Nejneobvyklejší konstrukce motorů

Moderní automobilky nás nešetří technickými vymoženostmi, pokud jde o konstrukci a konfiguraci motoru. Klasické spalovací motory a turbodiesely dnes vládnou míči. Stále se však najdou experimentátoři, kteří nabízejí originální řešení. A v minulosti bylo takových projektů ještě více. Drom dnes vypráví o nejneobvyklejších motorech pro automobily a motocykly.

Pod kapotami všech současných automobilů jsou zpravidla instalovány čtyřdobé zážehové motory, které pracují podle takzvaného Ottova cyklu – vstřikování, komprese, zdvih, výfuk. Jedná se o typické tepelné spalovací motory se zapalováním hořlavé směsi pomocí svíčky, kdy se výfukové ventily otevírají až po uzavření sacích ventilů. Hlavní nevýhodou těchto motorů je nízká (až 28%) účinnost.

Více než třetina moderních automobilů je vybavena turbodiesely s podobným klikovým mechanismem, ale s vyšším kompresním poměrem a se zapalováním pracovní směsi od stlačení a vysoké teploty ve válci. Účinnost vznětových motorů je vyšší, ale stále ne tak velká – do 50 %.

Tyto dva typy motorů se dnes používají v naprosté většině automobilů a vše je o nich již dávno známo a řečeno. Naším úkolem je povědět si o nepříliš rozšířených schématech, která buď mají oproti „klasickým“ Ottovým a vznětovým motorům některé závažné odlišnosti, nebo jsou vůbec postavena na jiném principu.

Wankelův motor s rotačním pístem

• Firmy – NSU, Mazda, Citroen, VAZ
• Některé modely automobilů – NSU Ro 80, Mazda RX-7, VAZ-21059 a 21079, Citroen GS.

Začít bychom samozřejmě měli konstrukcí s rotačním pístem, kterou poprvé představili inženýři Walter Freude a Felix Wankel teprve nedávno – v roce 1957. Je logické, že tento motor dostal jméno jednoho z tvůrců – Wankel. Zvláštností této pohonné jednotky je třístranný píst (rotor), poháněný silou tlaku plynu. Pohyb rotoru vzhledem k „oválnému“ válci s původním profilem (statoru) se uskutečňuje prostřednictvím dvou převodů: jeden – na vnitřním povrchu rotoru, druhý – pevně spojený s vnitřním povrchem bočního krytu motoru. Jejich vzájemné působení zajišťuje kruhový excentrický pohyb, při kterém se rotor dotýká svými plochami vnitřního povrchu spalovací komory. Rotační pohyb se přenáší na speciální hřídel a z něj na převodovku. Jedna mechanická dvojice reguluje pohyb rotoru a druhá jej převádí na otáčení excentrického hřídele. Na jednu plnou otáčku hřídele má rotor čas se otočit o 120° a v každé ze tří izolovaných dutin se reprodukuje celý čtyřdobý cyklus spalovacího motoru – vstřikování, komprese, zdvih a výfuk. Zřejmými výhodami tohoto typu motorů jsou jejich kompaktnost, lehkost, menší počet dílů (žádné písty, ojnice, klikový hřídel), zjednodušený systém mazání, nízká úroveň vibrací a vysoká litráž. Hlavními nevýhodami jsou nízká účinnost těsnění mezery mezi rotorem a stěnou válce, vysoká spotřeba speciálního oleje, tendence k přehřívání, náročné svíčky a vysoký výkon při relativně vysokých otáčkách.

Prvním sériovým vozem s RPM byl německý NSU Ro 80 v roce 1967, ale skutečnou popularitu motorů s rotačním pístem přinesla samozřejmě japonská společnost Mazda, proslavená nejen svými legendárními modely RX, ale také jediným vítězstvím prototypu „757“ v Le Mans. Mimochodem, Mazda se k rotačnímu tématu plánuje vrátit právě letos. Různí výrobci v různých obdobích s rotačními motory experimentovali. Dokonce i AvtoVAZ se v 80. letech vyznačoval rotačními „pětkami“ a „sedmičkami“, které se používaly u dopravní policie nebo u „strážců zákona“.

