Moderna biltillverkare skämmer inte bort oss med tekniska förfiningar när det gäller motordesign och konfiguration. Klassiska förbränningsmotorer och turbodieslar styr numera bollarna. Men fortfarande finns det experimentatorer som erbjuder originella lösningar. Och förr i tiden fanns det ännu fler sådana projekt. Idag berättar Drom om de mest ovanliga motorerna för bilar och motorcyklar.
Som regel är under huven på alla nuvarande bilar installerade fyrtakts bensinmotorer som fungerar enligt den så kallade Otto-cykeln – injektion, kompression, slag, avgaser. Dessa är typiska termiska förbränningsmotorer med antändning av den brännbara blandningen genom ett ljus, där avgasventilerna öppnas efter att inloppsventilerna stängs. Den största nackdelen med sådana motorer är låg (upp till 28%) effektivitet.
Mer än en tredjedel av moderna bilar är utrustade med turbodieslar med en liknande vevmekanism, men med ett högre kompressionsförhållande och med tändning av arbetsblandningen från kompression och hög temperatur i cylindern. Dieselmotorernas effektivitet är högre, men fortfarande inte så stor – upp till 50%.
Dessa två typer av motorer används på de allra flesta bilar idag, och allt har länge varit känt och sagt om dem. Vår uppgift är att berätta om inte så utbredda system, som antingen har några allvarliga skillnader i jämförelse med ”klassiska” Otto- och Dieselmotorer, eller är byggda på en annan princip alls.
Wankel roterande kolvmotor
- Företag – NSU, Mazda, Citroen, VAZ
- Vissa bilmodeller – NSU Ro 80, Mazda RX-7, VAZ-21059 och 21079, Citroen GS.
För att börja, naturligtvis, bör vi börja med den roterande kolvdesignen, som först introducerades av ingenjörerna Walter Freude och Felix Wankel för inte så länge sedan – 1957. Det är logiskt att denna motor fick namnet på en av skaparna – Wankel. Det speciella med detta kraftverk är en tresidig kolv (rotor), som drivs av gastryckets kraft. Rotorns rörelse i förhållande till den ”ovala” cylindern med den ursprungliga profilen (stator) görs genom två växlar: en – på rotorns inre yta, den andra – styvt fäst vid den inre ytan på motorns sidokåpa. Deras interaktion ger en cirkulär excentrisk rörelse där rotorn kommer i kontakt med förbränningskammarens inre yta med sina ytor. Den roterande rörelsen överförs till en speciell axel och från den till transmissionen. Ett mekaniskt par reglerar rotorns rörelse och det andra omvandlar den till rotation av den excentriska axeln. Under ett helt axelvarv hinner rotorn rotera 120°, och i vart och ett av de tre isolerade hålrummen återges hela fyrtaktscykeln i en förbränningsmotor – insprutning, kompression, slag och avgas. De uppenbara fördelarna med denna typ av motor är deras kompakthet, lätthet, färre delar (inga kolvar, vevstakar, vevaxel), förenklat smörjsystem, låg vibrationsnivå och hög literkapacitet. De största nackdelarna är dålig effektivitet hos tätningar mellan rotor och cylindervägg, hög förbrukning av specialolja, tendens till överhettning, krävande pluggar och hög effekt vid relativt höga varvtal.
Den första seriebilen med RPM var den tyska NSU Ro 80 1967, men den verkliga populariteten för roterande kolvmotorer fördes naturligtvis av det japanska företaget Mazda, känt inte bara för sina legendariska RX-modeller, utan också för den enda segern i Le Mans för prototypen ”757”. Förresten planerar Mazda att återvända till det roterande temat ungefär i år. Olika tillverkare har experimenterat med RPM vid olika tidpunkter. Till och med AvtoVAZ på 80-talet präglades av roterande ”fem” och ”sju”, som användes i trafikpolisen eller av ”brottsbekämpare”.
