Cele mai neobișnuite modele de motoare

Constructorii auto moderni nu ne răsfață cu rafinamente tehnice în ceea ce privește proiectarea și configurația motoarelor. Motoarele clasice cu combustie internă și turbodieselurile domină în prezent balul. Dar încă mai există experimentatori care oferă soluții originale. Iar în trecut, au existat și mai multe astfel de proiecte. Astăzi Drom povestește despre cele mai neobișnuite motoare pentru mașini și motociclete.

De regulă, sub capota tuturor automobilelor actuale sunt instalate motoare pe benzină în patru timpi care funcționează conform așa-numitului ciclu Otto – injecție, compresie, cursă, evacuare. Acestea sunt motoare termice tipice cu ardere internă cu aprinderea amestecului combustibil printr-o lumânare, în care supapele de evacuare se deschid după închiderea supapelor de admisie. Principalul dezavantaj al acestor motoare este randamentul scăzut (până la 28%).

Mai mult de o treime din mașinile moderne sunt echipate cu turbodieseluri cu un mecanism similar al manivelei, dar cu un raport de compresie mai mare și cu aprinderea amestecului de lucru din compresie și temperatură ridicată în cilindru. Eficiența motoarelor diesel este mai mare, dar încă nu atât de mare – până la 50%.

Aceste două tipuri de motoare sunt utilizate pe marea majoritate a mașinilor de astăzi și totul a fost mult timp cunoscut și spus despre ele. Sarcina noastră este să spunem despre scheme nu atât de răspândite, care fie au unele diferențe serioase în comparație cu motoarele Otto și Diesel „clasice”, fie sunt construite pe un principiu complet diferit.

Motorul cu piston rotativ Wankel

• Companii – NSU, Mazda, Citroen, VAZ
• Câteva modele de mașini – NSU Ro 80, Mazda RX-7, VAZ-21059 și 21079, Citroen GS.

Pentru a începe, desigur, ar trebui să începem cu designul cu pistoane rotative, care a fost introdus pentru prima dată de inginerii Walter Freude și Felix Wankel nu cu mult timp în urmă – în 1957. Este logic că acest motor a primit numele unuia dintre creatori – Wankel. Particularitatea acestei centrale este un piston cu trei laturi (rotor), antrenat de forța presiunii gazului. Mișcarea rotorului în raport cu cilindrul „oval” cu profil original (stator) se face prin intermediul a două angrenaje: unul – pe suprafața interioară a rotorului, al doilea – fixat rigid pe suprafața interioară a capacului lateral al motorului. Interacțiunea lor asigură o mișcare excentrică circulară în care rotorul contactează suprafața interioară a camerei de ardere cu fețele sale. Mișcarea de rotație este transmisă la un arbore special și de la acesta la transmisie. O pereche mecanică reglează mișcarea rotorului, iar cea de-a doua o transformă în rotația arborelui excentric. Pentru o revoluție completă a arborelui, rotorul are timp să se rotească cu 120°, iar în fiecare dintre cele trei cavități izolate este reprodus ciclul complet în patru timpi al unui motor cu ardere internă – injecție, compresie, cursă și evacuare. Avantajele evidente ale acestui tip de motoare sunt compactitatea, ușurința, numărul redus de piese (fără pistoane, bielă, arbore cotit), sistemul de lubrifiere simplificat, nivelul scăzut de vibrații și capacitatea mare de litri. Principalele dezavantaje sunt eficiența redusă a garniturilor de etanșare între rotor și peretele cilindrului, consumul mare de ulei special, tendința de supraîncălzire, bujiile pretențioase și puterea mare la turații relativ ridicate.

Prima mașină de serie cu RPM a fost modelul german NSU Ro 80 în 1967, dar adevărata popularitate a motoarelor cu piston rotativ a fost adusă, desigur, de compania japoneză Mazda, renumită nu numai pentru legendarele sale modele RX, ci și pentru singura victorie la Le Mans a prototipului „757”. De altfel, Mazda intenționează să revină la tema motoarelor rotative chiar în acest an. Diferiți producători au experimentat cu rotative în momente diferite. Chiar și AvtoVAZ în anii ’80 a fost marcat de rotative „cinci” și „șapte”, care au fost folosite în poliția rutieră sau de „forțele de ordine”.

