De mest uvanlige motorkonstruksjonene

Moderne bilprodusenter skjemmer oss ikke bort med tekniske forbedringer når det gjelder motordesign og konfigurasjon. I dag er det klassiske forbrenningsmotorer og turbodiesel som gjelder. Men fortsatt er det eksperimenter som tilbyr originale løsninger. Og tidligere var det enda flere slike prosjekter. I dag forteller Drom om de mest uvanlige motorene for biler og motorsykler.

Som regel er det under panseret på alle nåværende biler installert firetakts bensinmotorer som fungerer i henhold til den såkalte Otto-syklusen – injeksjon, kompresjon, slag, eksos. Dette er typiske termiske forbrenningsmotorer med tenning av den brennbare blandingen gjennom et stearinlys, der eksosventilene åpnes etter at inntaksventilene lukkes. Den største ulempen med slike motorer er lav (opptil 28%) effektivitet.

Mer enn en tredjedel av moderne biler er utstyrt med turbodiesel med en lignende veivmekanisme, men med et høyere kompresjonsforhold og med antennelse av arbeidsblandingen fra kompresjon og høy temperatur i sylinderen. Effektiviteten til dieselmotorer er høyere, men fortsatt ikke så stor – opptil 50%.

Disse to typer motorer brukes på de aller fleste biler i dag, og alt har lenge vært kjent og sagt om dem. Vår oppgave er å fortelle om ikke så utbredte ordninger, som enten har noen alvorlige forskjeller i forhold til «klassiske» Otto- og dieselmotorer, eller som i det hele tatt er bygget på et annet prinsipp.

Wankel roterende stempelmotor

• Firmaer – NSU, Mazda, Citroen, VAZ
• Noen bilmodeller – NSU Ro 80, Mazda RX-7, VAZ-21059 og 21079, Citroen GS.

For å begynne, selvfølgelig, bør vi starte med rotasjonsstempelutformingen, som først ble introdusert av ingeniørene Walter Freude og Felix Wankel for ikke så lenge siden – i 1957. Det er logisk at denne motoren fikk navnet til en av skaperne – Wankel. Det særegne ved dette kraftverket er et tresidig stempel (rotor), drevet av kraften fra gasstrykket. Bevegelse av rotoren i forhold til den «ovale» sylinderen med den opprinnelige profilen (stator) gjøres gjennom to gir: en – på rotorens indre overflate, den andre – stivt festet til den indre overflaten av sidedekselet på motoren. Samspillet deres gir en sirkulær eksentrisk bevegelse der rotoren kommer i kontakt med den indre overflaten av forbrenningskammeret med ansiktene. Den roterende bevegelsen overføres til en spesiell aksel og fra den til transmisjonen. Det ene mekaniske paret regulerer rotorens bevegelse, og det andre konverterer den til rotasjon av den eksentriske akselen. I løpet av en hel omdreining av akselen rekker rotoren å dreie 120°, og i hvert av de tre isolerte hulrommene reproduseres hele firetaktssyklusen til en forbrenningsmotor – innsprøytning, kompresjon, slag og eksos. De åpenbare fordelene med denne typen motorer er deres kompakthet, letthet, færre deler (ingen stempler, koblingsstenger, veivaksel), forenklet smøresystem, lavt vibrasjonsnivå og høy literkapasitet. De største ulempene er dårlig effektivitet av tetninger mellom rotor og sylindervegg, høyt forbruk av spesialolje, tendens til overoppheting, krevende plugger og høy effekt ved relativt høye turtall.

Den første seriebilen med RPM var den tyske NSU Ro 80 i 1967, men den virkelige populariteten til roterende stempelmotorer ble selvfølgelig brakt av det japanske selskapet Mazda, kjent ikke bare for sine legendariske RX-modeller, men også for den eneste seieren i Le Mans av prototypen «757». Forresten, Mazda planlegger å gå tilbake til det roterende temaet omtrent i år. Ulike produsenter har eksperimentert med RPM-er til forskjellige tider. Til og med AvtoVAZ på 80-tallet var preget av roterende «fem» og «syv», som ble brukt i trafikkpolitiet eller av «lovhåndhevere».

