Enotaktni motor z notranjim zgorevanjem - rešitev za termične motorje?

Transport je ena največjih vej industrije v sodobnem svetu in vsako leto izdelajo več pogonskih sklopov, kot se rodi ljudi na Zemlji. A kljub temu še vedno ni povsem jasno, kakšni bodo pogonski sklopi čez pet ali deset let. Pri podjetju Innengine iz Španije pa so obudili 150 let star Ottov princip delovanja motorja z notranjim zgorevanjem in ga prilagodili elektrifikaciji ter vodiku kot gorivu. Kar nekaj časa je nastajal ta motor, ki je zdaj zrel za uporabo.

Majhen motor, ki je po moči primerljiv z atmosferskim dvolitrskim bencinskim štirivaljnikom. (foto: Innengine) Innengine
11. 1. 2023

Snovalci so optimistični in veliko pričakujejo od svojega patenta; globalno naj bi po njihovih napovedih do leta 2027 izdelali že 226 milijonov teh motorjev. Ciljajo predvsem na letalsko industrijo in elektrifikacijo, pa naj se to sliši še tako nelogično.

Osem batov, štirje valji, a nobene kolenaste gredi. Čeprav so motorji z notranjim zgorevanjem po zaslugi politike v Evropi obsojeni na izumrtje, to še ne pomeni, da se v njih ne skriva veliko razvojnega potenciala. V Španiji so razvili motor z nasproti ležečimi bati, ki deluje kot enotaktnik in lahko kot gorivo uporablja tudi vodik. Takšen in podobni projekti bi lahko v prihodnje le prepričali birokrate v EU, da je lahko pristop do čiste mobilnosti večplasten in ne samo električen.

Bi lahko ta motor predstavljal rešitev za celotne generacije pogonskih sklopov z notranjim zgorevanjem? Vprašanje je seveda, ali bo ta koncept kdaj zares v polnosti zaživel v praksi in kako se bo nanj odzvala politika. Vseeno ima tak motor kar nekaj prednosti, ki bi se lahko izkazale za dobre.

Več delovnih taktov v istem času

Če si na hitro pogledamo delovanje denimo dvotaktnega motorja, ima ta en delovni takt (torej tisti uporabni del cikla) v enem vrtljaju kolenaste gredi. Pri štiritaktnem motorju je delovnih taktov še manj. Z drugimi besedami: štiritaktni motor potrebuje dva vrtljaja kolenaste gredi za en vžig.

Motor z nasproti ležečimi bati je torej enotaktnik, saj za en delovni takt potrebuje le polovico vrtljaja in se torej gorivo »vžge« dvakrat tako pogosto kot dvotaktni motor in štirikrat kot štiritaktni motor. Zgorevalni prostor tako dejansko nikoli ni prazen, saj se teoretično zmes vžge na vsakih 180 stopinj zasuka kolenaste gredi. Teoretično – kajti motor serije Rex dejansko nima kolenaste gredi.

Majhen, lahek in brez potratnih dodatkov

Koncept tega motorja bi lahko pomenil rešitev za motorje z notranjim zgorevanjem, saj za razliko od klasičnih toplotnih motorjev nima kolenaste gredi. Dva bata si dejansko delita isti zgorevalni prostor ali po domače valj in delujeta v obratnih smereh eden od drugega.

Zato motor ne potrebuje nobenih zapletenih mehanizmov za krmiljenje ventilov in s tem tudi nima motorne glave. Zato je površina zgorevanja v valju sorazmerno majhna, s tem pa se poveča njen izkoristek in je tako hitrejše tudi praznjenje valja z izpušnimi plini. Motor je zaradi manjšega števila delov in samosvoje gradnje kar 55 odstotkov manjši in do 70 odstotkov lažji od primerljivega klasičnega motorja z notranjim zgorevanjem, zaradi zasnove pa ne oddaja nobenih tresljajev in tako deluje izredno mirno.

Mirno delovanje

Seveda ob vseh prednostih tudi ta koncept ni brez pomanjkljivosti: mehanizem za nadzor izpuha je izpostavljen zelo visokim temperaturam, še največja pomanjkljivost pa je velikost ohišja in celotna mehanska zapletenost ustroja motorja.

Vseeno je že prepričal tudi z velikim navorom in tudi krivulja poteka navora je izredno ugodna. Motor nima kolenaste gredi, ampak dve krmilni plošči, po katerih drsajo štirje bati na vsaki strani. Obe plošči se vrtita usklajeno in sta povezani prek notranje gredi, s čimer vrtenje prenašata neposredno na pogonsko gred. Vseh osem batov deluje sinhrono, zato vžig mešanice poteka istočasno v dveh zgorevalnih komorah ravno na nasprotnem delu motorja. Zato tudi ni nobenih vibracij pri delovanju, v vsakem zgorevalnem prostoru pa se vžig opravi po dvakrat pri vsakem vrtljaju.

Princip delovanja in zasnova omogočata veliko prilagodljivosti

Vsesani zrak in neposredno vbrizgano gorivo zgorita, bat na izpušni strani pa na poti proti spodnji mrtvi točki odpre izpušno odprtino, skozi katero se sprostijo izpušni plini. Podtlak v zgorevalnem prostoru na vstopni strani posesa zrak skozi odprtino, ki jo na drugi strani odpre nasprotni bat na sesalni strani. V tem času se krmilna plošča zavrti šele za 180 stopinj. Bat, ki se zdaj iz spodnje mrtve točke vrača proti zgornji, stisne zrak ob glavo bata na nasprotni strani, vbrizgalna šoba pa vbrizga gorivo, pri čemer pride do novega vžiga. Med dvema vžigoma krmilna plošča opravi 360-stopinjski vrtljaj.

