İlerlemenin Kıyısında Sıkışıp Kalan Tuhaf Motorlar

Wankel motoru, Stirling motoru ve çeşitli türbo güç üniteleri hiçbir zaman otomotiv ana akımına giremedi. Mazda’dan GM’e, Mercedes’ten Volvo’ya kadar pek çok tanınmış şirket bunlar üzerinde on yıllarca çalıştı. Küçük firmalar ve bireysel mucitler de pes etmedi. Ne var ki her alternatif tasarımın başlangıçta beklenenden çok daha fazla tuzak barındırdığı ortaya çıktı. Bu durum, alışılmışın dışındaki güç ünitelerinin geliştirilmesinin imkânsız olduğu anlamına gelmiyor. Meraklılar farklı fikirleri ilerlетmeye devam ediyor; biz de şimdiye kadar inşa edilmiş en egzotik motor kavramlarından bazılarını bu yazıda ele alıyoruz.

Bölünmüş Çevrimli Motorlar: İki Silindir, Tek Güç Stroku

Bazı motor tasarımcıları, silindir, piston, biyel kolu ve krank milinin klasik kombinasyonunun yüz yılı aşkın bir süredir kendini kanıtladığı ve içten yanmalı motorları geliştirmenin sıfırdan yeniden icat etmek yerine yalnızca belirli yönlerin ince ayarını gerektirdiği sonucuna vardı. Listemizin ilk örneği, Amerikalı şirket Scuderi Group tarafından geliştirilen ve klasik emme, sıkıştırma, güç ve egzoz strokunu koruyan ancak bunları iki ayrı silindire bölen motordur:

• Soğuk (kompresör) silindir — emme ve sıkıştırmayı üstlenir
• Sıcak (çalışma) silindir — güç strokunu ve egzozu üstlenir

Çalışma silindirinde gaz genişlerken soğuk kompresör silindirinde emme stroku gerçekleşir. Çalışma silindiri egzozu yaparken kompresör silindiri sıkıştırır. Sıkıştırma strokun sonunda her iki piston da üst ölü merkezlerine yaklaşır; karışım bir atlama kanalından soğuk silindirden sıcak olana geçer ve ateşlenir. Özünde değiştirilmiş bir Otto çevrimi olan bu bölünmüş çevrim 2006 yılında patentlendi; 2009’da ise Scuderi Group pilot Scuderi Split Cycle Engine‘i inşa etti.

Kompresör ve çalışma silindirleri farklı çaplara ve piston strok uzunluklarına sahip olabilir; bu da motor parametrelerini esnek biçimde ayarlamayı mümkün kılar ve ek gaz genişlemesiyle Miller çevriminin bir analogu işlevi görür. Silindirler arasındaki kanala valfler ve yüksek basınçlı bir tüp eklendiğinde motor frenleme sırasında enerji geri kazanabilir ve ivmelenme sırasında bu enerjiyi kullanabilir. Ancak Scuderi Group, uzun yıllardır faaliyetlerini prototip ve fuar katılımlarıyla sınırlı tutmaktadır. Gerçek dünyadaki verimlilik kazanımları tasarımın kayda değer karmaşıklığını henüz haklı kılamamıştır.

Hırvat şirketi Paut Motor da bölünmüş çalışma çevrimine yöneldi. Aralıklı tasarımları birkaç nedenden ötürü dikkat çekti:

• Geleneksel motorlara kıyasla belirgin biçimde daha az hareketli parça
• Daha düşük sürtünme kayıpları
• Azaltılmış çalışma gürültüsü
• Kompakt boyutlar: 7 litrelik kapasite için 500×440×440 mm
• Yaklaşık 135 kg ağırlık — aynı hacimli geleneksel bir motorun yaklaşık yarısı

Krank kutusunda yağ bulunmaması harici bir yağlama tankı gerektirmektedir; ancak mucitler bunu kabul edilebilir bir takas olarak değerlendirdi. Birkaç prototip inşa edildi; nihai güç çıkışı ise hiçbir zaman resmi olarak belirlenmedi. Son prototip 2011 yılında monte edildi ve proje o tarihten bu yana durma noktasına geldi.