Motor s proměnlivým kompresním poměrem

• Firmy – Infiniti, Saab, AVL, FEV, MCE-5
• Model vozu – Infiniti QX50

Technologie, která je v současné době použita pouze v jednom voze, a to v crossoveru Infiniti QX50, který přijde na trh v roce 2019. Nissan se jí věnuje již více než 20 let a nyní konečně u 2,0litrového motoru VC-T (Variable Compression Turbocharged) s turbodmychadlem dokáže automaticky upravovat kompresní poměr (od 8 při maximálním výkonu po 14 při nízkém zatížení) pomocí úpravy délky pístů o 6 mm. To umožňuje nejen téměř úplně zapomenout na neoptimální režimy a v důsledku toho i na výskyt detonací, ale také zvýšit účinnost a podle japonských inženýrů ušetřit až 27 % paliva v porovnání s „šestiválci“ ve tvaru V. Tento trik je realizován následujícím způsobem: existuje pohyblivý kloub ojnice s jejím spodním krkem, který pracuje pomocí soustavy pák poháněných elektromotorem. Výkon pohonné jednotky přitom činí impozantních 270 k a točivý moment 390 Nm (v Rusku je motor deformován na 249 k a 380 Nm). Za hlavní nevýhody konstrukce je považována její složitost a vyšší (asi 10 kg) hmotnost pohonné jednotky.

S motory s proměnným kompresním poměrem se v různých obdobích zabývali inženýři společností Ford, Mercedes-Benz, Peugeot a Volkswagen, ale nikdo z nich nezískal patent. Existovaly také rané systémy s přídavným pístem, který měnil objem spalovacího prostoru. Probíhaly také pokusy s písty s proměnnou výškou, které se ukázaly jako velmi těžké. V roce 2000 instalovala společnost FEV Motorentechnik do turbomotoru Volkswagen 1.8T systém se… zvedacím klikovým hřídelem, jehož pohyb se uskutečňoval pomocí excentrických spojek. Ve stejném roce předvedli svou vizi Švédové ze Saabu. Pětiválcový 1,6litrový turbomotor SVC (Saab Variable Compression) dokázal zvedat horní část děleného bloku válců. Přibližně ve stejné době předvedli Francouzi z MCE-5 Development motor s unikátními dělenými ojnicemi s ozubenými vahadly. Žádné z těchto řešení však nikdy nenašlo uplatnění v sériových vozech.

Motor s ventilovým pouzdrem Knight

• Firmy – Daimler, Mercedes-Benz, Peugeot, Panhard, Willys-Knight, Mors, Avions-Voisin
• Některé modely automobilů – Avions-Voisin C, Willys-Knight, Daimler 22HP

Nyní se přeneseme na přelom 19. a 20. století, kdy Charles Knight dostal nápad vytvořit motor bez klasických ventilů. V roce 1908 si nechal patentovat své dítko, které bylo vybaveno takzvanými „cívkovými ventily“: jednalo se o jakousi spojku, poháněnou speciálním ozubeným hřídelem, která se posouvala kolem pístu a otevírala tak vstupní a výstupní otvory ve stěnách válce. Takový systém se ukázal nejen jako funkční, ale také jako poměrně tichý, trvanlivý, s dobrým výkonem a bez problémů se „zasekáváním“ běžných talířových ventilů. Kromě těchto zřejmých výhod tu byly i další: dobré odvádění výfukových plynů, nezměněný tvar spalovací komory (tedy žádná detonace), žádná konvenční hlava bloku a ideální umístění zapalovacích svíček. Za hlavní nevýhodu byla považována zvýšená spotřeba oleje.

Přesto byla těmito motory až do 40. let minulého století vybavena řada modelů tak slavných automobilových značek, jako jsou Daimler, Panhard, Peugeot, Mercedes-Benz, Willys a další. Následně – po výrazném zvýšení otáček motoru a zavedení sodíkového chlazení pro konvenční kotoučové ventily – se tento systém prakticky zastaral.

Dvoukruhový dvouválcový motor Lanchester

• Firmy – Lanchester, Ford
• Některé modely automobilů – Lanchester 12HP, Ford A/C/F

V roce 1896 si Karl Benz nechal patentovat dvouválcový „opoziční motor“, o tři roky později byla založena společnost Lanchester a o rok později představila svůj první vůz Lanchester Phaeton, vybavený takovým motorem se dvěma klikovými hřídeli. Tento konkrétní motor je považován za první sériově vyráběný motor Flat-Twin. Tato vzduchem chlazená atmosférická jednotka o objemu 4,0 litru dosahovala výkonu až 10,5 koně při 1250 otáčkách za minutu. Jeden klikový hřídel byl nad druhým a každý píst měl tři (!) ojnice – jednu tlustou centrální a dvě lehčí po stranách. Tlustá šla na jednu hřídel a tenčí na druhou. Podle toho se hřídele otáčely v opačných směrech.

Na úsvitu automobilového průmyslu byly takovými motory vybaveny nejen vozy Lanchester, ale také první modely Ford – „A“, „C“ a „F“.