Ker se vseh osem batov premika sinhrono, je ena od prednosti tega motorja tudi spremenljiva stopnja kompresije. Pri navadnem batnem motorju je kompresija najpomembnejši del za doseganje boljšega izkoristka: čim večja je kompresija, tem boljše je, kajti bolj kot je stisnjena zmes, »močnejše« je zgorevanje in več energije se sprosti pri enaki količini goriva.

Enostavno prilagajanje kompresije

A prednosti visoke kompresije se najbolje izkažejo le pri visokih ali najvišjih motornih vrtljajih. Pri delni obremenitvi motorja, torej pri nepopolnem polnjenju valja, nikoli ne pride do največje kompresije. Zato so že v preteklosti inženirji skušali ustvariti motor s prilagodljivo kompresijo. Kakor Nissan pri novem Qashqaiju e-Power pa še kakšna znamka, kot je denimo Mazda.

Innengine uporablja precej bolj enostavno zasnovo in jo lahko tudi s pridom uporabi. Zato so krmilno ploščo zasukali za nekaj stopinj in s tem skrajšali razdaljo med obema nasproti stoječima batoma. S tem so zmanjšali prostornino zgorevalne komore in povečali kompresijsko razmerje. Obratno pa lahko, ko se krmilna plošča premakne v drugo smer, podaljšajo čas sesanja. Lahko torej rečemo, da spreminjajo kompresijsko razmerje v povezavi s spreminjanjem časa polnjenja.

Ne kot glavni pogonski sklop

Prvi Innenginov motor s tem konceptom se imenuje e-Rex in je zasnovan za uporabo v avtomobilih. A ne le kot glavni pogonski sklop, čeprav so prototip 500-kubičnega motorja s 120 konjiči tudi že namestili v preskusno mazdo MX-5. Snovalci bi si bolj želeli, da bi bil namenjen avtomobilski industriji kot tako imenovani range extender, torej motor, ki skrbi za dodatno polnjenje baterije in služi kot pogon generatorja. Ker deluje mirno, lahko tako e-Rex zelo umirjeno polni baterijo, istočasno pa s svojo zasnovo varčuje tako s težo kot s prostorom.

In ravno ti dve komponenti sta motorjev največji adut. Kot omenjeno, je 55 odstotkov manjši in 70 odstotkov lažji od primerljivega klasičnega štiritaktnega »range externderja«, trenutno pa so v fazi prilagajanja motorja standardu Euro 7. Zaradi neposrednega vbrizga lahko kot gorivo uporabljajo tudi vodik.

Princip je star že skoraj 100 let

Za primerjavo: 500-kubični e-Rex po podatkih proizvajalca tehta le 35 kilogramov in proizvede enako moč kot primerljiv dvolitrski atmosferski motor. Pa s tem Innengine niti ne želi rešiti motorja z notranjim zgorevanjem pred izginotjem, ampak želi olajšati prehod na elektrifikacijo. Tako lahko z njegovo montažo proizvajalci nameščajo manjše baterije, kar pomeni manj kritičnih surovin za njihovo izdelavo, saj se doseg lahko poveča ravno z uporabo tega motorja. A vseeno se mora tudi e-Rex z nečim »hraniti«, in četudi sta bencin in vodik trenutno sicer ekonomsko dosegljiva, sta ekološko skorajda nesprejemljiva.

Osnovni princip delovanja motorja niti ni tako nov. Že leta 1932 je podjetje Junkers uporabilo motor z nasproti ležečimi bati za pogon letal. Takrat so iskali motor z dobrim izkoristkom in mirnim delovanjem, zato se tudi pri Innenginu zgledujejo po tem principu in razvijajo drugi motor v seriji z imenom Rex-B. Ta je namenjen letalom in iz 125 kubičnih centimetrov delovne prostornine iztisne 15,8 kilovata (21,5 KM) ter ima le tri premikajoče se sestavne dele.

Čas bo pokazal, ali je to prihodnost

Ali bo ta koncept res zaživel v praksi, bo pokazal čas. Če bo upravičil vlogo delnega rešitelja motorjev z notranjim zgorevanjem, pa tudi. Kajti tudi ta motor s seboj prinaša nekaj pomanjkljivosti, ki so jih imeli že drugi podobni motorji, a te so za zdaj pri Innenginu dobro omilili.

Na drugi strani pa seveda e-Rex ne želi in ne more biti rešitelj toplotnih motorjev, ampak je kot »range extender« prej namenjen enostavnejšemu in hitrejšemu, predvsem pa cenejšemu prehodu na elektrifikacijo pogonov (z večjim dosegom). Deluje tako rekoč brez vibracij in je majhen ter lahek, s čimer bi se električni avtomobil lahko izognil velikim in težkim, predvsem pa dragim baterijam za doseganje enakega dometa.

Le da tudi pri njem fosilno gorivo ne more predstavljati pravega pogonskega sredstva, tako imenovani zeleno pridobljeni vodik pa je tudi še sorazmerno težko dobiti, in je to bolj stvar razvoja v prihodnosti. O ničelnih izpustih tudi pri tem motornem konceptu za zdaj še ne gre govoriti.