Bonner İki Zamanlı Motor: Azami Karmaşıklık, İddialı Hedefler

Bonner iki zamanlı motoru (adını sponsoru Bonner Motor’dan almaktadır), 2006 yılında Amerika Birleşik Devletleri’nde Walter Schmid tarafından icat edilmiş ve mekanik karmaşıklığı daha da ileri götürmüştür. Paut Motor gibi silindirler X düzeninde yerleştirilmiştir ve krank mili bir dişli sistemi aracılığıyla gezegensel bir hareket gerçekleştirir. Temel özellikler şunlardır:

• Gaz dağılımı için silindir tabanlarındaki valfler ve motor gövdesindeki döner makaralı valfler
• Değişken sıkıştırma oranı sağlamak amacıyla yağ basıncı altında hafifçe kayabilen dış pistonlar
• Birincil tasarım hedefi olarak yüksek güç-ağırlık oranı

Teoride Bonner motoru cazip görünmektedir. Uygulamada ise projeden yıllardır önemli bir haber gelmemektedir; görünüşe göre beklentileri karşılayamamıştır.

Eksenel Motorlar: Revolver Gibi Dizilmiş Silindirler

Diğer mucitler içten yanmalı motorun çalışma çevrimlerini olduğu gibi korudu; ancak bileşenlerinin fiziksel düzenini yeniden tasarladı. Yüz yılı aşkın bir geçmişe sahip olan eksenel motorlar bunun en güzel örneğidir. Ayrıntılarda farklılık gösterse de ortak bir ilkeyi paylaşırlar: silindirler, çıkış miliyle eş eksenli olacak şekilde bir revolver tamburundaki kovanlar gibi dizilir. Eğik pimler ve konik rondelalar gibi çeşitli mekanizmalar pistonların ileri-geri hareketini mil rotasyonuna dönüştürür.

Yeni Zelanda’dan Duke Engines projesi dikkat çekici bir örnek: 3 litrelik hacme sahip beş silindirli, dört zamanlı bir eksenel motor. Aynı kapasitedeki geleneksel bir motorla karşılaştırıldığında Duke ünitesi şunları sunuyordu:

• %19 daha düşük ağırlık
• %36 daha kompakt paketleme
• Otomotiv, denizcilik ve havacılık sektörlerinde çok yönlü uygulama potansiyeli

Geniş çaplı benimseneceğine dair iddialı vaatler yapıldı; ancak dünyayı fethetme hayalleri hayal olarak kaldı.

Kanadalı şirket Reg Technologies’in RadMax motoru eksenel konsepti daha da ileriye taşımaktadır. Ayrı silindir kullanmak yerine ince kanatçıklar aracılığıyla ortak bir tambur içinde düzinelerce bölme oluşturulur. Rotor yuvalarına yerleştirilmiş plakalar, rotor dönerken bu kanatçıklar boyunca hareket eder; tambur uçlarındaki kavisli yüzeyler kanatçık yörüngelerini belirler ve gaz değişimini kontrol eder. Öne çıkan özellikler:

• Birden fazla yakıt türüyle uyumlu; ancak ilk odak noktası dizel yakıttı
• 2003 yılındaki bir prototip hem çapı hem de uzunluğu yalnızca 152 mm olmasına karşın 42 beygir gücü üretti — eşdeğer boyuttaki geleneksel bir motordan çok daha fazlası
• Sonraki prototiplerin 127 hp ve 380 hp’ye ulaştığı bildirildi

Bu umut verici rakamlara karşın tüm RadMax faaliyetleri deneysel aşamada kalmaya devam etmektedir.

Toroidal Motorlar: Silindir Bir Halka Olduğunda

Artık faaliyette olmayan Kanadalı şirket VGT Technologies’in VGT Motoru (Değişken Geometrili Toroidal Motor), teorinin pratiği geride bıraktığı bir diğer vaka çalışmasıdır. İlk kez 2005 yılında test edilen bu motor, geleneksel silindirin yerine bir toroid — halka şeklinde bir kamara — kullanır; bu kamaranın içinde bir çift pistonun bağlı olduğu bir rotor döner.

