A legszokatlanabb motorkonstrukciók

A modern autógyártók nem kényeztetnek el bennünket technikai finomságokkal a motorok kialakítását és konfigurálását illetően. Manapság a klasszikus belsőégésű motorok és turbódízelek uralják a labdát. De még mindig vannak kísérletezők, akik eredeti megoldásokat kínálnak. És a múltban még több ilyen projekt volt. Ma a Drom az autók és motorkerékpárok legszokatlanabb motorjairól szól.

Rendszerint minden jelenlegi autó motorházteteje alatt négyütemű benzinmotorok vannak beépítve, amelyek az úgynevezett Otto-ciklus szerint működnek – befecskendezés, sűrítés, löket, kipufogógáz. Ezek tipikus termikus belső égésű motorok, amelyekben az éghető keverék gyertyán keresztül gyullad meg, és ahol a kipufogószelepek a szívószelepek zárása után nyílnak. Az ilyen motorok fő hátránya az alacsony (akár 28%-os) hatásfok.

A modern autók több mint egyharmadát turbódízelekkel szerelik fel, amelyek hasonló forgattyús mechanizmussal rendelkeznek, de nagyobb sűrítési aránnyal és a munkakeverék sűrítésből és magas hőmérsékletből történő gyújtásával a hengerben. A dízelmotorok hatásfoka magasabb, de még mindig nem olyan nagy – akár 50%.

Ezt a két motortípust használják ma az autók túlnyomó többségében, és már régóta mindent tudnak és mondanak róluk. A mi feladatunk az, hogy szóljunk a nem annyira elterjedt sémákról, amelyek vagy komoly különbségeket mutatnak a „klasszikus” Otto- és dízelmotorokhoz képest, vagy egyáltalán más elven épülnek fel.

Wankel forgódugattyús motor

• Cégek – NSU, Mazda, Citroen, VAZ
• Egyes autómodellek – NSU Ro 80, Mazda RX-7, VAZ-21059 és 21079, Citroen GS.

Kezdjük természetesen a forgódugattyús konstrukcióval, amelyet nem is olyan régen – 1957-ben – Walter Freude és Felix Wankel mérnökök mutattak be először. Logikus, hogy ez a motor az egyik alkotó nevét – Wankel – kapta. Ennek az erőműnek a különlegessége egy háromoldalas dugattyú (rotor), amelyet a gáznyomás ereje hajt. A rotor mozgása az eredeti profilú „ovális” hengerhez (állórész) képest két fogaskerékkel történik: az egyik – a rotor belső felületén, a másik – a motor oldalsó burkolatának belső felületéhez mereven csatlakozik. Ezek kölcsönhatása biztosítja a körkörös excentrikus mozgást, amelyben a rotor az arcával érintkezik az égéstér belső felületével. A forgó mozgást egy speciális tengelyre, majd arról a sebességváltóra továbbítják. Az egyik mechanikus pár szabályozza a rotor mozgását, a másik pedig az excentrikus tengely forgásává alakítja azt. A tengely egy teljes fordulatára a rotornak 120°-ot van ideje elfordulni, és a három elszigetelt üreg mindegyikében egy belsőégésű motor teljes négyütemű ciklusa – befecskendezés, sűrítés, löket és kipufogógáz – reprodukálódik. Az ilyen típusú motorok nyilvánvaló előnyei a tömörség, a könnyűség, a kevesebb alkatrész (nincs dugattyú, összekötőrúd, forgattyús tengely), az egyszerűsített kenési rendszer, az alacsony rezgésszint és a nagy literes kapacitás. A fő hátrányok a rotor és a hengerfal közötti hézagtömítések gyenge hatékonysága, a speciális olaj nagy fogyasztása, a túlmelegedésre való hajlam, az igényes gyertyák és a viszonylag magas fordulatszámon elérhető nagy teljesítmény.

Az első szériaautó fordulatszámmal a német NSU Ro 80 volt 1967-ben, de a forgódugattyús motorok igazi népszerűségét természetesen a japán Mazda hozta meg, amely nemcsak legendás RX modelljeiről, hanem a „757” prototípus egyetlen Le Mans-i győzelméről is híres. A Mazda egyébként éppen idén tervezi, hogy visszatér a rotációs témához. A különböző gyártók különböző időpontokban kísérleteztek a fordulatszámmal. Még az AvtoVAZ-t is a 80-as években az „ötös” és a „hetes” forgódugattyúsok fémjelezték, amelyeket a közlekedésrendészetnél vagy a „rendfenntartók” használtak.