Motor cu raport de compresie variabil

• Companii – Infiniti, Saab, AVL, FEV, MCE-5
• Model de mașină – Infiniti QX50

O tehnologie care este utilizată în prezent doar pe un singur vehicul, crossover-ul Infiniti QX50 care va apărea în 2019. Nissan se ocupă de ea de mai bine de 20 de ani, iar acum, în sfârșit, motorul turbo VC-T (Variable Compression Turbocharged) de 2,0 litri este capabil să ajusteze automat raportul de compresie (de la 8 la putere maximă la 14 la sarcini reduse) prin ajustarea lungimii pistoanelor cu 6 mm. Acest lucru permite nu numai să se uite aproape complet de modurile suboptimale și, în consecință, de apariția detonării, ci și să crească eficiența și să economisească până la 27% din combustibil în comparație cu „șasele” în formă de V, potrivit inginerilor japonezi. Acest truc este realizat în felul următor: există o articulație mobilă a bielei cu gâtul inferior al acesteia, care funcționează prin intermediul unui sistem de pârghii acționate de un motor electric. În același timp, puterea centralei este impresionantă: 270 CP, iar cuplul – 390 Nm (în Rusia, motorul este deformat la 249 CP și 380 Nm). Principalele dezavantaje ale designului sunt considerate a fi complexitatea sa și greutatea mai mare (aproximativ 10 kg) a unității de putere.

Inginerii de la Ford, Mercedes-Benz, Peugeot și Volkswagen s-au aventurat în diferite momente cu motoare cu raport de compresie variabil, dar nimeni nu a obținut vreodată un brevet. Au existat, de asemenea, sisteme timpurii cu un piston suplimentar care modifica volumul camerei de ardere. Au existat, de asemenea, experimente cu pistoane cu înălțime variabilă, care s-au dovedit a fi foarte grele. În 2000, compania FEV Motorentechnik a instalat pe motorul turbo Volkswagen 1.8T un sistem cu… arbore cotit de ridicare, a cărui mișcare se realiza cu ajutorul unor ambreiaje excentrice. În același an, suedezii de la Saab și-au demonstrat viziunea. Motorul turbo cu 5 cilindri de 1,6 litri SVC (Saab Variable Compression) putea ridica partea superioară a blocului de cilindri divizat. Cam în aceeași perioadă, francezii de la MCE-5 Development au demonstrat un motor cu bielete divizate unice, cu bascule dințate. Dar niciuna dintre aceste soluții nu a găsit vreodată aplicare pe automobilele de serie.

Motorul Knight cu supape cu manșon

• Companii – Daimler, Mercedes-Benz, Peugeot, Panhard, Willys-Knight, Mors, Avions-Voisin
• Câteva modele de mașini – Avions-Voisin C, Willys-Knight, Daimler 22HP

Vom călători acum la începutul secolelor XIX și XX, când Charles Knight a avut ideea de a crea un motor fără supape clasice. În 1908, el și-a brevetat invenția, care era echipată cu așa-numitele „supape cu bobină”: era vorba despre un fel de cuplaj, acționat de un arbore cu angrenaj special, care aluneca în jurul pistonului și deschidea astfel orificiile de admisie și evacuare din pereții cilindrului. Un astfel de sistem s-a dovedit nu numai funcțional, ci și destul de silențios, durabil, cu un randament bun și fără problema „lipirii” supapelor cu disc convenționale. Pe lângă aceste avantaje evidente, existau și altele: o bună evacuare a gazelor de eșapament, o formă neschimbată a camerei de ardere (prin urmare, fără detonare), fără cap de bloc convențional și amplasarea ideală a bujiilor. Principalul dezavantaj era considerat a fi consumul crescut de ulei.

