Seltsame Motoren, die am Rande des Fortschritts geblieben sind

Der Wankelmotor, der Stirlingmotor und die verschiedenen Arten von Turbomotoreinheiten waren noch nie auf dem Höhepunkt der Popularität. Eine Reihe namhafter Unternehmen (von Mazda und GM bis Mercedes und Volvo) haben seit Jahrzehnten an ihnen gearbeitet, auch kleine Firmen und einzelne Erfinder zeigten sich hartnäckig. Leider gibt es in diesem oder jenem Design viel mehr Fallstricke, als es ursprünglich schien. Aber das bedeutet nicht, dass die Entwicklung alternativer Kraftwerke unmöglich ist. Enthusiasten arbeiten an allen möglichen Ideen, und wir möchten mit Ihnen ein paar exotische Schemata teilen.

Die Kombination von Zylinder, Kolben, Pleuel und Kurbelwelle hat sich seit einem Jahrhundert bewährt und es ist nicht notwendig, das Fahrrad neu zu erfinden, um die Parameter des Verbrennungsmotors zu verbessern — es ist einfach, einige Aspekte zu korrigieren. Daher ist der erste in unserer Liste ist der Motor der amerikanischen Firma Scuderi Group, die die klassischen Takte der Einlass, Kompression, Leistung und Ausgabe hat, aber sie treten nicht in einem Zylinder, und in verschiedenen. Der sogenannte Kaltzylinder ist für den Einlass und die Kompression verantwortlich, der zweite, der heiße, für den Kraftlauf und den Auslass.

Während im Arbeitszylinder die Gasausdehnung stattfindet, tritt im kalten Verdichter ein Einlasstakt auf. Der Auspuff wird in der Arbeits- und Kompression in der Kälte durchgeführt. Am Ende des Drucktakts nähern sich die Kolben ihren oberen Totzentren, die Mischung bewegt sich über den Bypasskanal vom kalten Zylinder zum heißen und entzündet sich. Ein solcher Split-Zyklus (im Wesentlichen ein Otto-Zyklus, obwohl modifiziert) wurde 2006 von den Amerikanern erfunden, und im Jahr 2009 schufen sie den Pilotmotor des Scuderi Split Cycle. Der Kompressor und die Arbeitszylinder können unterschiedliche Durchmesser und Hub haben, was eine flexible Einstellung der Parameter ermöglicht — es ist ein Analogon des Miller-Zyklus mit zusätzlicher Gasexpansion.

Wenn Sie einen Abzweig mit Ventilen und einem Hochdruckbehälter in den Kanal zwischen den Zylindern hinzufügen, können Sie einen solchen Motor zwingen, während des Bremsens Energie zu sammeln und sie während der Beschleunigung zu verwenden. Seit vielen Jahren beschränkt sich die Scuderi Group jedoch nur auf Prototypen und die Teilnahme an Ausstellungen. Es scheint, dass die wirkliche Effizienz hier die hohe Komplexität des Designs immer noch nicht übertreffen kann.

Die Entwickler der kroatischen Firma Paut Motor wandten sich ebenfalls an den geteilten Arbeitszyklus. Ihr “doppeltes” Design erregte Aufmerksamkeit durch weniger Details, geringe Reibung und reduziertes Rauschen. Und die Notwendigkeit eines externen Tanks für das Schmiersystem, verursacht durch die Tatsache, dass das Kurbelgehäuse kein Öl hat, hat überhaupt keine Angst. Die Erfinder haben mehrere Prototypen erstellt. Mit einem Volumen von sieben Litern sind ihre Abmessungen (500×440×440 mm) und das Gewicht (135 kg) fast doppelt so groß wie bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren. Aber das Ergebnis wurde nicht bestimmt. Der letzte Prototyp wurde 2011 zusammengebaut, und dann stagnierte das Projekt.

Das Design des Bonner Zweitaktmotors (benannt nach dem Sponsor, Bonner Motor), der 2006 in den USA von Walter Schmid erfunden wurde, ist noch komplizierter. Wie beim Paut Motor-Projekt sind hier die Zylinder in Form des Buchstabens X angeordnet, und die Kurbelwelle führt auch dank des Getriebesystems planetarische Bewegung durch. 

Die Ventile in den Zylinderböden und die rotierenden Schieber im Motorgehäuse sind für die Gasverteilung im Bonner Raum verantwortlich. Gleichzeitig können sich die äußeren Kolben unter dem Öldruck leicht verschieben, was ein variables Verdichtungsverhältnis ermöglicht. Was für ein kluges Schema! Und das alles wegen der hohen Leistung pro Gewichtseinheit. In der Theorie sieht der Bonner interessant aus, aber in der Praxis ist von ihm lange nichts zu hören — offenbar hat er die Erwartungen nicht erfüllt.