Változó sűrítési arányú motor

• Cégek – Infiniti, Saab, AVL, FEV, MCE-5
• Autómodell – Infiniti QX50

Egy olyan technológia, amelyet jelenleg csak egy járműben, a 2019-ben érkező Infiniti QX50 crossoverben alkalmaznak. A Nissan már több mint 20 éve dolgozik rajta, és most végre a 2,0 literes VC-T (Variable Compression Turbocharged) turbómotor képes a dugattyúk hosszának 6 mm-es változtatásával automatikusan beállítani a sűrítési arányt (8-tól maximális teljesítménynél 14-ig alacsony terhelésnél). Ez nemcsak azt teszi lehetővé, hogy szinte teljesen elfelejtsük a szuboptimális üzemmódokat és ennek következtében a detonáció előfordulását, hanem a japán mérnökök szerint a hatékonyságot is növeli, és a V alakú „hatosokhoz” képest akár 27%-os üzemanyag-megtakarítást tesz lehetővé. Ezt a trükköt a következő módon valósítják meg: van egy mozgatható csuklós összeköttetés a hajtórúd és annak alsó nyaka között, amely egy elektromotor által hajtott karrendszer segítségével működik. Ugyanakkor az erőmű teljesítménye lenyűgöző 270 lóerő, és a nyomaték – 390 Nm (Oroszországban a motor 249 lóerőre és 380 Nm-re deformálódik). A kialakítás fő hátrányainak tekinthető a bonyolultsága és az erőforrás nagyobb (körülbelül 10 kg) súlya.

A Ford, a Mercedes-Benz, a Peugeot és a Volkswagen mérnökei többször is kísérleteztek változó sűrítési arányú motorokkal, de szabadalmat még senki sem szerzett. Voltak olyan korai rendszerek is, amelyeknél egy kiegészítő dugattyú változtatta az égéstér térfogatát. Voltak kísérletek változó magasságú dugattyúkkal is, amelyek nagyon nehéznek bizonyultak. 2000-ben a FEV Motorentechnik cég a Volkswagen 1.8T turbómotorjába egy olyan rendszert épített be, amelynek… emelő forgattyús tengelye volt, amelynek mozgatása excentrikus tengelykapcsolók segítségével történt. Ugyanebben az évben a svéd Saab bemutatta elképzelését. Az 5 hengeres 1,6 literes SVC (Saab Variable Compression) turbómotor az osztott hengerblokk felső részét tudta megemelni. Nagyjából ugyanebben az időben az MCE-5 Development franciái egy olyan motort mutattak be, amely egyedi, fogazott lengőkarokkal ellátott osztott csuklórudakkal rendelkezett. De egyik megoldás sem talált alkalmazásra a sorozatgyártású autókban.

Knight hüvelyes szelepes motor

• Cégek – Daimler, Mercedes-Benz, Peugeot, Panhard, Willys-Knight, Mors, Avions-Voisin
• Egyes autómodellek – Avions-Voisin C, Willys-Knight, Daimler 22HP

Most a 19-20. század fordulójára utazunk, amikor Charles Knightnak az az ötlete támadt, hogy klasszikus szelepek nélküli motort hozzon létre. 1908-ban szabadalmaztatta agyszüleményét, amely úgynevezett „orsószelepekkel” volt felszerelve: ez egyfajta, egy speciális fogaskeréktengely által hajtott tengelykapcsoló volt, amely a dugattyú körül csúszott, és így a henger falában lévő be- és kimeneti nyílásokat nyitotta meg. Egy ilyen rendszer nemcsak működőképesnek bizonyult, hanem meglehetősen csendesnek, tartósnak, jó teljesítményűnek, és nem jelentett problémát a hagyományos tárcsás szelepek „beragadása”. Ezeken a nyilvánvaló előnyökön kívül voltak más előnyök is: jó kipufogógáz-eltakarítás, változatlan égéstér-forma (tehát nincs detonáció), nincs hagyományos blokkfej, és ideális a gyújtógyertyák elhelyezése. A fő hátránynak a megnövekedett olajfogyasztást tartották.