Cu toate acestea, astfel de motoare au fost echipate cu o serie de modele ale unor mărci auto celebre precum Daimler, Panhard, Peugeot, Mercedes-Benz, Willys și altele până în anii ’40 ai secolului trecut. Ulterior – după o creștere semnificativă a turației motorului și introducerea răcirii cu sodiu pentru supapele convenționale cu disc – sistemul practic a dispărut.

Motorul Twin-Crank Twin Lanchester

• Companii – Lanchester, Ford
• Câteva modele de mașini – Lanchester 12HP, Ford A/C/F

În 1896, Karl Benz a brevetat un „motor de opoziție” cu doi cilindri, trei ani mai târziu a fost înființată compania Lanchester, iar un an mai târziu a prezentat primul său automobil Lanchester Phaeton, echipat cu un astfel de motor cu două arbori cotiți. Acest motor special este considerat a fi primul Flat-Twin de producție. Această unitate atmosferică de 4,0 litri, răcită cu aer, producea până la 10,5 CP la 1250 rpm. Un arbore cotit era deasupra celuilalt, iar fiecare piston avea trei (!) bielete – una centrală groasă și două mai ușoare pe laterale. Cea groasă mergea la un arbore, iar cele mai subțiri la celălalt. În consecință, arborii se roteau în sensuri opuse.

În zorii industriei auto, astfel de motoare au fost echipate nu numai cu mașini Lanchester, ci și cu primele modele Ford – „A”, „C” și „F”.

„Opoziție” cu doi cilindri într-un singur bloc (Panhard Flat-Twin)

• Compania – Panhard
• Câteva modele de mașini – Panhard Dyna, Panhard 24, Panhard Dyna X84

Din 1945 până în 1967, compania franceză Panhard a produs o serie de modele echipate cu așa-numitul motor Flat-Twin. René Panhard nu a fost un pionier în utilizarea „opușilor” cu doi cilindri, dar pentru prima dată a combinat blocul și capul cilindrilor într-o carcasă din aluminiu. În plus față de această soluție tehnică unică în motorul Flat-Twin, au existat și alte descoperiri interesante. De exemplu, în loc de arcuri de supape, au fost utilizate pentru prima dată torsiuni, iar răcirea a fost dublu răcită cu aer.

Volumul acestor motoare era mic – de la 0,61 la 0,85 litri, iar puterea era de la 42 la 60 CP. Cu toate acestea, acest fapt nu a împiedicat modelul X84 să participe la cursele din Le Mans și chiar să obțină rezultate bune în clasa sa de până la 750 cm³. Coupe-ul Panhard 24 a fost, de asemenea, o mașină foarte frumoasă.

Motoare cu ciclu Atkinson și Miller

• Companii – Toyota, Lexus, Ford, Nissan
• Câteva modele de mașini – Toyota Prius, Lexus hibride, Ford Escape, Nissan Altima

După cum am spus la începutul acestui articol, majoritatea motoarelor auto moderne funcționează pe baza ciclului Otto. Dar mai există și alte variante: numele inginerilor James Atkinson și Ralph Miller sunt asociate pentru totdeauna cu lupta pentru îmbunătățirea eficienței și creșterea randamentului.

Ce a propus Atkinson? În primul rând, complicând mecanismul manivelei, el a modificat raportul dintre timpii de cursă: cursele pistonului în timpul compresiei și timpii de cursă au devenit mai scurte decât în timpul admiterii și evacuării, datorită unui arbore cotit unic. Supapele de admisie din ciclul Atkinson se închid complet la jumătatea distanței până la punctul mort superior. În al doilea rând, toate cele patru cicluri Atkinson au loc într-o singură revoluție a arborelui cotit, în timp ce un motor Otto convențional necesită două. Avantajele acestui tip de motor sunt eficiența ridicată și respectarea mediului. Dezavantajele sunt complexitatea proiectării și cuplul redus la „joase”. Acesta este motivul pentru care astfel de unități de putere sunt utilizate în hibrizi, unde această caracteristică este compensată de tracțiunea electrică.

