ RadMax โดยบริษัทแคนาดา Reg Technologies นำแนวคิดแบบแกนหมุนไปอีกขั้น แทนที่จะใช้กระบอกสูบแยกกัน ห้องโดยสารสิบสองห้องถูกสร้างขึ้นภายในถังร่วมโดยใช้ใบมีดบาง แผ่นที่ติดตั้งในร่องโรเตอร์เคลื่อนที่ตามใบมีดเหล่านั้นขณะที่โรเตอร์หมุน และพื้นผิวโค้งที่ปลายถังกำหนดวิถีของใบมีดและควบคุมการแลกเปลี่ยนแก๊ส ลักษณะเด่นที่น่าสังเกต:

• รองรับเชื้อเพลิงหลายประเภท แม้ว่าดีเซลจะเป็นจุดสนใจแรก
• ต้นแบบปี 2546 มีขนาดเพียง 152 มม. ทั้งเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาว แต่ให้กำลัง 42 แรงม้า — มากกว่าเครื่องยนต์ทั่วไปที่มีขนาดเท่ากันมาก
• ต้นแบบรุ่นหลังรายงานว่าให้กำลังถึง 127 แรงม้า และ 380 แรงม้า

แม้จะมีตัวเลขที่น่าสัญญาเหล่านี้ กิจกรรมทั้งหมดของ RadMax ดูเหมือนจะยังอยู่ในขั้นทดลอง

เครื่องยนต์แบบทอรอยด์: เมื่อกระบอกสูบกลายเป็นโดนัท

VGT Engine (Variable Geometry Toroidal Engine) จากบริษัทแคนาดา VGT Technologies ที่ปิดกิจการไปแล้ว เป็นอีกกรณีศึกษาที่ทฤษฎีดีกว่าการปฏิบัติ เครื่องยนต์ที่ทดสอบครั้งแรกในปี 2548 แทนที่กระบอกสูบทั่วไปด้วยทอรอยด์ — ห้องรูปโดนัท — ซึ่งภายในมีโรเตอร์พร้อมลูกสูบสองตัวที่ต่ออยู่หมุนอยู่

แผ่นดิสก์กระจายแบบบางที่มีช่องตัดสำหรับลูกสูบหมุนผ่านทอรอยด์ด้วยสายพาน จำกัดส่วนผสมเชื้อเพลิงและอากาศระหว่างการอัดและจังหวะกำลัง ในปี 2552 ผู้ประกอบการอเมริกัน Gary Kelley และ Rick Ivas ได้พัฒนาเครื่องยนต์ทอรอยด์อย่างอิสระซึ่งสะท้อนการออกแบบของแคนาดาอย่างใกล้ชิด การประมาณการของพวกเขาชี้ให้เห็นว่าทอรอยด์เส้นผ่านศูนย์กลางครึ่งเมตรจะให้:

• 230 แรงม้า
• แรงบิดประมาณ 1,000 นิวตัน·เมตร
• ทั้งหมดนี้ที่รอบหมุนเพียง 1,050 รอบต่อนาที

บริษัทของพวกเขา Garric Engines ปัจจุบันแสดงเพียงข้อความสั้น ๆ บนเว็บไซต์ว่า: “ขอบคุณสำหรับความสนใจของคุณ หน้านี้อาจได้รับการอัปเดตในอนาคต”

เครื่องยนต์แบบนูเทติ้ง: จานหมุนแทนลูกสูบ

ชะตากรรมที่ดีกว่าเล็กน้อยอาจรอ เครื่องยนต์แบบนูเทติ้ง ที่ประดิษฐ์โดย Leonard Meyer ชาวอเมริกันในปี 2549 — อย่างน้อยก็มีการสร้างสำเนาที่ใช้งานได้จริงหลายชุด ชื่อนี้มาจากภาษาละตินว่า nutatio (การพยักหน้าหรือการส่าย) การออกแบบของ Meyer สร้างห้องทำงานสี่ห้องที่มีปริมาตรแปรผันระหว่างตัวมอเตอร์และจานที่นูเทต (สั่นไหว) ไปมา ทำหน้าที่เป็นลูกสูบ จานถูกตัดครึ่งตามเส้นผ่านศูนย์กลางและร้อยผ่านเพลาส่งออกรูปตัว Z โดยช่องทางและวาล์วในตัวเครื่องจัดการการแลกเปลี่ยนแก๊ส

ต้นแบบถูกสร้างโดย Baker Engineering และบริษัทในเครือ Kinetic BEI ด้วยผลลัพธ์ที่น่าประทับใจ:

