Birotační motor

Birotační motor

13.09.2013 - Vyšlo v čísle 27
Celým názvem „Birotační pístový spalovací motor“ je aktuální český konstrukční projekt s právě probíhajícím patentovým řízením. Stále se u nás najdou chytré hlavy a je škoda, že se náš stát tak málo stará o podporu lidí, kteří se snaží svoji myšlenku dotáhnout ke hmatatelnému výsledku i za cenu značného snížení životního komfortu.

Václav Knob se zabýval konstrukcemi atypických spalovacích motorů již za svých studií, přes dvacet let v jejich vývoji profesionálně pokračuje ve své firmě Knob Engines a výsledky už vypadají velmi slibně. Má rozpracovaný a patentovaný projekt, „Víceválcový spalovací motor s prstencovým ventilem“, který  funguje zatím nejen v podobě jednoválcového stacionárního motoru, ale úspěšně už poháněl i jeho motocykl Yamaha WR 250.
Nosným projektem je nyní birotační pístový spalovací motor. Je to hvězdicový pístový motor s klasickým čtyřdobým cyklem, s písty a klikovým mechanismem, kde blok válců rotuje v pevné skříni opatřené sacími a výfukovými kanály. Kliková hřídel rotuje v opačném směru a rozdílnými otáčkami proti bloku válců, se kterým je propojena převodem s ozubenými koly.
Birotační motor lze navrhnout s různými počty válců i s různými poměry otáček bloku válců vůči klikové hřídeli. Podstata birotačního motoru byla vymyšlena již v první polovině minulého století, dosud ale nebyl zkonstruován moderní motor na tomto principu.

Ideální motor
Konstruktér Václav Knob je přesvědčen, že potenciál konstrukce birotačního pístového motoru ještě zdaleka nebyl dostatečně využit. Vidí ho v malých rozměrech, nízké hmotnosti, jednoduchosti konstrukce, velkých dosažitelných měrných parametrech, snadné výrobě, příznivé ceně, trvanlivosti a snadné servisovatelnosti.
Původní koncepci motoru výrazně změnil a pracuje na konstrukci důležitých detailů. Za ideální uspořádání motoru považuje použití jen tří válců s malým zdvihem pístů nesených krátkými ojnicemi na klikové hřídeli s jedním zalomením, což umožní malé rozměry kompaktního, kapalinou chlazeného motoru.
Nejzásadnějším vynálezem je řešení utěsnění rotujícího bloku válců vůči pevné vnější skříni, které již dosáhlo udělení užitného vzoru CZ 24669 U1 a je přihlášeno k patentové ochraně. Druhá patentová přihláška PV 2012-820 se týká celkového ideálního uspořádání birotačního motoru.
Hvězdicový tříválec má rotující blok, v němž jsou radiálně umístěny tři válce s písty. Písty jsou neseny ojnicemi rozvidlenými v místě uložení na pouzdru valivého ložiska, umístěného na čepu klikové hřídele. Ta je spojena ozubeným převodem s rotujícím blokem válců. Kolem tohoto rotujícího bloku je pevná skříň s velkými sacími a výfukovými otvory. Tím, že blok rotuje, koná zároveň funkci šoupátkového rozvodu motoru, který tak pracuje ve čtyřdobém cyklu bez použití ovládaných ventilů. Pevná vnější skříň motoru je opatřena dvěma sacími a dvěma výfukovými kanály, v místech spalování je osazená zapalovacími svíčkami.
Převod ozubenými koly je navržen tak, že proti jedné otáčce bloku válců vykoná kliková hřídel tři otáčky v opačném směru. Odběr výkonu může být proveden z kterékoli rotující části, čímž zároveň lze řešit redukování výstupních otáček. Kompletní čtyřdobý cyklus proběhne ve válci motoru za 0,5 otáčky bloku válců. Kliková hřídel zároveň vykoná 1,5 otáčky na opačnou stranu, relativně tedy budou mezi blokem a klikou vykonány otáčky dvě.
Velké průřezy výfukových i sacích kanálů se relativně rychle otevírají i zavírají. Vzniká tím prakticky ideální pístový stroj. To umožňuje maximálně naplnit válec, maximálně využít expanzi a minimalizovat ztráty prouděním v kanálech, a to i při velmi vysokých otáčkách, umožněných extrémně nízkými zdvihy pístů. Proto může birotační pístový motor dosáhnout vysokých  parametrů.
Je možné dosáhnout libovolného kompresního poměru. Ve spalovacím prostoru nepřekáží žádné ventily, je tedy možné použít větší počet zapalovacích svíček a zajistit optimální prohoření směsi i přes velké vrtání válce a vysoké otáčky. Spalovací prostor a antidetonační štěrbiny lze libovolně tvarovat pomocí tvaru dna pístu. Velké vrtání v poměru ke zdvihu pístů umožňuje dosažení malých vnějších rozměrů motoru i dosažení vysokých otáček motoru při relativně malých středních pístových rychlostech. Vzhledem k poměrně malému průměru bloku válců a zejména proto, že za jednu otáčku bloku proběhnou ve válci dva celé čtyřdobé cykly, je třecí rychlost na obvodu bloku přibližně o 1/3 nižší než třecí rychlost těsnění srovnatelného Wankelova motoru. Výhodou je také souměrné rozdělení tepelného zatížení do dvou protilehlých míst motorové skříně.
Patentovaná konstrukce a umístění těsnících prvků (lišt) nikoli v rotujícím tělese, nýbrž v pevné skříni motoru, zcela odstraňuje zásadní problém Wankelova motoru – zatížení těsnění velkými odstředivými silami. Umožňuje také účinné chlazení prvků, těsnících jednu válcovou plochu oproti druhé, souosé válcové ploše.
Velkou výhodou motoru je technologická jednoduchost s malým počtem součástí. Birotační pístový spalovací motor používá klikový mechanismus s písty a pístními kroužky, který je konstrukčně a technologicky přiveden k dokonalosti. Tomu bude odpovídat cenová dostupnost, trvanlivost a snadná opravitelnost motoru.

Pro letadla a pro závody
Využití motoru se jednoznačně nabízí u malých letadel, vrtule může být připojena přímo na rotující blok motoru, který má třikrát nižší otáčky než kliková hřídel.
Počítačová simulace činnosti tříválcového birotačního motoru ukázala jeho zcela výjimečný potenciál: výkon motoru o objemu 750 cm3, naladěného k využití při otáčkách 10 000/min resp. 20 000/min, se vyšplhal na 86, resp. na 160 kW a kroutící moment k hodnotě 90 Nm.
Motory s vyššími počty válců lze snadno realizovat násobky tříválcových jednotek, s jedním ozubeným převodem mezi společnou klikovou hřídelí a rotujícími bloky. Prostorově nenáročný šestiválec s obsahem 1500 ccm, vzniklý spojením dvou popsaných jednotek, by mohl mít výkon až přes 400 koní.
Nejbližším cílem firmy KNOB Engines s.r.o. je dokončení vývoje a malosériová výroba motoru pro ultralehká letadla. Následující předpokládanou fází  je uplatnění motoru pro pohon závodních strojů na dvou i čtyřech kolech. Firma by uvítala účast dalšího investora. Podrobnější informace včetně animací modelu je možno získat na stránkách firmy www.knobengines.com.

Honza Čejchan, foto archiv