Ralph Miller a lucrat, de asemenea, cu raportul de compresie, dar a urmat (în 1947) o cale diferită. În loc să reducă mecanic raportul de compresie cu un raport constant al cursei, el a propus să îl reducă în detrimentul raportului de admisie, păstrând aceeași cilindree pentru toate pistoanele, ca la motorul Otto. Există două variante ale acestei soluții, dar ambele se bazează pe închiderea târzie a supapelor de admisie: „admisie scurtată” (când supapele de admisie se închid înainte de sfârșitul cursei de admisie) și «compresie scurtată» (supapele de admisie se închid mai târziu decât cursa de admisie). Dar ambele sunt concepute pentru a reduce raportul de compresie al amestecului de lucru și, astfel, atunci când combustibilul este aprins la TDC, acesta are un grad de expansiune mult mai mare decât într-un motor Otto. Acest lucru permite o mai bună utilizare a energiei gazelor care se dilată în cilindru, ceea ce crește eficiența termică a proiectului și, în consecință, îmbunătățește economia și elasticitatea. În plus, pierderile de pompare sunt reduse în cursa de comprimare, deoarece este mai ușor să comprimi combustibilul într-un motor cu ciclu Miller. Dezavantajele acestei scheme sunt reducerea puterii (în special la viteze mari) din cauza umplerii mai proaste a cilindrilor.

Diesel „opoziție” cu arbore cotit oscilant (Commer Rootes TS3 Tilling-Stevens)

• Compania – Rootes
• Câteva modele de mașini – Commer Q25, C-Series, Karrier

Singurul motor diesel din recenzia noastră de astăzi, dar ce motor diesel: „opoziția” TS3 în doi timpi (nu degeaba era poreclit „Knocker”) cu un arbore cotit unic dezvoltat de Tilling-Stevens! Cu toate acestea, a fost instalat din 1954 până în 1968 numai pe bărci, autobuze și camioane ale companiei britanice Rootes, puțin cunoscută de un cerc larg. Acest motor nu numai că era amplasat sub scaunul șoferului, dar avea și o serie de caracteristici interesante: fiecare cilindru avea două pistoane „contra”, care transmiteau cuplul la un singur arbore cotit prin intermediul unui basculant special și a două bielete pe fiecare piston, și exista un compresor mecanic cu un lanț de transmisie! Motorul TS3 avea trei cilindri, o cilindree de 3,25 litri și producea o putere substanțială de 105 CP și 366 Nm la doar 1200 rpm. Se spunea că era o unitate foarte compactă și fiabilă, al cărei singur dezavantaj era considerat a fi nivelul ridicat de zgomot.

La sfârșitul anilor 1960, a apărut un prototip al unei unități similare cu 4 cilindri, iar „catârul” echipat cu acesta chiar a trecut testele cu o lungime de aproape 2 milioane de kilometri, dar chestiunea nu a mers mai departe: în 1968, Chrysler Corporation a cumpărat compania Rootes, iar dezvoltarea a fost redusă.

Gobron Brillie Opposed Piston

Două cilindri în doi timpi „opozițional” (Gobron Brillie Opposed Piston).

• Compania este Gobron-Brillie
• Câteva modele de mașini – Gobron-Brillie 8CV, Gobron Brillie Opposed

Să ne întoarcem în secolul al XIX-lea, mai exact în 1898, când francezul Gustave Charles-Alexis Gobron împreună cu compatriotul său Eugène Brillieu au fondat compania de automobile Societé des Moteurs Gobron-Brillie. Doar șase luni mai târziu a apărut primul lor copil – Gobron-Brillie 8CV, care folosea un motor cu un design unic – cu un volum de 1,6 litri și doi cilindri dispuși vertical avea patru pistoane, care se mișcau unul spre celălalt. Cele inferioare erau conectate la arborele cotit prin biela obișnuită, iar cele superioare (cursa lor era mai scurtă) – cu ajutorul unui sistem original de tije, bascule și excentrice. Exista un singur arbore cu came, iar întregul mecanism era complet sincronizat. Aproximativ la jumătatea cursei pistoanelor superioare – aceasta era zona în care se aprindea amestecul – erau instalate bujiile, precum și supapele de admisie și evacuare acționate de tije. Aprinderea combustibilului avea loc între pistoane, aproximativ la jumătatea cursei pistoanelor superioare.