Motor med variabelt kompresjonsforhold

• Selskaper – Infiniti, Saab, AVL, FEV, MCE-5
• Bilmodell – Infiniti QX50

En teknologi som foreløpig bare brukes på én bil, crossoveren Infiniti QX50, som kommer i 2019. Nissan har holdt på i mer enn 20 år, og nå kan endelig 2,0-liters VC-T-turbomotoren (Variable Compression Turbocharged) automatisk justere kompresjonsforholdet (fra 8 ved maksimal effekt til 14 ved lav belastning) ved å justere lengden på stemplene med 6 mm. Det gjør det ikke bare mulig å nesten helt glemme suboptimale modus og som en konsekvens forekomsten av detonasjon, men også å øke effektiviteten, og spare opptil 27% drivstoff sammenlignet med V-formede «seksere», ifølge japanske ingeniører. Dette trikset realiseres på følgende måte: det er en bevegelig skjøt av forbindelsesstangen med dens nedre hals, som fungerer ved hjelp av et system med spaker drevet av en elektrisk motor. Samtidig er kraften til kraftverket imponerende 270 hk, og dreiemomentet – 390 Nm (i Russland er motoren deformert til 249 hk og 380 Nm). De største ulempene med designen anses å være dens kompleksitet og høyere (ca. 10 kg) vekt på kraftenheten.

Ingeniører fra Ford, Mercedes-Benz, Peugeot og Volkswagen har forsøkt seg med motorer med variabelt kompresjonsforhold på ulike tidspunkter, men ingen har noen gang fått patent. Det fantes også tidlige systemer med et ekstra stempel som endret volumet i forbrenningskammeret. Det ble også eksperimentert med stempler med variabel høyde, noe som viste seg å være svært tungt. I 2000 installerte selskapet FEV Motorentechnik i Volkswagen turbomotor 1.8T et system med… løfte veivaksel, hvis bevegelse ble utført ved hjelp av eksentriske koblinger. Samme år demonstrerte svenskene fra Saab sin visjon. Den 5-sylindrede 1,6-liters turbomotoren SVC (Saab Variable Compression) kunne løfte den øvre delen av den delte sylinderblokken. Omtrent samtidig demonstrerte franskmennene fra MCE-5 Development en motor med unike delte koblingsstenger med tannede vippearmer. Men ingen av disse løsningene ble noen gang tatt i bruk på produksjonsbiler.

Knight Sleeve Valve Engine

• Firmaer – Daimler, Mercedes-Benz, Peugeot, Panhard, Willys-Knight, Mors, Avions-Voisin
• Noen bilmodeller – Avions-Voisin C, Willys-Knight, Daimler 22HP

Vi skal nå reise til overgangen mellom 1800- og 1900-tallet, da Charles Knight fikk ideen om å lage en motor uten klassiske ventiler. I 1908 tok han patent på sitt hjertebarn, som var utstyrt med såkalte «spoleventiler»: Det var en slags kobling, drevet av en spesiell giraksel, som glir rundt stempelet og dermed åpner inn- og utløpsporter i sylinderveggene. Et slikt system viste seg ikke bare å fungere, men også å være ganske stille, holdbart, med god ytelse og ingen problemer med å «stikke» av konvensjonelle skiveventiler. I tillegg til disse åpenbare fordelene var det andre: god eksosrensing, uendret form på forbrenningskammeret (og dermed ingen detonasjon), ingen konvensjonelt blokkhode og ideell plassering av tennpluggene. Den største ulempen ble ansett for å være økt oljeforbruk.

Likevel var slike motorer utstyrt med en rekke modeller av så kjente bilmerker som Daimler, Panhard, Peugeot, Mercedes-Benz, Willys og andre frem til 40-tallet av forrige århundre. Deretter – etter en betydelig økning i motorhastigheten og introduksjonen av natriumkjøling for konvensjonelle skiveventiler – forældet systemet praktisk talt seg selv.

Lanchester Twin-Crank Twin-motor

• Firmaer – Lanchester, Ford
• Noen bilmodeller – Lanchester 12HP, Ford A/C/F

I 1896 patenterte Karl Benz en to-sylindret «opposisjonsmotor», tre år senere ble Lanchester-selskapet grunnlagt, og et år senere presenterte det sin første bil Lanchester Phaeton, utstyrt med en slik motor med to veivaksler. Denne spesielle motoren anses å være den første produksjonen Flat-Twin. Denne 4,0-liters, luftkjølte, atmosfæriske enheten produserte så mye som 10,5 hk ved 1250 o / min. Den ene veivakselen lå over den andre, og hvert stempel hadde tre (!) koblingsstenger – en tykk i midten og to lettere på sidene. Den tykke gikk til den ene akselen og de tynnere til den andre. Følgelig roterte akslene i motsatt retning.

Ved begynnelsen av bilindustrien var slike motorer utstyrt ikke bare med Lanchester-biler, men også med de første Ford-modellene – «A», «C» og «F».