Ennek ellenére ilyen motorokkal szerelték fel a múlt század 40-es éveiig olyan híres autómárkák számos modelljét, mint a Daimler, a Panhard, a Peugeot, a Mercedes-Benz, a Willys és mások. Ezt követően – a motor fordulatszámának jelentős növekedése és a hagyományos tárcsás szelepek nátriumhűtésének bevezetése után – a rendszer gyakorlatilag elavult.

A Lanchester ikerkerekes iker-motorja

• Cégek – Lanchester, Ford
• Egyes autómodellek – Lanchester 12HP, Ford A/C/F

1896-ban Karl Benz szabadalmaztatott egy kéthengeres „ellenzéki motort”, három évvel később megalakult a Lanchester cég, és egy évvel később bemutatta első autóját, a Lanchester Phaetont, amelyet ilyen, két forgattyús tengellyel ellátott motorral szereltek fel. Ezt a bizonyos motort tekintik az első sorozatgyártású Flat-Twin motornak. Ez a 4,0 literes, léghűtéses, atmoszférikus egység 1250-es fordulatszámon nem kevesebb mint 10,5 lóerőt teljesített. Az egyik forgattyús tengely a másik fölött volt, és minden dugattyúhoz három (!) összekötőrúd tartozott – egy vastag középső és két könnyebb oldalsó. A vastag az egyik tengelyhez, a vékonyabbak pedig a másikhoz tartoztak. Ennek megfelelően a tengelyek ellentétes irányban forogtak.

Az autóipar hajnalán ilyen motorokkal szerelték nemcsak a Lanchester autók, hanem az első Ford modellek – „A”, „C” és „F” – is.

Kéthengeres „ellenzék” egy blokkban (Panhard Flat-Twin)

• Cég – Panhard
• Egyes autómodellek – Panhard Dyna, Panhard 24, Panhard Dyna X84

A francia Panhard cég 1945 és 1967 között számos, úgynevezett Flat-Twin motorral felszerelt modellt gyártott. René Panhard nem volt úttörő a kéthengeres „ellentétes” motorok alkalmazásában, de először egyesítette a hengerblokkot és a hengerfejet alumínium házban. A Flat-Twin motorban alkalmazott egyedülálló műszaki megoldás mellett más érdekes eredmények is születtek. Például szeleprugók helyett először alkalmaztak torziós rugókat, a hűtés pedig kettős léghűtéses volt.

Az ilyen motorok térfogata kicsi volt – 0,61 és 0,85 liter között, a teljesítmény pedig 42 és 60 lóerő között volt. Mindazonáltal ez a tény nem akadályozta meg az X84-es modellt abban, hogy részt vegyen a Le Mans-i versenyeken, sőt, 750 cm³-ig jó eredményeket ért el a kategóriájában. A Panhard 24 kupé is nagyon szép autó volt.

Atkinson és Miller ciklusú motorok

• Cégek – Toyota, Lexus, Ford, Nissan
• Egyes autómodellek – Toyota Prius, Lexus hibridek, Ford Escape, Nissan Altima

Ahogy a cikk elején említettük, a legtöbb modern autómotor az Otto-cikluson működik. De vannak még más változatok is: James Atkinson és Ralph Miller mérnökök neve örökre összekapcsolódik a hatékonyság javításáért és a hatékonyság növeléséért folytatott küzdelemmel.

Mit javasolt Atkinson? Először is a forgattyúmechanizmus bonyolításával megváltoztatta a löketidők arányát: a dugattyú lökései sűrítéskor és löketidőben rövidebbek lettek, mint szíváskor és kipufogáskor, egy egyedi forgattyús tengelynek köszönhetően. Az Atkinson-ciklusban a szívószelepek a felső holtpont feléig teljesen bezáródnak. Másodszor, mind a négy Atkinson-ciklus a forgattyús tengely egy fordulatával történik, míg a hagyományos Otto-motorhoz kettőre van szükség. Az ilyen típusú motorok előnye a nagy hatékonyság és a környezetbarát működés. Hátránya a tervezés bonyolultsága és a „mélypontokon” fellépő alacsony nyomaték. Ezért az ilyen erőforrásokat hibridekben használják, ahol ezt a tulajdonságot elektromos vontatással kompenzálják.