Motor med variabelt kompressionsförhållande
- Företag – Infiniti, Saab, AVL, FEV, MCE-5
- Bilmodell – Infiniti QX50
En teknik som för närvarande bara används på ett fordon, crossovern Infiniti QX50 som kommer 2019. Nissan har hållit på i mer än 20 år, och nu kan äntligen 2,0-liters turbomotorn VC-T (Variable Compression Turbocharged) automatiskt justera kompressionsförhållandet (från 8 vid maximal effekt till 14 vid låg belastning) genom att justera kolvarnas längd med 6 mm. Det gör det inte bara möjligt att nästan helt glömma bort suboptimala lägen och, som en konsekvens, förekomsten av detonation, utan också att öka effektiviteten och spara upp till 27% bränsle jämfört med V-formade ”sexor”, enligt japanska ingenjörer. Detta trick realiseras på följande sätt: det finns en rörlig led av anslutningsstången med dess nedre hals, som fungerar med hjälp av ett system med spakar som drivs av en elektrisk motor. Samtidigt är kraftverkets kraft en imponerande 270 hk och vridmoment – 390 Nm (i Ryssland deformeras motorn till 249 hk och 380 Nm). De största nackdelarna med designen anses vara dess komplexitet och högre (cirka 10 kg) vikt på kraftenheten.
Ingenjörer från Ford, Mercedes-Benz, Peugeot och Volkswagen har vid olika tillfällen experimenterat med motorer med variabelt kompressionsförhållande, men ingen har någonsin erhållit patent. Det fanns också tidiga system med en extra kolv som ändrade förbränningskammarens volym. Man experimenterade också med kolvar med variabel höjd, vilket visade sig vara mycket tungt. År 2000 installerade företaget FEV Motorentechnik i Volkswagen turbomotor 1.8T ett system med… lyftande vevaxel, vars rörelse utfördes med hjälp av excentriska kopplingar. Samma år demonstrerade svenskarna från Saab sin vision. Den 5-cylindriga 1,6-liters turbomotorn SVC (Saab Variable Compression) kunde lyfta den övre delen av det delade cylinderblocket. Ungefär samtidigt demonstrerade fransmännen från MCE-5 Development en motor med unika delade vevstakar med tandade vipparmar. Men ingen av dessa lösningar kom någonsin till användning i produktionsbilar.
Knight motor med ärmventil
- Företag – Daimler, Mercedes-Benz, Peugeot, Panhard, Willys-Knight, Mors, Avions-Voisin
- Vissa bilmodeller – Avions-Voisin C, Willys-Knight, Daimler 22HP
Vi ska nu resa till sekelskiftet mellan 1800- och 1900-talet, då Charles Knight fick idén att skapa en motor utan klassiska ventiler. År 1908 patenterade han sin skapelse, som var utrustad med så kallade ”spool valves”: det var en slags koppling, driven av en speciell kugghjulsaxel, som gled runt kolven och därmed öppnade inlopps- och utloppsportar i cylinderväggarna. Ett sådant system visade sig inte bara fungera, utan också vara ganska tyst, hållbart, med bra effekt och inga problem med att ”fastna” som konventionella skivventiler. Förutom dessa uppenbara fördelar fanns det andra: bra avgasrening, oförändrad förbränningskammarform (därmed ingen detonation), inget konventionellt blockhuvud och idealisk tändstiftsplacering. Den största nackdelen ansågs vara ökad oljeförbrukning.
Ändå var sådana motorer utrustade med ett antal modeller av sådana kända bilmärken som Daimler, Panhard, Peugeot, Mercedes-Benz, Willys och andra fram till 40-talet av förra seklet. Därefter – efter en betydande ökning av motorvarvtalet och införandet av natriumkylning för konventionella skivventiler – föråldrade systemet praktiskt taget sig självt.
Lanchester Twin-Crank Twin-motor
- Företag – Lanchester, Ford
- Vissa bilmodeller – Lanchester 12HP, Ford A/C/F
År 1896 patenterade Karl Benz en tvåcylindrig ”oppositionsmotor”, tre år senare grundades Lanchester-företaget och ett år senare presenterade det sin första bil Lanchester Phaeton, utrustad med en sådan motor med två vevaxlar. Denna speciella motor anses vara den första produktionen Flat-Twin. Denna 4,0-liters, luftkylda, atmosfäriska enhet producerade så mycket som 10,5 hk vid 1250 rpm. Den ena vevaxeln var placerad ovanför den andra och varje kolv hade tre (!) vevstakar – en tjock i mitten och två lättare på sidorna. Den tjocka gick till den ena axeln och de tunnare till den andra. Följaktligen roterade axlarna i motsatta riktningar.
I början av bilindustrin var sådana motorer utrustade inte bara med Lanchester-bilar utan också med de första Ford-modellerna – ”A”, ”C” och ”F”.