• จานเดี่ยวขนาด 102 มม.: 7 แรงม้า
• จานคู่ขนาด 203 มม.: 120 แรงม้า
• ขนาดเครื่องยนต์สองจาน: ความยาว 500 มม. เส้นผ่านศูนย์กลาง 300 มม. ความจุ 3.8 ลิตร
• อัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนัก: 2.5–3 แรงม้า/กก. เทียบกับ 1–2 แรงม้า/กก. สำหรับเครื่องยนต์สูดอากาศตามธรรมชาติที่ผลิตจำนวนมาก

กำลังเฉพาะต่อลิตรน้อยประทับใจน้อยกว่า แต่ความหนาแน่นของกำลังนั้นน่าสังเกต Baker และ Kinetic ดูเหมือนจะปรับปรุงการออกแบบอยู่ แม้ว่ากิจกรรมบนเว็บไซต์ของพวกเขาจะยังคงจำกัด

LiquidPiston: เครื่องยนต์แวงเคิลที่พลิกกลับด้านใน

แนวคิดเครื่องยนต์โรตารียังคงดึงดูดนักประดิษฐ์ ราวกับว่าการหันเหออกจากการจัดเรียงลูกสูบและกระบอกสูบแบบคุ้นเคยนั้นสัญญาถึงประสิทธิภาพที่ดีกว่าโดยธรรมชาติ Nikolay Shkolnik วิศวกรชาวโซเวียตเดิมที่ย้ายมาอยู่ที่สหรัฐอเมริกา และ Alexander ลูกชายของเขา ได้พัฒนาเครื่องยนต์ที่มีลักษณะคล้ายกับเครื่องยนต์แวงเคิลที่พลิกกลับด้านใน โรเตอร์รูปถั่วลิสงหมุนอยู่ภายในห้องรูปสามเหลี่ยม — รูปทรงพื้นฐานเดียวกับแวงเคิล — แต่สิ่งสำคัญคือซีลถูกยึดกับผนังห้องแทนที่จะเป็นโรเตอร์

ตระกูล Shkolnik ก่อตั้ง LiquidPiston เพื่อพัฒนาแนวคิด โดยดึงดูดเงินทุนร่วมจาก DARPA สำหรับการใช้งานที่อาจเกิดขึ้นใน:

• อากาศยานเบาและโดรน
• เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบพกพา
• ระบบส่งกำลังสำหรับยานยนต์ไฮบริด

ต้นแบบขนาด 23 ลูกบาศก์เซนติเมตรสามารถบรรลุประสิทธิภาพความร้อน 20% แล้ว — น่าประทับใจสำหรับระดับความจุนั้น ทีมงานกำลังมุ่งเป้าไปที่ต้นแบบดีเซลที่มีน้ำหนักประมาณ 13 กก. และให้กำลัง 40 แรงม้า โดยคาดว่าประสิทธิภาพความร้อนจะสูงถึง 45%

เครื่องยนต์แบบลูกสูบแกว่ง: การทำให้เป็นรูปสี่เหลี่ยม

เครื่องยนต์สุดท้ายในการทบทวนของเราพิสูจน์ว่าความดึงดูดใจของหน่วยที่แบนและกะทัดรัดนั้นเป็นจริง — และโรเตอร์ไม่ใช่หนทางเดียวที่จะบรรลุมันได้ เครื่องยนต์แบบลูกสูบแกว่งของ Pivotal Engineering เพียงแค่ทำให้ลูกสูบแบบดั้งเดิมเป็นรูปสี่เหลี่ยม ทำให้กระบอกสูบมีรูปสี่เหลี่ยมเมื่อมองจากด้านบน การออกแบบสองจังหวะนี้มีมาหลายปีแล้ว ซึ่งในระหว่างนั้นต้นแบบจำนวนหนึ่งได้ขับเคลื่อนทั้งรถจักรยานยนต์และอากาศยาน

บริษัทมุ่งเป้าหมายหลักที่การประยุกต์ใช้ด้านการบิน และการออกแบบมีข้อได้เปรียบที่แท้จริงบางประการ:

• อัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักและกำลังต่อขนาดสูง
• ศักยภาพการอัดอากาศแบบบังคับที่ยอดเยี่ยม โดยเปิดใช้งานผ่านช่องระบายความร้อนด้วยของเหลวที่ผ่านแกนคงที่ของลูกสูบ — สิ่งที่ทำได้ยากในสถาปัตยกรรมเครื่องยนต์ทั่วไป
• รูปแบบแบน เนื่องจากโรเตอร์สี่เหลี่ยมสามารถทำให้บางมากได้