To-sylindret «opposisjon» i en enkelt blokk (Panhard Flat-Twin)

• Firma – Panhard
• Noen bilmodeller – Panhard Dyna, Panhard 24, Panhard Dyna X84

Fra 1945 til 1967 produserte det franske selskapet Panhard en rekke modeller utstyrt med den såkalte Flat-Twin-motoren. René Panhard var ikke en pioner i bruken av tosylindrede «motsetninger», men kombinerte for første gang sylinderblokken og hodet i et aluminiumshus. I tillegg til denne unike tekniske løsningen i Flat-Twin-motoren var det andre interessante funn. For eksempel ble det for første gang brukt torsjoner i stedet for ventilfjærer, og kjøling var dobbelt luftkjølt.

Volumet av slike motorer var lite – fra 0,61 til 0,85 liter, og effekten var fra 42 til 60 hk. Likevel forhindret ikke dette faktum X84-modellen å delta i løp i Le Mans og til og med oppnå gode resultater i sin klasse opp til 750 cm³. Panhard 24 coupé var også en veldig vakker bil.

Atkinson- og Miller-syklusmotorer

• Selskaper – Toyota, Lexus, Ford, Nissan
• Noen bilmodeller – Toyota Prius, Lexus hybrider, Ford Escape, Nissan Altima

Som vi sa i begynnelsen av denne artikkelen, kjører de fleste moderne bilmotorer på Otto-syklusen. Men det er fortsatt andre varianter: navnene på ingeniørene James Atkinson og Ralph Miller er for alltid forbundet med kampen for å forbedre effektiviteten og øke effektiviteten.

Hva foreslo Atkinson? For det første, ved å komplisere veivmekanismen, endret han forholdet mellom slagtider: stempelslagene under kompresjon og slagtider ble kortere enn under inntak og eksos, på grunn av en unik veivaksel. Inntaksventilene i Atkinson-syklusen lukker seg helt halvveis til øverste dødpunkt. For det andre skjer alle fire Atkinson-syklusene i løpet av én omdreining av veivakselen, mens en konvensjonell ottomotor krever to. Fordelene med denne motortypen er høy virkningsgrad og miljøvennlighet. Ulempene er kompleksiteten i konstruksjonen og lavt dreiemoment i «lavpunktene». Derfor brukes slike kraftenheter i hybrider, der denne funksjonen kompenseres av elektrisk trekkraft.

Ralph Miller jobbet også med kompresjonsforhold, men gikk (i 1947) en annen vei. I stedet for å redusere kompresjonsforholdet mekanisk med et konstant slagforhold, foreslo han å redusere det på bekostning av inntaksforholdet, og holde samme forskyvning for alle stempler, som på Otto-motoren. Det er to varianter av denne løsningen, men begge er basert på sen lukking av inntaksventilene: «forkortet innsug» (der innsugsventilene stenger før slutten av innsugstakten) og ‘forkortet kompresjon’ (innsugsventilene stenger senere enn innsugstakten). Men begge er utformet for å redusere kompresjonsforholdet til arbeidsblandingen, og når drivstoffet antennes ved TDC, har det dermed en mye større ekspansjonsgrad enn i en ottomotor. Dette gir bedre utnyttelse av energien i gassene som ekspanderer i sylinderen, noe som øker den termiske virkningsgraden i konstruksjonen og dermed forbedrer økonomien og elastisiteten. I tillegg reduseres pumpetapene i kompresjonstakten fordi det er lettere å komprimere drivstoff i en Miller-syklusmotor. Ulempene med dette systemet er effektreduksjon (spesielt ved høye hastigheter) på grunn av dårligere sylinderfylling.

Diesel «opposisjon» med svingende veivaksel (Commer Rootes TS3 Tilling-Stevens)

• Firma – Rootes
• Noen bilmodeller – Commer Q25, C-serien, Karrier

Den eneste dieselmotoren i dagens gjennomgang, men for en dieselmotor: totakts «opposisjon» TS3 (ikke for ingenting fikk den kallenavnet «Knocker») med en unik svingende veivaksel utviklet av Tilling-Stevens! Imidlertid ble den installert fra 1954 til 1968 bare på båter, busser og lastebiler fra det lite kjente for en bred krets britiske selskapet Rootes. Denne motoren var ikke bare plassert under førersetet, men hadde også en rekke interessante funksjoner: hver sylinder hadde to «mot» -stempler, som overførte dreiemoment til en enkelt veivaksel ved hjelp av en spesiell vippebryter og to forbindelsesstenger på hvert stempel, og det var en mekanisk kompressor med kjededrift! TS3-motoren hadde tre sylindere, et slagvolum på 3,25 liter og produserte hele 105 hk og 366 Nm ved bare 1200 o/min. Den ble sagt å være en svært kompakt og pålitelig enhet, hvis eneste ulempe ble ansett for å være det høye støynivået.