Tvåcylindrig ”opposition” i ett enda block (Panhard Flat-Twin)
- Företag – Panhard
- Vissa bilmodeller – Panhard Dyna, Panhard 24, Panhard Dyna X84
Från 1945 till 1967 producerade det franska företaget Panhard ett antal modeller utrustade med den så kallade Flat-Twin-motorn. René Panhard var inte en pionjär i användningen av tvåcylindriga ”motsatser”, men kombinerade för första gången cylinderblocket och huvudet i ett aluminiumhölje. Förutom denna unika tekniska lösning i Flat-Twin-motorn fanns det andra intressanta upptäckter. Till exempel användes torsioner istället för ventilfjädrar för första gången och kylningen var dubbel luftkyld.
Volymen på sådana motorer var liten – från 0,61 till 0,85 liter, och effekten var från 42 till 60 hk. Ändå hindrade detta faktum inte X84-modellen att delta i tävlingar i Le Mans och till och med uppnå goda resultat i sin klass upp till 750 cm³. Panhard 24-kupén var också en mycket vacker bil.
Atkinson och Miller cykelmotorer
- Företag – Toyota, Lexus, Ford, Nissan
- Vissa bilmodeller – Toyota Prius, Lexus hybrider, Ford Escape, Nissan Altima
Som vi sa i början av den här artikeln körs de flesta moderna bilmotorer på Otto-cykeln. Men det finns fortfarande andra varianter: namnen på ingenjörerna James Atkinson och Ralph Miller är för alltid förknippade med kampen för att förbättra effektiviteten och öka effektiviteten.
Vad föreslog Atkinson? För det första ändrade han förhållandet mellan slagtiderna genom att komplicera vevmekanismen: kolvens slag under kompression och slagtider blev kortare än under insugning och avgasning, på grund av en unik vevaxel. Inloppsventilerna i Atkinson-cykeln stängs helt halvvägs till övre dödpunkten. För det andra sker alla fyra Atkinson-cyklerna i ett varv på vevaxeln, medan en konventionell Otto-motor kräver två. Fördelarna med denna typ av motor är hög verkningsgrad och miljövänlighet. Nackdelarna är den komplexa konstruktionen och det låga vridmomentet vid ”lågvarv”. Det är därför som sådana kraftaggregat används i hybrider, där denna egenskap kompenseras av elektrisk dragkraft.
Ralph Miller arbetade också med kompressionsförhållandet, men gick (1947) en annan väg. Istället för att mekaniskt minska kompressionsförhållandet med ett konstant slagförhållande föreslog han att minska det på bekostnad av insugningsförhållandet och hålla samma förskjutning för alla kolvar, som på Ottomotorn. Det finns två varianter av denna lösning, men båda är baserade på sen stängning av insugningsventilerna: ”Förkortat insug” (där insugsventilerna stängs före slutet av insugningsslaget) och ’Förkortad kompression’ (insugsventilerna stängs senare än insugningsslaget). Men båda är utformade för att minska kompressionsförhållandet för arbetsblandningen, och när bränslet antänds vid TDC har det således en mycket högre expansionsgrad än i en Otto-motor. Detta ger ett bättre utnyttjande av energin i de gaser som expanderar i cylindern, vilket ökar konstruktionens termiska verkningsgrad och därmed förbättrar ekonomin och elasticiteten. Dessutom minskar pumpförlusterna i kompressionsslaget eftersom det är lättare att komprimera bränsle i en Millercykelmotor. Nackdelarna med detta system är effektminskning (särskilt vid höga hastigheter) på grund av sämre cylinderfyllning.
Diesel ”opposition” med svängande vevaxel (Commer Rootes TS3 Tilling-Stevens)
- Företag – Rootes
- Vissa bilmodeller – Commer Q25, C-Series, Karrier
Den enda dieselmotorn i vår dagens recension, men vilken dieselmotor: tvåtakts ”opposition” TS3 (inte för ingenting fick den smeknamnet ”Knocker”) med en unik svängande vevaxel utvecklad av Tilling-Stevens! Den installerades dock från 1954 till 1968 endast på båtar, bussar och lastbilar från det lite kända för en bred krets brittiska företaget Rootes. Denna motor var inte bara placerad under förarsätet, utan hade också ett antal intressanta funktioner: varje cylinder hade två ”mot” kolvar, som överförde vridmoment till en enda vevaxel med hjälp av en speciell vippa och två vevstakar på varje kolv, och det fanns en mekanisk kompressor med kedjedrift! TS3-motorn hade tre cylindrar, en slagvolym på 3,25 liter och producerade hela 105 hk och 366 Nm vid bara 1200 varv/min. Det sades vara en mycket kompakt och tillförlitlig enhet, vars enda nackdel ansågs vara den höga ljudnivån.