Andere Erfinder begannen nicht, die Arbeitszyklen eines Verbrennungsmotors zu ändern, sondern konzentrierten sich auf die Anordnung seiner Teile, zum Beispiel Axialmotoren, die mehr als hundert Jahre alt sind. Alle von ihnen unterscheiden sich in Details, aber durch ein gemeinsames Prinzip kombiniert — die Zylinder sind wie Patronen in einem Revolverzylinder mit einer koaxialen Abtriebswelle angeordnet. Verschiedene Systeme, wie Stifte, die in der Neigung zur Längsachse des Motors, Kegelscheiben und dergleichen angeordnet sind, sind verantwortlich für die Umwandlung von Hin- und Herbewegungen der Kolben in die Drehung der Welle.

Das neuseeländische Projekt der Firma Duke Engines, ein Fünfzylinder-Viertaktmotor mit drei Litern Hubraum, ist eine Vielzahl von Axialaggregaten. Im Vergleich zum klassischen Verbrennungsmotor der gleichen Leistung war dieser nach den Berechnungen der Autoren um 19% leichter und um 36% kompakter. Es sollte in einer Vielzahl von Bereichen verwendet werden, aber Träume von der Eroberung der ganzen Welt sind Träume geblieben.

Der RadMax-Motor des kanadischen Unternehmens Reg Technologies ist ein noch komplizierteres axiales Beispiel. Hier sind anstelle von Zylindern zehn Fächer in einer gemeinsamen Trommel mit dünnen Schaufeln angeordnet. In den Rillen des Rotors sind Platten montiert, die sich entlang ihrer Drehung bewegen. Die resultierenden variablen Volumina begrenzen die gekrümmten Oberflächen an den Enden: sie bestimmen die Flugbahn der Schaufeln und steuern den Gasaustausch.

Die RadMax-Schaltung ermöglicht es Ihnen, Motoren für verschiedene Brennstoffe zu bauen, obwohl die Wahl der Erfinder ursprünglich auf Diesel fiel. Im Jahr 2003 wurde ein Prototyp mit einem Durchmesser und einer Länge von nur 152 mm gebaut. Er entwickelte eine Leistung von 42 PS — um ein Vielfaches größer als ein Verbrennungsmotor ähnlicher Größe. Später kündigte das Unternehmen an, größere Prototypen mit 127 bzw. 380 PS zu bauen. Aber nach den Veröffentlichungen zu urteilen, geht all seine Aktivitäten immer noch nicht über Experimente hinaus.

Der Ringkernrundmotor (oder VGT-Motor) des nicht mehr existierenden kanadischen Unternehmens VGT Technologies ist ein weiteres Beispiel für die Überlegenheit der Theorie gegenüber der Praxis. Die ersten Prototypen des Motors mit Toroid variabler Geometrie (daher die Abkürzung VGT — Variable Geometry Toroidal Engine) wurden von Ingenieuren im Jahr 2005 getestet.

Der Toroid dient in diesem Fall als Zylinder, in dem sich der Rotor mit einem daran befestigten Kolbenpaar dreht. Die variablen Volumina, die für die Leistung benötigt werden, werden zwischen den Kolben durch eine dünne Verteilerscheibe mit Kolbenausschnitt gebildet, die sich über das Toroid mit einem Riemenantrieb oder einer anderen Vorrichtung dreht. Diese Scheibe begrenzt das Kraftstoff-Luft-Gemisch während der Kompression und des Kraftlaufs.

Im Jahr 2009 entwickelten die US-Unternehmer Gary Kelly und Rick Ivas ihren Ringkernmotor, der im Wesentlichen den Kanadier nachbildet. Sie schätzen, dass der Toroid einen halben Meter Durchmesser eine Leistung von 230 PS und etwa 1,000 Nm bei 1,050 Umdrehungen pro Minute ergeben würde. Leider… jetzt auf der Website der Firma Garric Engines gibt es einen Stub: “Danke für das Interesse. Die Seite kann in Zukunft aktualisiert werden.” Ein vielleicht etwas besseres Schicksal wartet auf den sogenannten Nutationsmotor, der 2006 vom Amerikaner Leonard Meyer erfunden wurde — zumindest wurde er in mehreren Exemplaren hergestellt.

Der Name des Motors geht auf das lateinische nutatio zurück. Meyer modellierte vier Arbeitskammern mit variablem Volumen zwischen dem Motorgehäuse und einer seitlich rotierenden Scheibe, die die Rolle eines Kolbens spielt. Die Scheibe ist im Durchmesser halbiert und auf einer Z-förmigen Welle aufgereiht, die Kraft erzeugt. Kanäle und Ventile im Körper sind für den Gasaustausch verantwortlich.