În plus față de un sistem atât de complicat, dar, potrivit contemporanilor, destul de fiabil, cu o netezime de funcționare excelentă, mașina avea un sistem de alimentare neobișnuit, în care, în locul unui carburator tradițional, se folosea un set de piston, capabil să alimenteze camera cu orice tip de combustibil. Se spune că Gobron-Brillie putea conduce chiar și cu alcool sau băuturi alcoolice puternice, precum whisky și coniac!

Motor rotativ – arbore cotit fix, cilindri și pistoane rotative (Adams-Farwell)

• Companie – Adams-Farwell
• Câteva modele de mașini – Adams-Farwell modelele 5, 6, 7 și seria 6

Această idee se numește „de la opus”: dacă într-un motor convențional cu ardere internă arborele cotit se rotește, iar blocul cilindrilor rămâne staționar, atunci în acest motor, inventat în 1895 de inginerul Fay Oliver Farwell, arborele cotit stătea întotdeauna într-un singur loc. Legenda spune că Farwell, care lucra pentru compania americană The Adams Co., a fost determinat să proiecteze un motor cu 3 cilindri și 4 timpi în care cilindrii se rotesc pe rulmenți originali în jurul unui arbore cotit montat rigid de vederea… unei mori obișnuite!

Nouă ani mai târziu, în 1904, sub numele Adams-Farwell Model 5, a intrat în producție o mașină cu acest motor unic și destul de puternic (25 CP) pentru standardele din acea vreme. Apropo, acesta avea câteva caracteristici neobișnuite: în loc de carburator, combustibilul intra în camere prin orificii speciale în acestea, iar motorul nu avea amortizoare de zgomot (era destul de silențios). Principalul dezavantaj a fost consumul excesiv de ulei, dar în ciuda acestui fapt, în 1906 Adams-Farwell a prezentat modelul 6 cu un motor cu 5 cilindri de 8,0 litri. Iar în 1910, motoarele companiei au fost folosite chiar și pe primele elicoptere proiectate de Emil Berliner.

Motor cu ciclu separat

• Companii – Scuderi, Paut Motor, Bonner Motor
• Câteva modele de automobile – nu sunt instalate

După cum știți, într-un motor clasic cu ardere internă, toate cele patru cicluri au loc într-un singur cilindru. Dar, după cum se pare, au existat entuziaști în lume – și în trecutul recent – care au predicat adevărate exotisme cu separarea ciclurilor. De exemplu, în 2006, americanii de la Scuderi Group au decis că așa-numitul cilindru „rece” ar fi responsabil pentru ciclurile de admisie și compresie, iar un alt cilindru, „cald”, ar fi responsabil pentru cursa și evacuare. Atunci când există o expansiune a gazelor în cilindrul de lucru, ciclul de admisie are loc în cilindrul „rece” de compresie. Atunci când există o eliberare în cel de lucru, are loc o comprimare în cel rece. La sfârșitul cursei de compresie, pistoanele se apropie de TDC, amestecul „curge” din cilindrul „rece” în cilindrul „cald” prin supapa de evacuare și este aprins. În plus, cilindrii diferiți pot avea diametre și curse diferite ale pistoanelor, permițând o reglare foarte flexibilă. În 2009, Scuderi a prezentat un prototip, dar acesta nu a mers niciodată mai departe: motorul este economic, dar foarte complex din punct de vedere structural.