I slutet av 1960-talet dök en prototyp av en 4-cylindrig liknande enhet upp, och ”mulan” utrustad med den passerade till och med testerna med en längd på nästan 2 miljoner kilometer, men saken gick inte längre: 1968 köpte Chrysler Corporation Rootes-företaget och utvecklingen begränsades.
Gobron Brillie Opposed Piston
Tvåtakts tvåcylindrig ”oppositionell” (Gobron Brillie Opposed Piston).
- Företaget är Gobron-Brillie
- Vissa bilmodeller – Gobron-Brillie 8CV, Gobron Brillie Opposed
Låt oss gå tillbaka till 1800-talet, närmare bestämt till 1898, då fransmannen Gustave Charles-Alexis Gobron tillsammans med landsmannen Eugène Brillieu grundade bilföretaget Societé des Moteurs Gobron-Brillie. Bara sex månader senare dök deras första barn upp – Gobron-Brillie 8CV, som använde en unik designmotor – med en volym på 1,6 liter och två vertikalt anordnade cylindrar hade den fyra kolvar, som rörde sig mot varandra. De nedre var anslutna till vevaxeln med de vanliga anslutningsstängerna, och de övre (deras slag var kortare) – med hjälp av ett originalsystem med stavar, vipparmar och excentriker. Det fanns bara en kamaxel, och hela mekanismen var helt synkroniserad. Ungefär halvvägs genom de övre kolvarnas slag – detta var det område där blandningen antändes – tändstift installerades, liksom inlopps- och avgasventiler som drivs av pushrods. Bränsletändningen skedde mellan kolvarna, ungefär halvvägs genom de övre kolvarnas slaglängd.
Förutom ett sådant invecklat, men enligt samtida, ganska tillförlitligt system med utmärkt jämnhet i drift, hade bilen ett ovanligt kraftsystem, där istället för en traditionell förgasare användes en uppsättning kolvar som kunde mata alla typer av bränsle i kammaren. Det sägs att Gobron-Brillie till och med kunde köra på alkohol eller starka alkoholhaltiga drycker som whisky och cognac!
Rotationsmotor – fast vevaxel, roterande cylindrar och kolvar (Adams-Farwell)
- Företag – Adams-Farwell
- Vissa bilmodeller – Adams-Farwell modell 5, 6, 7 och serie 6
Denna idé kallas ”från motsatsen”: om vevaxeln i en konventionell förbränningsmotor roterar och cylinderblocket förblir stillastående, så stod vevaxeln alltid på ett ställe i motorn, som uppfanns 1895 av ingenjören Fay Oliver Farwell. Legenden säger att Farwell, som arbetade för det amerikanska företaget The Adams Co, fick idén att konstruera en 3-cylindrig 4-taktsmotor där cylindrarna roterar på originallager runt en fast monterad vevaxel vid åsynen av… en vanlig kvarn!
Nio år senare, 1904, under namnet Adams-Farwell Model 5, började en bil med denna unika och ganska kraftfulla (25 hk) enligt den tidens standardmotor produceras. Förresten, det hade några ovanliga funktioner: istället för en förgasare kom bränslet in i kamrarna genom speciella hål i dem, och motorn hade inga ljuddämpare (det var ganska tyst). Den största nackdelen var överdriven oljeförbrukning, men trots detta faktum presenterade Adams-Farwell 1906 modell 6 med en 5-cylindrig 8,0-liters motor. Och 1910 användes företagets motorer även på de första helikoptrarna designade av Emil Berliner.
Separat cykelmotor
- Företag – Scuderi, Paut Motor, Bonner Motor
- Vissa modeller av bilar – inte installerade
Som ni vet, i en klassisk förbränningsmotor, inträffar alla fyra cyklerna i en enda cylinder. Men som det visar sig fanns det entusiaster i världen – och under det senaste förflutna – som predikade verkliga exotics med cykelseparation. År 2006 beslutade till exempel amerikaner från Scuderi-gruppen att den så kallade ”kalla” cylindern skulle ansvara för intags- och kompressionscyklerna, och en annan, ”varm” cylinder skulle ansvara för stroke och avgaser. När det finns expansion av gaser i arbetscylindern inträffar intagsklockan i den ”kalla” kompressorcylindern. När det sker en frigöring i den arbetande cylindern sker en kompression i den kalla. I slutet av kompressionsslaget närmar sig kolvarna sin TDC, blandningen ”flyter” från den ”kalla” cylindern till den ”varma” cylindern genom avlastningsventilen och antänds. Dessutom kan olika cylindrar ha olika kolvdiametrar och slaglängder, vilket möjliggör en mycket flexibel inställning. År 2009 presenterade Scuderi en prototyp, men den gick aldrig vidare: motorn är ekonomisk, men mycket komplex strukturellt.