Pistonlar için bir kesim içeren ince bir dağıtım diski, bir kayış tahrik sistemi aracılığıyla toroid boyunca dönerek sıkıştırma ve güç stroku sırasında yakıt-hava karışımını kısıtlar. 2009 yılında Amerikalı girişimciler Gary Kelley ve Rick Ivas, Kanada tasarımını büyük ölçüde yansıtan bir toroidal motoru bağımsız olarak geliştirdi. Tahminlerine göre yarım metre çapındaki bir toroid şunları sağlayacaktı:

• 230 beygir gücü
• Yaklaşık 1.000 N·m tork
• Tüm bunlar yalnızca 1.050 d/d’de

Şirketleri Garric Engines, web sitesinde yalnızca şu kısa mesajı göstermektedir: “İlginiz için teşekkür ederiz. Sayfa ilerleyen zamanlarda güncellenebilir.”

Nütasyon Motoru: Pistonlar Yerine Dönen Diskler

2006 yılında Amerikalı Leonard Meyer tarafından icat edilen nütasyon motorunu daha umut verici bir kader bekliyor olabilir — en azından birkaç çalışır kopya inşa edilmiştir. Adını Latince nutatio (başını sallama veya sallanma) kelimesinden almaktadır. Meyer’in tasarımı, motor gövdesi ile piston işlevi gören ve bir yandan öte yana nüte eden (sallanan) bir disk arasında değişken hacimli dört çalışma bölmesi oluşturur. Disk, çapı boyunca ikiye bölünmüş olup Z şeklindeki çıkış miline geçirilmiştir; gövdedeki kanallar ve valfler gaz değişimini yönetir.

Prototipler Baker Engineering ve kardeş şirketi Kinetic BEI tarafından etkileyici sonuçlarla inşa edildi:

• Tek 102 mm disk: 7 hp
• Çift 203 mm disk: 120 hp
• İki diskli motor boyutları: 500 mm uzunluk, 300 mm çap, 3,8 litrelik hacim
• Güç-ağırlık oranı: seri üretim atmosferik motorların 1–2 hp/kg’ına karşılık 2,5–3 hp/kg

Litreye özgü çıkış daha az etkileyicidir; ancak güç yoğunluğu kayda değerdir. Baker ve Kinetic tasarımı geliştiriyor gibi görünmektedir; ne var ki web sitelerindeki aktivite sınırlı kalmaya devam etmektedir.

LiquidPiston: İçten Dışa Çevrilmiş Wankel Motoru

Döner motor kavramları, tanıdık piston-silindir düzenlemesinden uzaklaşmanın başlı başına daha iyi performans vaat ettiğini ima edercesine yenilikçileri büyülemeye devam etmektedir. Sovyetler Birliği’nden Amerika Birleşik Devletleri’ne göç eden eski Sovyet mühendisi Nikolay Shkolnik ve oğlu Alexander, Wankel motorunun içten dışa çevrilmiş hâlini andıran bir motor geliştirdi. Fıstık şeklindeki bir rotor üçgen bir kamaranın içinde döner — Wankel ile aynı temel geometri — ancak kritik fark olarak contalar rotora değil kamara duvarlarına sabitlenmiştir.

Shkolnikler konsepti geliştirmek üzere LiquidPiston‘ı kurdu ve DARPA’dan şu alanlardaki potansiyel kullanımlar için ortak finansman sağladı:

• Hafif hava araçları ve insansız hava araçları
• Taşınabilir güç jeneratörleri
• Hibrit araç güç aktarma organları

23 cm³’lük bir prototip halihazırda %20 termal verimlilik elde etmektedir — bu hacim sınıfı için etkileyici bir rakam. Ekip şu anda yaklaşık 13 kg ağırlığında ve 40 hp güç üreten, termal verimliliğin %45’e ulaşması öngörülen bir dizel prototip hedeflemektedir.