På slutten av 1960-tallet dukket det opp en prototype av en 4-sylindret lignende enhet, og «muldyret» utstyrt med den besto til og med testene med en lengde på nesten 2 millioner kilometer, men saken gikk ikke lenger: i 1968 kjøpte Chrysler Corporation Rootes-selskapet, og utviklingen ble innskrenket.

Gobron Brillie Opposed Piston

To-takts to-sylindret «opposisjonell» (Gobron Brillie Opposed Piston)

• Selskapet er Gobron-Brillie
• Noen bilmodeller – Gobron-Brillie 8CV, Gobron Brillie Opposed

La oss gå tilbake til XIX århundre, og mer presist til 1898, da franskmannen Gustave Charles-Alexis Gobron sammen med landsmannen Eugène Brillieu grunnla bilfirmaet Societé des Moteurs Gobron-Brillie. Bare seks måneder senere dukket deres første barn opp – Gobron-Brillie 8CV, som brukte en unik designmotor – med et volum på 1,6 liter og to vertikalt anordnede sylindere hadde den fire stempler, som beveget seg mot hverandre. De nedre var koblet til veivakselen med de vanlige forbindelsesstengene, og de øvre (deres slag var kortere) – ved hjelp av et originalt system med stenger, vippearmer og eksentriske. Det var bare en kamaksel, og hele mekanismen var fullstendig synkronisert. Omtrent midtveis gjennom slaget til de øvre stemplene – dette var området der blandingen ble antent – ble tennplugger installert, samt inntaks- og eksosventiler som ble betjent av pushrods. Drivstofftenningen skjedde mellom stemplene, omtrent midtveis i slaglengden på de øvre stemplene.

I tillegg til et så intrikat, men ifølge samtidige, ganske pålitelig system med utmerket jevn drift, hadde bilen et uvanlig kraftsystem, der i stedet for en tradisjonell forgasser brukte et sett med stempler, som var i stand til å mate hvilken som helst type drivstoff inn i kammeret. Det sies at Gobron-Brillie til og med kunne kjøre på alkohol eller sterke alkoholholdige drikker som whisky og konjakk!

Rotasjonsmotor – fast veivaksel, roterende sylindere og stempler (Adams-Farwell)

• Firma – Adams-Farwell
• Noen bilmodeller – Adams-Farwell modell 5, 6, 7 og serie 6

Denne ideen kalles «fra det motsatte»: hvis veivakselen i en konvensjonell forbrenningsmotor roterer og sylinderblokken forblir stasjonær, så i motoren, som ble oppfunnet i 1895 av ingeniøren Fay Oliver Farwell, sto veivakselen alltid på ett sted. Legenden forteller at Farwell, som jobbet for det amerikanske selskapet The Adams Co., ble oppfordret til å konstruere en 3-sylindret 4-taktsmotor der sylindrene roterer på originale lagre rundt en fastmontert veivaksel ved synet av … en vanlig kvern!

Ni år senere, i 1904, under navnet Adams-Farwell Model 5, gikk en bil med denne unike og ganske kraftige (25 hk) etter datidens standardmotor i produksjon. Forresten, den hadde noen uvanlige funksjoner: i stedet for en forgasser, kom drivstoffet inn i kamrene gjennom spesielle hull i dem, og motoren hadde ingen lyddempere (den var ganske stille). Den største ulempen var overdreven oljeforbruk, men til tross for dette faktum presenterte Adams-Farwell i 1906 Model 6 med en 5-sylindret 8,0-liters motor. Og i 1910 ble selskapets motorer brukt til og med på de første helikoptrene designet av Emil Berliner.

Separat syklusmotor

• Selskaper – Scuderi, Paut Motor, Bonner Motor
• Noen modeller av biler – ikke installert

Som du vet, i en klassisk forbrenningsmotor forekommer alle fire syklusene i en enkelt sylinder. Men som det viser seg, var det entusiaster i verden – og i den siste tiden – som forkynte ekte eksotiske med syklusseparasjon. I 2006 bestemte for eksempel amerikanere fra Scuderi-gruppen at den såkalte «kalde» sylinderen skulle være ansvarlig for inntaks- og kompresjonssyklusene, og en annen, «varm» sylinder skulle være ansvarlig for slag og eksos. Når det er utvidelse av gasser i arbeidssylinderen, oppstår inntaksklokken i den «kalde» kompressorsylinderen. Når det er en frigjøring i arbeidssylinderen, er det en kompresjon i den kalde. På slutten av kompresjonsslaget nærmer stemplene seg TDC, blandingen «strømmer» fra den «kalde» sylinderen til den «varme» sylinderen gjennom avlastningsventilen og antennes. I tillegg kan ulike sylindere ha forskjellige stempeldiametre og slaglengder, noe som gir mulighet for svært fleksibel tuning. I 2009 presenterte Scuderi en prototype, men den gikk aldri lenger: motoren er økonomisk, men veldig kompleks strukturelt.