แนวคิดเครื่องยนต์แปลกใหม่อื่น ๆ ที่ควรรู้จัก

มีการออกแบบเครื่องยนต์แปลกใหม่ที่น่าทึ่งมากมายนอกเหนือจากที่กล่าวถึงที่นี่ ขอกล่าวถึงบางส่วน:

• เครื่องยนต์แวงเคิล 12 โรเตอร์ — นำแนวคิดโรตารีของ Mazda ไปสู่ขีดสุด
• เครื่องยนต์วาล์วปลอก Knight — การออกแบบอายุหนึ่งศตวรรษที่เคยแข่งขันกับวาล์วแบบกลีบดอกไม้ได้ในช่วงสั้น ๆ
• เครื่องยนต์ลูกสูบตรงข้าม — ลูกสูบสองตัวในกระบอกสูบเดียว ไม่มีหัวกระบอกสูบ
• เครื่องยนต์อัตราส่วนการอัดแปรผัน — ช่วยให้ปรับการอัดแบบเรียลไทม์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพตามสภาพโหลด
• เครื่องยนต์ห้าจังหวะ — เพิ่มกระบอกสูบขยายตัวเฉพาะเพื่อดึงพลังงานจากแก๊สเผาไหม้ได้มากขึ้น
• เครื่องยนต์แบบใบมีดโรตารี — ที่ชิ้นส่วนโรเตอร์เคลื่อนที่เหมือนใบมีดกรรไกรที่บรรจบและแยกออกจากกัน

ทำไมเครื่องยนต์ทางเลือกถึงไม่เข้าสู่การผลิตจำนวนมาก?

แม้แต่การสำรวจโดยย่อของการออกแบบเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบไม่ธรรมดาก็เผยให้เห็นรูปแบบที่น่าตกใจ: แนวคิดที่ชาญฉลาดนับสิบ แต่ยานยนต์ที่ผลิตจำนวนมากมีน้อยมาก อุปสรรคที่เกิดขึ้นซ้ำ ๆ มีความสม่ำเสมอ:

• การสึกหรอของซีล — การออกแบบโรตารีมักล้มเหลวเนื่องจากการเสื่อมสภาพของซีลยอดตามกาลเวลา
• แรงกลสลับทิศทาง — แนวคิดใบมีดโรตารีมีปัญหาความล้าที่จุดเชื่อมต่อระหว่างใบมีดและเพลา
• ความซับซ้อนในการผลิต — รูปทรงที่แปลกใหม่มีราคาแพงและยากต่อการผลิตในระดับที่ใหญ่ขึ้น
• ความน่าเชื่อถือและอายุการใช้งาน — เครื่องยนต์แบบไม่ธรรมดาไม่ค่อยสามารถเทียบเคียงบันทึกความทนทานของเครื่องยนต์ลูกสูบแบบดั้งเดิมที่ได้รับการพัฒนามากกว่า 100 ปี

เหตุผลที่สองที่เครื่องยนต์ทางเลือกดิ้นรนคือเทคโนโลยีเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบธรรมดาไม่ได้หยุดนิ่ง เครื่องยนต์เบนซินล่าสุดที่ใช้รอบมิลเลอร์สามารถบรรลุประสิทธิภาพความร้อนสูงถึง 40% แม้ไม่มีเทอร์โบชาร์จ — ตัวเลขที่น่าทึ่ง เมื่อพิจารณาว่าเครื่องยนต์เบนซินส่วนใหญ่ทำได้เพียง 20–30% และเครื่องยนต์ดีเซล 30–40% (โดยดีเซลทางทะเลขนาดใหญ่สูงถึง 50%)

ที่สำคัญที่สุด ทางเลือกระดับโลกสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายในได้มาถึงแล้ว: มอเตอร์ไฟฟ้า และ หน่วยพลังงานเซลล์เชื้อเพลิง หากนักประดิษฐ์เบื้องหลังสิ่งแปลกใหม่ที่น่าสงสัยเหล่านี้ไม่สามารถแก้ปัญหาทางเทคนิคได้เร็ว ๆ นี้ พวกเขาอาจพบว่าไม่มีตลาดรอคอยพวกเขาอีกต่อไป — ยานยนต์ไฟฟ้าจะเข้าครอบครองถนนไปเสียแล้ว

นี่คือบทความแปล คุณสามารถอ่านต้นฉบับได้ที่นี่: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html