Dvouválcový „opozit“ v jednom bloku (Panhard Flat-Twin)

• Firma – Panhard
• Některé modely vozů – Panhard Dyna, Panhard 24, Panhard Dyna X84

V letech 1945 až 1967 vyráběla francouzská společnost Panhard řadu modelů vybavených tzv. motorem Flat-Twin. René Panhard nebyl průkopníkem v používání dvouválcových „protijednotek“, ale poprvé spojil blok válců a hlavu v hliníkovém pouzdře. Kromě tohoto unikátního technického řešení motoru Flat-Twin došlo k dalším zajímavým poznatkům. Například místo ventilových pružin byly poprvé použity torzní pružiny a chlazení bylo dvojité vzduchové.

Objem těchto motorů byl malý – od 0,61 do 0,85 litru a výkon se pohyboval od 42 do 60 koní. Přesto tato skutečnost nebránila modelu X84 účastnit se závodů v Le Mans a dokonce dosahovat dobrých výsledků ve své třídě do 750 cm³. Kupé Panhard 24 bylo také velmi krásným vozem.

Motory Atkinsonova a Millerova cyklu

• Firmy – Toyota, Lexus, Ford, Nissan
• Některé modely automobilů – Toyota Prius, hybridy Lexus, Ford Escape, Nissan Altima

Jak jsme uvedli na začátku tohoto článku, většina moderních automobilových motorů pracuje v Ottově cyklu. Existují však ještě další varianty: jména inženýrů Jamese Atkinsona a Ralpha Millera jsou navždy spojena se snahou o zlepšení účinnosti a zvýšení efektivity.

Co Atkinson navrhl? Nejprve zkomplikoval klikový mechanismus a změnil poměr dob zdvihu: zdvihy pístu při kompresi a době zdvihu se díky unikátnímu klikovému hřídeli zkrátily oproti době sání a výfuku. Sací ventily se v Atkinsonově cyklu zavírají zcela v polovině horní mrtvé polohy. Za druhé, všechny čtyři Atkinsonovy cykly proběhnou během jedné otáčky klikového hřídele, zatímco běžný Ottův motor potřebuje dvě. Výhodou tohoto typu motoru je vysoká účinnost a šetrnost k životnímu prostředí. Nevýhodou je složitost konstrukce a nízký točivý moment v „nízkých“ otáčkách. Proto se takové pohonné jednotky používají v hybridech, kde je tato vlastnost kompenzována elektrickým pohonem.

Ralph Miller se také zabýval kompresním poměrem, ale vydal se (v roce 1947) jinou cestou. Místo mechanického snížení kompresního poměru při konstantním zdvihovém poměru navrhl jeho snížení na úkor sacího poměru při zachování stejného zdvihového objemu pro všechny písty, jako u Ottova motoru. Existují dvě varianty tohoto řešení, ale obě jsou založeny na pozdním zavírání sacích ventilů: „zkrácené sání“ (sací ventily se zavírají před koncem sacího zdvihu) a ‚zkrácená komprese‘ (sací ventily se zavírají později než sací zdvih). Obojí je však navrženo tak, aby se snížil kompresní poměr pracovní směsi, a proto má palivo při zapálení v TDC mnohem větší míru expanze než v Ottově motoru. To umožňuje lépe využít energii plynů expandujících ve válci, což zvyšuje tepelnou účinnost konstrukce a následně zlepšuje hospodárnost a pružnost. Kromě toho se snižují čerpací ztráty v kompresním zdvihu, protože v motoru s Millerovým cyklem je snazší stlačit palivo. Nevýhodou tohoto schématu je snížení výkonu (zejména při vysokých otáčkách) v důsledku horšího plnění válce.

Dieselová „opozice“ s kyvným klikovým hřídelem (Commer Rootes TS3 Tilling-Stevens)

• Firma – Rootes
• Některé modely automobilů – Commer Q25, řada C, Karrier

Jediný vznětový motor v našem dnešním přehledu, ale zato pořádný: dvoutaktní „opoziční“ TS3 (ne nadarmo se mu přezdívalo „Knocker“) s unikátním kyvným klikovým hřídelem vyvinutým firmou Tilling-Stevens! Ten se však v letech 1954 až 1968 montoval pouze do lodí, autobusů a nákladních automobilů širokému okruhu málo známé britské firmy Rootes. Tento motor byl nejen umístěn pod sedadlem řidiče, ale měl také řadu zajímavých prvků: každý válec měl dva „protipísty“, které přenášely točivý moment na jediný klikový hřídel pomocí speciálního vahadla a dvou ojnic na každém pístu, a byl zde mechanický kompresor s řetězovým pohonem! Motor TS3 měl tři válce, zdvihový objem 3,25 litru a dosahoval značného výkonu 105 k a 366 Nm při pouhých 1200 ot/min. Údajně se jednalo o velmi kompaktní a spolehlivý agregát, za jehož jedinou nevýhodu byla považována vysoká hlučnost.