Det kroatiska företaget Paut Motor har också experimenterat med delade cykler. År 2011 presenterade de till och med en prototyp, som med en literkapacitet på 7 liter vägde endast 135 kg, hade mycket färre delar, minskad friktion och buller än Scuderi-motorn. Men detta projekt dog också.
Tja, den mest komplexa motorn med delade cykler är förmodligen Bonner-motorn, där cylindrarna är anordnade tvärs, och vevaxeln gör planetrörelse genom ett växelsystem. Gasdistributionen sker med hjälp av specialventiler i botten av cylindrarna och roterande spolar i blocket. Kolvarna kan förskjutas under oljetryck, vilket ger ett variabelt kompressionsförhållande. Vilken röra! Inte undra på att denna motor sannolikt aldrig kommer att komma med i ”serien”.
Gasturbinmotor
- Företag – Kenworth, Rover, Fiat, GM, Lotus, Chrysler, Ford
- Vissa bilmodeller – Fiat Turbina, Chrysler Turbine, Rover Jet1, GM Firebird, Ford Thunderbird
Även om vi aldrig såg split-cycle-motorer på produktionsbilar, fanns bilar med gasturbinmotorer i naturen. Redan i början av 50-talet bestämde sig personbilstillverkarna för att spela detta spel och fortsatte med det ända fram till slutet av 60-talet. GTE-åldern var inte lång, men den gav oss en hel rad extraordinära modeller: Rover Jet1, Fiat Turbina, Ford Thunderbird, Chrysler TurboFlite.
En gasturbin är en enklare och mycket kraftfullare motor jämfört med en klassisk förbränningsmotor. Det är inte förvånande att bilindustrin, som redan före 50-talet av förra seklet aktivt lånade ett antal tekniska lösningar från flygindustrin, inte höll sig åt sidan och bestämde sig för att försöka använda motorer av denna typ på personbilar. Dessutom är utformningen av GTE i sig inte komplicerad: axlar med kompressor- och turbinhjul, varav den första matar komprimerad luft in i förbränningskammaren med bränsle. När den brinner och expanderar, snurrar arbetsblandningen turbinhjulet, som använder energin för att rotera kompressorn och naturligtvis jetframdrivning.
Motor med desmodromisk ventilaktivering
- Företag – Bignan, Ducati, Norton, Mercedes-Benz, BMW, Ferrari, Honda
- Vissa modeller – motorcyklar: Ducati, BMW, Honda, Norton, MV Agusta; bilar: Mercedes-Benz SLR
I en konventionell förbränningsmotor öppnas ventilerna med våld (med hjälp av speciella vipparmar) och stängs med hjälp av kraftiga fjädrar. Det är hastigheten hos just dessa fjädrar och deras otillräckliga styrka som orsakar det så kallade brottet i den kinematiska anslutningen, ”hängande” ventiler och som en följd av detta begränsning av motorvarvtalet. I fallet med ett desmodromiskt ställdon tvingas ventilerna också och stängs.
Historien om denna kunskap går tillbaka till början av 1900-talet, då en engelsk ingenjör vid namn Arnott 1910 fick patent på ett desmodromiskt timing-system. På den tiden var det särskilt relevant, eftersom fjädrarnas kvalitet ofta inte tålde ens mycket låga varvtal och belastningar. I praktiken användes ”desmodrom” först på den tävlande Peugeot L76 1912 och åtta år senare dök den upp på den franska sportbilen Bignan. De första motorcyklarna, som använde den desmodromiska drivenheten, var modeller av det brittiska företaget Norton 1924. Sedan dess har denna typ också använts på Mercedes-Benz, Ferrari, BMW, F.B. Mondial och Honda motorcyklar. Mondial och Honda. Det italienska motorcykelföretaget Ducati förblir dock den mest trogna anhängaren av detta system till denna dag.