Ralph Miller is foglalkozott a sűrítési aránnyal, de (1947-ben) más utat járt be. Ahelyett, hogy mechanikusan csökkentette volna a sűrítési arányt állandó löketszám mellett, azt javasolta, hogy a szívási arány rovására csökkentsék azt, megtartva minden dugattyú esetében ugyanazt a lökettérfogatot, mint az Otto-motoroknál. Ennek a megoldásnak két változata létezik, de mindkettő a szívószelepek késői zárásán alapul: „rövidített szívás” (amikor a szívószelepek a szívóütem vége előtt zárnak) és »rövidített sűrítés« (a szívószelepek a szívóütem vége előtt zárnak). De mindkettő úgy van kialakítva, hogy csökkenti a munkakeverék sűrítési arányát, és így amikor az üzemanyag a TDC-nél meggyullad, sokkal nagyobb mértékben tágul, mint egy Otto-motorban. Ez lehetővé teszi a hengerben táguló gázok energiájának jobb kihasználását, ami növeli a konstrukció termikus hatásfokát, következésképpen javítja a gazdaságosságot és a rugalmasságot. Ezenkívül a sűrítési ütemben csökkennek a szivattyúzási veszteségek, mivel a Miller-ciklusú motorban könnyebb az üzemanyagot sűríteni. Ennek a rendszernek a hátránya a hengerek rosszabb töltöttsége miatti teljesítménycsökkenés (különösen nagy fordulatszámon).

Dízel „ellenállás” lengő forgattyús tengellyel (Commer Rootes TS3 Tilling-Stevens)

• Cég – Rootes
• Egyes autómodellek – Commer Q25, C-sorozat, Karrier

Mai ismertetőnk egyetlen dízelmotorja, de micsoda dízelmotor: kétütemű „ellenzéki” TS3 (nem véletlenül kapta a „Kopogós” becenevet), a Tilling-Stevens által kifejlesztett egyedi lengő forgattyús tengellyel! Ezt azonban 1954-től 1968-ig csak a széles körök számára kevéssé ismert brit Rootes cég hajóiba, buszaiba és teherautóiba építették be. Ez a motor nem csak a vezetőülés alatt helyezkedett el, hanem számos érdekességgel is rendelkezett: minden hengerben két „ellendugattyú” volt, amelyek egy speciális lengőkarral és két dugattyúnként két összekötő rúddal egy-egy forgattyús tengelyre továbbították a nyomatékot, és volt egy mechanikus kompresszor is, lánchajtással! A TS3 motor háromhengeres volt, hengerűrtartalma 3,25 liter, és mindössze 1200-as fordulatszámon jelentős 105 lóerőt és 366 Nm-t produkált. Azt mondták, hogy nagyon kompakt és megbízható egység volt, egyetlen hátrányának a magas zajszintet tartották.

Az 1960-as évek végén megjelent egy 4 hengeres, hasonló egység prototípusa, sőt, az ezzel felszerelt „öszvér” közel 2 millió kilométerrel át is ment a teszteken, de az ügy nem jutott tovább: 1968-ban a Chrysler Corporation felvásárolta a Rootes céget, és a fejlesztést leállították.

Gobron Brillie Opposed Piston

Kétütemű kéthengeres „ellenzéki” (Gobron Brillie Opposed Piston).

• A cég neve Gobron-Brillie
• Egyes autómodellek – Gobron-Brillie 8CV, Gobron Brillie Opposed

Menjünk vissza a XIX. századba, pontosabban 1898-ba, amikor a francia Gustave Charles-Alexis Gobron honfitársával, Eugène Brillieu-vel együtt megalapította a Societé des Moteurs Gobron-Brillie nevű autógyárat. Mindössze hat hónappal később jelent meg első gyermekük, a Gobron-Brillie 8CV, amely egyedülálló konstrukciójú motort használt – 1,6 literes térfogatú, két függőlegesen elhelyezett hengerrel négy, egymás felé mozgó dugattyúval rendelkezett. Az alsókat a szokásos összekötőrudakkal, a felsőket (löketük rövidebb volt) pedig – rudak, lengőkarok és excenterek eredeti rendszerének segítségével – a forgattyús tengelyhez kapcsolták. Csak egy vezérműtengely volt, és az egész mechanizmus teljesen szinkronizált volt. A felső dugattyúk löketének körülbelül a felénél – ez volt az a terület, ahol a keverék meggyulladt – gyújtógyertyákat, valamint tolórudakkal működtetett szívó- és kipufogószelepeket szereltek be. Az üzemanyag begyújtása a dugattyúk között, a felső dugattyúk löketének körülbelül a felénél történt.