Compania croată Paut Motor a experimentat, de asemenea, cu cicluri divizate. În 2011, au prezentat chiar un prototip, care, cu o capacitate de 7 litri, cântărea doar 135 kg, avea mult mai puține piese, frecări și zgomot reduse decât motorul Scuderi. Dar și acest proiect a murit.

Ei bine, cel mai complex motor cu cicluri divizate este probabil motorul Bonner, în care cilindrii sunt dispuși transversal, iar arborele cotit face mișcare planetară printr-un sistem de angrenaje. Distribuția gazelor se realizează prin supape speciale la baza cilindrilor și prin bobine rotative în bloc. Pistoanele pot fi deplasate sub presiunea uleiului, oferind un raport de compresie variabil. Ce dezordine! Nu e de mirare că este puțin probabil ca acest motor să ajungă vreodată în „serie”.

Motor cu turbină cu gaz

• Companii – Kenworth, Rover, Fiat, GM, Lotus, Chrysler, Ford
• Câteva modele de mașini – Fiat Turbina, Chrysler Turbine, Rover Jet1, GM Firebird, Ford Thunderbird

Deși nu am văzut niciodată motoare cu ciclu despicat pe mașini de serie, mașinile cu motoare cu turbină cu gaz au existat în natură. De la începutul anilor ’50, producătorii de autoturisme au decis să joace acest joc și au continuat până la sfârșitul anilor ’60. Epoca GTE nu a fost lungă, dar ne-a oferit o întreagă gamă de modele extraordinare: Rover Jet1, Fiat Turbina, Ford Thunderbird, Chrysler TurboFlite.

O turbină cu gaz este un motor mai simplu și mult mai puternic în comparație cu un motor clasic cu ardere internă. Nu este surprinzător faptul că industria auto, care chiar înainte de anii ’50 ai secolului trecut a împrumutat în mod activ o serie de soluții tehnice din industria aeronautică, nu a rămas deoparte și a decis să încerce să utilizeze motoare de acest tip pe autoturisme. În plus, designul GTE în sine nu este complicat: arbori cu roți compresoare și turbine, dintre care primul alimentează cu aer comprimat camera de ardere cu combustibil. Pe măsură ce arde și se dilată, amestecul de lucru învârte roata turbinei, care utilizează energia pentru a roti compresorul și, bineînțeles, propulsia cu jet.

Motor cu acționare desmodromică a supapei

• Companii – Bignan, Ducati, Norton, Mercedes-Benz, BMW, Ferrari, Honda
• Câteva modele – motociclete: Ducati, BMW, Honda, Norton, MV Agusta; autoturisme: Mercedes-Benz SLR

Într-un motor cu combustie internă convențional, supapele sunt deschise forțat (de către bascule speciale) și închise de către arcuri puternice. Tocmai viteza acestor arcuri și rezistența lor insuficientă cauzează așa-numita rupere a conexiunii cinematice, „agățarea” supapelor și, ca urmare, limitarea turației motorului. În cazul unui actuator desmodromic, supapele sunt, de asemenea, forțate și închise.

Istoria acestui know-how datează de la începutul secolului al XX-lea, când în 1910 un inginer englez pe nume Arnott a primit un brevet pentru un sistem de distribuție desmodromic. La acea vreme era deosebit de relevant, deoarece calitatea arcurilor adesea nu putea rezista chiar și la turații și sarcini foarte scăzute. În practică, „desmodromul” a fost utilizat mai întâi pe Peugeot L76 de curse în 1912, iar opt ani mai târziu a apărut pe mașina sport franceză Bignan. Primele motociclete, care au folosit transmisia desmodromică, au fost modele ale companiei britanice Norton în 1924. De atunci, acest tip a fost folosit și pe motocicletele Mercedes-Benz, Ferrari, BMW, F.B. Mondial și Honda. Mondial și Honda. Cu toate acestea, compania italiană de motociclete Ducati rămâne până în ziua de azi cel mai statornic adept al acestui sistem.