Koncem šedesátých let se objevil prototyp podobné čtyřválcové jednotky a „mula“ s ní vybavená dokonce prošla testy s délkou téměř 2 miliony kilometrů, ale věc se nedostala dál: v roce 1968 koupila společnost Rootes Chrysler Corporation a vývoj byl utlumen.

Gobron Brillie Opposed Piston

Dvoutaktní dvouválcový „opoziční“ (Gobron Brillie Opposed Piston).

• Společnost se jmenuje Gobron-Brillie
• Některé modely automobilů – Gobron-Brillie 8CV, Gobron Brillie Opposed.

Vraťme se do 19. století, přesněji do roku 1898, kdy Francouz Gustave Charles-Alexis Gobron spolu s krajanem Eugènem Brillieuem založili automobilovou společnost Societé des Moteurs Gobron-Brillie. Již o půl roku později se objevilo jejich první dítko – Gobron-Brillie 8CV, které používalo motor unikátní konstrukce – s objemem 1,6 litru a dvěma svisle uspořádanými válci měl čtyři písty, které se pohybovaly proti sobě. Spodní byly s klikovým hřídelem spojeny obvyklými ojnicemi a horní (jejich zdvih byl kratší) – pomocí originálního systému táhel, vahadel a excentrů. Vačkový hřídel byl pouze jeden a celý mechanismus byl plně synchronizován. Přibližně v polovině zdvihu horních pístů – v této oblasti docházelo k zapalování směsi – byly instalovány zapalovací svíčky a sací a výfukové ventily ovládané táhly. K zapálení paliva docházelo mezi písty, přibližně v polovině zdvihu horních pístů.

Kromě takto složitého, ale podle současníků poměrně spolehlivého systému s vynikající plynulostí chodu měl vůz neobvyklý systém pohonu, kde se místo tradičního karburátoru používala soustava pístů, schopných přivádět do komory jakýkoli druh paliva. Říká se, že Gobron-Brillie mohl jezdit i na alkohol nebo silné alkoholické nápoje, jako je whisky a koňak!

Rotační motor – pevný klikový hřídel, rotující válce a písty (Adams-Farwell)

• Firma – Adams-Farwell
• Některé modely automobilů – Adams-Farwell modely 5, 6, 7 a řada 6

Tato myšlenka se nazývá „z opaku“: jestliže v běžném spalovacím motoru se klikový hřídel otáčí a blok válců zůstává nehybný, pak v motoru, který v roce 1895 vynalezl inženýr Fay Oliver Farwell, stál klikový hřídel vždy na jednom místě. Legenda praví, že Farwella, který pracoval pro americkou společnost The Adams Co., přiměl k návrhu tříválcového čtyřdobého motoru, v němž se válce otáčejí na původních ložiskách kolem pevně uloženého klikového hřídele, pohled na… obyčejný mlýn!

O devět let později, v roce 1904, se pod názvem Adams-Farwell Model 5 začal vyrábět vůz s tímto unikátním a na tehdejší poměry poměrně výkonným (25 k) motorem. Mimochodem, měl několik neobvyklých vlastností: místo karburátoru se palivo dostávalo do komor speciálními otvory v nich a motor neměl žádné tlumiče (byl poměrně tichý). Hlavní nevýhodou byla nadměrná spotřeba oleje, ale i přes tuto skutečnost představila firma Adams-Farwell v roce 1906 model 6 s pětiválcovým motorem o objemu 8,0 litru. A v roce 1910 byly motory této firmy použity i v prvních vrtulnících navržených Emilem Berlinerem.