Egy ilyen bonyolult, de a kortársak szerint meglehetősen megbízható, kiválóan egyenletes működésű rendszer mellett az autónak szokatlan erőátviteli rendszere is volt, ahol a hagyományos karburátor helyett dugattyúkat használtak, amelyek bármilyen típusú üzemanyagot képesek voltak a kamrába juttatni. Állítólag a Gobron-Brillie még alkohollal vagy erős alkoholtartalmú italokkal, például whiskyvel és konyakkal is képes volt vezetni!

Pörgős motor – rögzített forgattyús tengely, forgó hengerek és dugattyúk (Adams-Farwell)

• Cég – Adams-Farwell
• Egyes autómodellek – Adams-Farwell 5., 6., 7. modell és 6. sorozat

Ezt az ötletet „az ellenkezőjéről” nevezik: ha egy hagyományos belsőégésű motorban a forgattyús tengely forog, a hengerblokk pedig mozdulatlan marad, akkor a Fay Oliver Farwell mérnök által 1895-ben feltalált motorban a forgattyús tengely mindig egy helyben állt. A legenda szerint Farwellt, aki az amerikai The Adams Co. vállalatnak dolgozott, egy 3 hengeres, 4 ütemű motor megtervezésére ösztönözte, amelyben a hengerek eredeti csapágyakon forognak egy mereven rögzített forgattyús tengely körül, a látvány… egy közönséges malom!

Kilenc évvel később, 1904-ben Adams-Farwell Model 5 néven egy ilyen egyedi és az akkori viszonyokhoz képest meglehetősen erős (25 lóerős) motorral felszerelt autó került gyártásba. Egyébként volt néhány szokatlan tulajdonsága: karburátor helyett az üzemanyag speciális lyukakon keresztül jutott a kamrákba, és a motornak nem volt hangtompítója (meglehetősen csendes volt). A legfőbb hátránya a túlzott olajfogyasztás volt, de ennek ellenére 1906-ban az Adams-Farwell bemutatta a 6-os modellt, 5 hengeres, 8,0 literes motorral. És 1910-ben a cég motorjait még az Emil Berliner által tervezett első helikopterekben is használták.

Szeparált ciklusú motor

• Cégek – Scuderi, Paut Motor, Bonner Motor
• Autóautók egyes típusai – nem kerültek beépítésre

Mint tudjuk, egy klasszikus belsőégésű motorban mind a négy ciklus egyetlen hengerben zajlik. De mint kiderült, voltak a világon – és a közelmúltban is – olyan rajongók, akik igazi egzotikumokat hirdettek ciklusszétválasztással. Például 2006-ban a Scuderi Group amerikaijai úgy döntöttek, hogy az úgynevezett „hideg” henger a szívási és a sűrítési ciklusért, egy másik, „meleg” henger pedig a löketért és a kipufogógázért felel. Amikor a munkahengerben a gázok tágulása történik, a szívóóra a „hideg” kompresszoros hengerben történik. Amikor a dolgozóban kieresztés van, a hidegben kompresszió történik. A sűrítési ütem végén a dugattyúk megközelítik a TDC-t, a keverék a „hideg” hengerből a „meleg” hengerbe „áramlik” a túlnyomásszelepen keresztül, és begyullad. Ezenkívül a különböző hengerek különböző dugattyúátmérővel és lökethosszal rendelkezhetnek, ami nagyon rugalmas hangolást tesz lehetővé. 2009-ben Scuderi bemutatott egy prototípust, de az nem jutott tovább: a motor gazdaságos, de szerkezetileg nagyon összetett.