Det kroatiske selskapet Paut Motor har også eksperimentert med delte sykluser. I 2011 presenterte de til og med en prototype, som med en literkapasitet på 7 liter veide bare 135 kg, hadde langt færre deler, redusert friksjon og støy enn Scuderi-motoren. Men dette prosjektet døde også.

Vel, den mest komplekse motoren med delte sykluser er sannsynligvis Bonner-motoren, der sylindrene er ordnet på tvers, og veivakselen gjør planetarisk bevegelse gjennom et girsystem. Gassfordelingen oppnås ved hjelp av spesielle ventiler i bunnen av sylindrene og roterende spoler i blokken. Stemplene kan forskyves under oljetrykk, noe som gir et variabelt kompresjonsforhold. For et rot! Ikke rart at denne motoren neppe noen gang kommer i «serie».

Gasturbinmotor

• Firmaer – Kenworth, Rover, Fiat, GM, Lotus, Chrysler, Ford
• Noen bilmodeller – Fiat Turbina, Chrysler Turbine, Rover Jet1, GM Firebird, Ford Thunderbird

Selv om vi aldri så motorer med delt syklus på produksjonsbiler, eksisterte det biler med gassturbinmotorer i naturen. Fra begynnelsen av 50-tallet bestemte produsentene av personbiler seg for å spille dette spillet, og det fortsatte helt frem til slutten av 60-tallet. GTE-alderen var ikke lang, men den ga oss en hel rekke ekstraordinære modeller: Rover Jet1, Fiat Turbina, Ford Thunderbird, Chrysler TurboFlite.

En gassturbin er en enklere og mye kraftigere motor sammenlignet med en klassisk forbrenningsmotor. Det er ikke overraskende at bilindustrien, som allerede før 50-tallet av forrige århundre aktivt lånte en rekke tekniske løsninger fra luftfartsindustrien, ikke holdt seg til side og bestemte seg for å prøve å bruke motorer av denne typen på personbiler. I tillegg er utformingen av selve GTE ikke komplisert: aksler med kompressor- og turbinhjul, hvorav den første mater trykkluft inn i forbrenningskammeret med drivstoff. Når den brenner og ekspanderer, snurrer arbeidsblandingen turbinhjulet, som bruker energien til å rotere kompressoren og selvfølgelig jetframdrift.

Motor med desmodromisk ventilaktivering

• Firmaer – Bignan, Ducati, Norton, Mercedes-Benz, BMW, Ferrari, Honda
• Noen modeller – motorsykler: Ducati, BMW, Honda, Norton, MV Agusta; biler: Mercedes-Benz SLR

I en konvensjonell forbrenningsmotor åpnes ventilene med kraft (ved hjelp av spesielle vippearmer) og lukkes av kraftige fjærer. Det er hastigheten til disse fjærene og deres utilstrekkelige styrke som forårsaker det såkalte bruddet i den kinematiske forbindelsen, «hengende» ventiler og, som en konsekvens, begrensning av motorhastigheten. Når det gjelder en desmodromisk aktuator, blir ventilene også tvunget og lukket.

Historien om denne kunnskapen går tilbake til begynnelsen av 1900-tallet, da en engelsk ingeniør ved navn Arnott i 1910 fikk patent på et desmodromisk timing-system. På den tiden var det spesielt relevant, ettersom kvaliteten på fjærene ofte ikke tålte selv svært lave omdreininger og belastninger. I praksis ble «desmodrom» først brukt på racing Peugeot L76 i 1912, og åtte år senere dukket den opp på den franske sportsbilen Bignan. De første motorsyklene, som brukte desmodromisk stasjon, var modeller av det britiske selskapet Norton i 1924. Siden den gang ble denne typen også brukt på Mercedes-Benz, Ferrari, BMW, F.B. Mondial og Honda motorsykler. Mondial og Honda. Imidlertid er det italienske motorsykkelfirmaet Ducati fortsatt den mest trofaste tilhengeren av denne ordningen den dag i dag.