Motor s odděleným cyklem

• Firmy – Scuderi, Paut Motor, Bonner Motor
• Některé modely automobilů – nebyly instalovány

Jak víte, v klasickém spalovacím motoru probíhají všechny čtyři cykly v jednom válci. Ale jak se ukazuje, ve světě – i v nedávné minulosti – existovali nadšenci, kteří hlásali skutečnou exotiku s oddělenými cykly. Například v roce 2006 se Američané ze skupiny Scuderi Group rozhodli, že takzvaný „studený“ válec bude zodpovědný za sací a kompresní cyklus a další, „horký“ válec bude zodpovědný za zdvih a výfuk. Když v pracovním válci dochází k expanzi plynů, takt sání probíhá ve „studeném“ kompresním válci. Když dojde k uvolnění v pracovním, dojde ke kompresi ve studeném. Na konci kompresního zdvihu se písty přiblíží ke svému TDC, směs „přeteče“ ze „studeného“ válce do „horkého“ válce přes přepouštěcí ventil a dojde k jejímu zapálení. Kromě toho mohou mít různé válce různé průměry a zdvihy pístů, což umožňuje velmi flexibilní ladění. V roce 2009 Scuderi představil prototyp, který se však nikdy nedostal dál: motor je sice úsporný, ale konstrukčně velmi složitý.

S dělenými cykly experimentovala také chorvatská společnost Paut Motor. V roce 2011 dokonce představila prototyp, který při litrovém objemu 7 litrů vážil pouhých 135 kg, měl mnohem méně dílů, snížené tření a hlučnost než motor Scuderi. I tento projekt však zanikl.

No a nejsložitějším motorem s dělenými cykly je pravděpodobně motor Bonner, v němž jsou válce uspořádány napříč a klikový hřídel vykonává planetární pohyb prostřednictvím soustavy ozubených kol. Rozvod plynů se provádí pomocí speciálních ventilů na dně válců a otočných cívek v bloku. Písty lze posouvat pod tlakem oleje, čímž je zajištěn proměnlivý kompresní poměr. To je ale nepořádek! Není divu, že se tento motor pravděpodobně nikdy nedostane do „série“.

Plynový turbínový motor

• Společnosti – Kenworth, Rover, Fiat, GM, Lotus, Chrysler, Ford
• Některé modely automobilů – Fiat Turbina, Chrysler Turbine, Rover Jet1, GM Firebird, Ford Thunderbird

Ačkoli jsme se nikdy nesetkali s motory s děleným cyklem v sériových automobilech, automobily s motory s plynovou turbínou v přírodě existovaly. Od počátku 50. let se výrobci osobních automobilů rozhodli hrát tuto hru a pokračovali v ní až do konce 60. let. Éra GTE nebyla dlouhá, ale dala nám celou řadu výjimečných modelů: Rover Jet1, Fiat Turbina, Ford Thunderbird, Chrysler TurboFlite.

Plynová turbína je ve srovnání s klasickým spalovacím motorem jednodušší a mnohem výkonnější motor. Není divu, že automobilový průmysl, který ještě před padesátými lety minulého století aktivně přebíral řadu technických řešení z leteckého průmyslu, nezůstal stranou a rozhodl se pokusit se využít motory tohoto typu i v osobních automobilech. Navíc samotná konstrukce GTE není nijak složitá: hřídele s kompresorem a turbínovými koly, z nichž první přivádí do spalovací komory stlačený vzduch s palivem. Při jeho hoření a rozpínání se pracovní směs roztáčí turbínovým kolem, které získanou energii využívá k otáčení kompresoru a samozřejmě k tryskovému pohonu.

Motor s desmodromickým ovládáním ventilů

• Firmy – Bignan, Ducati, Norton, Mercedes-Benz, BMW, Ferrari, Honda
• Některé modely – motocykly: Ducati, BMW, Honda, Norton, MV Agusta; automobily: Mercedes-Benz SLR

V běžném spalovacím motoru se ventily otevírají násilím (pomocí speciálních vahadel) a zavírají silnými pružinami. Právě rychlost těchto pružin a jejich nedostatečná pevnost způsobují tzv. přerušení kinematického spojení, „zavěšení“ ventilů a v důsledku toho omezení otáček motoru. V případě desmodromického pohonu jsou ventily rovněž nuceny a zavírají se.

Historie tohoto know-how sahá až do počátku 20. století, kdy v roce 1910 získal anglický inženýr Arnott patent na desmodromický systém časování. V té době to bylo obzvlášť aktuální, protože kvalitní pružiny často nevydržely ani velmi nízké otáčky a zatížení. V praxi byl „desmodrom“ použit nejprve u závodního vozu Peugeot L76 v roce 1912 a o osm let později se objevil u francouzského sportovního vozu Bignan. Prvními motocykly, které používaly pohon „desmodrom“, byly v roce 1924 modely britské firmy Norton. Od té doby se tento typ používal také u motocyklů značek Mercedes-Benz, Ferrari, BMW, F.B. Mondial a Honda. Mondial a Honda. Nejvěrnějším zastáncem tohoto schématu však dodnes zůstává italská motocyklová společnost Ducati.