Die Prototypen des Meyer-Motors wurden von Baker Engineering und seiner Tochtergesellschaft Kinetic BEI entwickelt. Das Aggregat entwickelt eine Leistung von sieben PS mit einer Scheibe mit einem Durchmesser von 102 mm und 120 PS mit einem Paar Scheiben mit einem Durchmesser von 203 mm! Die Länge des Zweiradmotors beträgt 500 mm, der Durchmesser beträgt 300 mm und das Volumen beträgt 3.8 Liter. 2.5-3 PS pro Kilogramm Gewicht gegenüber einem oder zwei für serienmäßige Verbrennungsmotoren (unter den Nicht-Massentriebwerken produzieren einige Ferrari-Motoren mehr als drei PS pro Kilogramm, aber bei hohen 9,000 Umdrehungen pro Minute). Die Kapazität in einem Liter ist jedoch überhaupt nicht beeindruckend. Jetzt scheinen Baker und Kinetic Projekte in Form zu bringen, obwohl es keine Aktivität auf ihren Websites gibt.

Die Idee von Rotoraggregaten verschiedener Typen zieht so oft Innovatoren an, als ob die Abkehr von der üblichen Schaltung eine deutliche Leistungssteigerung bewirkt. So entwickelte Nikolai Shkolnik, ein gebürtiger UdSSR, der lange in die USA ausgewandert war, zusammen mit seinem Sohn Alexander einen Motor, der an einen Wankelmotor erinnert, der von innen nach außen gedreht wurde. Der erdnussförmige Rotor dreht sich in der Dreieckskammer auf die gleiche Weise, aber im Gegensatz zum Wankelblock sind die Dichtungen nicht am Kolben, sondern an den Wänden der Kammer befestigt.

Um das Design zu entwickeln, gründeten die Schüler die Firma LiquidPiston, die die Aufmerksamkeit der amerikanischen Agentur für vielversprechende Verteidigung Forschung Entwicklung DARPA — jetzt ist es in der Kofinanzierung von Experimenten, um die “Erdnuss” — Einheiten in leichten Flugzeugen, einschließlich Drohnen, sowie in tragbaren Generatoren zu betreiben. Der Prototyp-Motor mit einer Kapazität von 23 cm³ hat einen guten Wirkungsgrad von 20% für solche Größen. Die Autoren zielen nun auf einen Prototyp-Diesel mit einem Gewicht von rund 13 Kilogramm und 40 PS, um ihn auf ein Hybridauto zu bringen. Seine Wirksamkeit, wie behauptet, wird auf 45% zunehmen.

Der letzte Motor in unserer Liste, die wir betrachten werden, zeigt, dass die Idee eines flachen Blocks (der Rotor kann auch sehr schmal gemacht werden) verlockend ist. Die Rotoren selbst sind nicht so notwendig, um es zu implementieren — es genügt, den traditionellen Kolben abzurunden und dementsprechend den Zylinder bei der Ansicht von oben rechteckig zu machen.

Diese seltsame Entwicklung der Firma Pivotal Engineering gibt es seit vielen Jahren, in denen eine Reihe von Prototypen erstellt wurden, die Motorräder und Flugzeuge antreiben. Die Autoren wenden sich vor allem in der Luftfahrt an den sogenannten Schwingkolben. Zusätzlich zu den hohen Leistungseigenschaften in Bezug auf Gewicht und Abmessungen ist eine solche Zweitakteinheit perfekt in der Lage, durch den Durchgang des Flüssigkeitskühlkanals durch die feste Kolbenachse zu erzwingen. Ein solcher Trick ist schwierig, mit einem anderen Schema zu kurbeln.

Außerhalb unserer Überprüfung gibt es viele exotische Entwicklungen wie einen 12-Rotations-Wankelmotor, einen Knight-Motor oder Einheiten mit entgegengesetzten Kolben, Verbrennungsmotoren mit variabler Kompression oder fünf Takten (ja, es gibt auch solche!) Sowie Rotorblatteinheiten, bei denen Rotorkomponenten Bewegungen wie konvergierende und divergierende Klingen einer Schere durchführen.

Schon ein kurzer Ausflug über die klassischen Verbrennungsmotoren zeigte, wie viele Ideen in der Massenproduktion unrealisiert bleiben. Rotoren werden häufig durch Verschleiß der Dichtungen zerstört. Varianten mit rotierenden Schaufeln leiden auch unter hohen variablen Lasten, die den Verbindungsmechanismus zwischen den Schaufeln und der Welle zerstören. Dies ist nur einer der Gründe, warum wir solche “Wunder” auf Serienautos nicht sehen.

Der zweite Grund ist, dass die Produktion von herkömmlichen Verbrennungsmotoren nicht stillsteht. In den neuesten Benzinproben mit dem Miller-Zyklus erreicht der thermische Wirkungsgrad sogar ohne Turboaufladung 40%. Das ist sehr viel. Die meisten Benziner geben nur 20-30% aus. Dieselmotoren — 30-40% (auf großen Schiffen — bis zu 50%). Und das Wichtigste: eine globale Alternative zum Verbrennungsmotor ist bereits gefunden. Dies sind Elektromotoren und Stromversorgungen an Brennstoffzellen. Wenn also die Erfinder solcher “Wunder” nicht alle technischen Probleme bald lösen, werden sie einfach nicht in der Lage sein, vom Rand des Fortschritts vor Elektroautos zu rollen.

Dies ist eine Übersetzung. Man kann den ursprünglichen Artikel hier lesen: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html