Sallanan Pistonlu Motor: Dörtgen Formla Buluşmak

İncelememizin son motoru, yassı ve kompakt bir ünitenin cazibesinin gerçek olduğunu ve rotorların bunu elde etmenin tek yolu olmadığını kanıtlıyor. Pivotal Engineering‘in sallanan pistonlu motoru, geleneksel pistonu basitçe dörtgen biçime sokar ve silindiri üstten bakışta dikdörtgen yapar. Bu iki zamanlı tasarım birkaç yıldır mevcuttur ve bu süre zarfında çok sayıda prototip hem motosikletlere hem de hava araçlarına güç sağlamıştır.

Şirket öncelikli olarak havacılık uygulamalarını hedeflemektedir ve tasarım gerçek bazı avantajlar sunmaktadır:

• Yüksek çıkış-ağırlık ve çıkış-boyut oranları
• Pistonun sabit ekseni boyunca uzanan sıvı soğutma kanalının sağladığı mükemmel zorlamalı emme potansiyeli — geleneksel motor mimarilerinde gerçekleştirilmesi güç bir yetenek
• Kare rotorun çok ince yapılabilmesi sayesinde yassı form faktörü

Bilmekte Fayda Olan Diğer Egzotik Motor Kavramları

Burada ele alınanların ötesinde pek çok dikkat çekici egzotik motor tasarımı mevcuttur. Öne çıkan birkaçı:

• 12 rotorlu Wankel motoru — Mazda’nın döner konseptini aşırıya taşıyan tasarım
• Knight manşonlu valf motoru — bir asır öncesine dayanan ve kısa süreliğine poppet valfiyle rekabet eden tasarım
• Karşılıklı pistonlu motorlar — silindir kapağı olmaksızın tek bir silindiri paylaşan iki piston
• Değişken sıkıştırma oranlı motorlar — yük koşullarına göre verimliliği optimize etmek amacıyla sıkıştırmanın gerçek zamanlı ayarlanmasına olanak tanıyan tasarım
• Beş zamanlı motorlar — yanma gazlarından daha fazla iş çıkarmak için ayrılmış bir genişleme silindiri ekleyen tasarım
• Döner kanatlı motorlar — rotor bileşenlerinin birbirine yaklaşıp uzaklaşan makas kanatları gibi hareket ettiği tasarım

Alternatif Motorlar Neden Seri Üretime Geçemiyor?

Alışılmışın dışındaki içten yanmalı motor tasarımlarına kısa bir bakış bile çarpıcı bir örüntüyü gözler önüne serer: Onlarca zekice fikir, çok az sayıda üretim aracı. Tekrarlayan engeller tutarlıdır:

• Conta aşınması — döner tasarımlar zamanla tepe conta bozulması nedeniyle sıklıkla başarısız olur
• Değişken mekanik yükler — döner kanatlı kavramlar kanat-mil bağlantısında yorulma hasarı yaşar
• İmalat karmaşıklığı — egzotik geometriler ölçekli üretimde pahalı ve güçtür
• Güvenilirlik ve uzun ömür — alışılmışın dışındaki motorlar, 100 yılı aşkın süredir geliştirilen geleneksel pistonlu motorların dayanıklılık sicilini nadiren karşılayabilmektedir

Alternatif motorların önündeki ikinci engel ise geleneksel içten yanmalı motor teknolojisinin yerinde saymamış olmasıdır. Miller çevrimini kullanan en yeni benzinli motorlar, turbo şarj olmaksızın bile %40’a varan termal verimlilik elde etmektedir — benzinli motorların çoğunun yalnızca %20–30, dizel motorların ise %30–40 (büyük deniz dizellerinin %50’ye kadar) sağladığı göz önünde bulundurulduğunda bu kayda değer bir rakamdır.

En önemlisi, içten yanmalı motorun küresel alternatifi çoktan gelmiştir: elektrik motorları ve yakıt hücreli güç üniteleri. Bu egzotik merakların arkasındaki mucitler teknik zorluklarını çok yakın zamanda çözemezlerse, kendilerini bekleyen bir pazarın artık kalmadığını görebilirler — elektrikli araçlar yolları çoktan almış olacaktır.

Bu bir çeviridir. Orijinalini buradan okuyabilirsiniz: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html