A horvát Paut Motor cég szintén kísérletezett osztott ciklusú motorokkal. 2011-ben be is mutattak egy prototípust, amely 7 literes űrtartalma mellett mindössze 135 kg-ot nyomott, jóval kevesebb alkatrészből állt, csökkentette a súrlódást és a zajt, mint a Scuderi-motor. De ez a projekt is elhalt.

Nos, a legbonyolultabb osztott ciklusú motor valószínűleg a Bonner-motor, amelyben a hengerek keresztben vannak elrendezve, és a forgattyús tengely bolygóműves mozgást végez egy fogaskerékrendszeren keresztül. A gázelosztást a hengerek alján lévő speciális szelepek és a blokkban lévő forgó orsók biztosítják. A dugattyúk olajnyomás alatt eltolhatók, ami változó sűrítési arányt biztosít. Micsoda zűrzavar! Nem csoda, hogy ez a motor valószínűleg soha nem kerül be a „sorozatba”.

Gázturbinás motor

• Cégek – Kenworth, Rover, Fiat, GM, Lotus, Chrysler, Ford
• Egyes autómodellek – Fiat Turbina, Chrysler Turbine, Rover Jet1, GM Firebird, Ford Thunderbird

Bár soha nem láttunk osztott ciklusú motorokat szériaautókon, a természetben léteztek gázturbinás motorral felszerelt autók. Az 50-es évek elejétől kezdve a személyautó-gyártók úgy döntöttek, hogy eljátsszák ezt a játékot, és egészen a 60-as évek végéig folytatták. A GTE korszaka nem volt hosszú, de rendkívüli modellek egész sorát adta: Rover Jet1, Fiat Turbina, Ford Thunderbird, Chrysler TurboFlite.

A gázturbina a klasszikus belsőégésű motorokhoz képest egyszerűbb és sokkal erősebb motor. Nem meglepő, hogy az autóipar, amely már a múlt század 50-es évei előtt is aktívan kölcsönzött számos technikai megoldást a repülésipartól, nem maradt ki, és úgy döntött, hogy megpróbálkozik ilyen típusú motorok alkalmazásával a személyautókban. Ráadásul maga a GTE kialakítása nem bonyolult: tengelyek kompresszorral és turbinakerékkel, amelyek közül az első sűrített levegőt táplál az égéstérbe az üzemanyaggal. Ahogy az elég és kitágul, a munkakeverék megpörgeti a turbinakereket, amelyek az energiát a kompresszor forgatására és természetesen a sugárhajtásra használják fel.

Motor desmodromikus szelepmeghajtással

• Cégek – Bignan, Ducati, Norton, Mercedes-Benz, BMW, Ferrari, Honda
• Egyes modellek – motorkerékpárok: Ducati, BMW, Honda, Norton, MV Agusta; személygépkocsik: Mercedes-Benz SLR

Egy hagyományos belsőégésű motorban a szelepeket erővel nyitják (speciális lengőkarok segítségével) és erős rugókkal zárják. Éppen ezeknek a rugóknak a gyorsasága és elégtelen szilárdsága okozza a kinematikai kapcsolat úgynevezett megszakadását, a szelepek „lógását” és ennek következtében a motor fordulatszámának korlátozását. A desmodromikus működtető esetében a szelepek is kényszerítve vannak és záródnak.

Ennek a know-how-nak a története a 20. század elejére nyúlik vissza, amikor 1910-ben egy Arnott nevű angol mérnök szabadalmat kapott egy desmodromikus időzítő rendszerre. Abban az időben ez különösen aktuális volt, mivel a rugók minősége gyakran még a nagyon alacsony fordulatszámot és terhelést sem bírta el. A gyakorlatban a „desmodromot” először 1912-ben a versenyző Peugeot L76-oson alkalmazták, majd nyolc évvel később a francia Bignan sportkocsin jelent meg. Az első motorkerékpárok, amelyek a desmodromos hajtást használták, a brit Norton cég modelljei voltak 1924-ben. Azóta ezt a típust a Mercedes-Benz, a Ferrari, a BMW, az F.B. Mondial és a Honda motorkerékpárokon is alkalmazták. Mondial és Honda. Az olasz Ducati motorkerékpár-gyártó cég azonban a mai napig ennek a sémának a leghűségesebb híve.