Апстракт: Ова нема да е типичен напис од сферата на машинството, туку ќе се обидам да одговорам на прашањето како Јас размислувам во насока, дали би инвестирал во развој на мотори со слободни клипови, до нивна зрелост за сериско производство. Имам право да се ставам во улога на инвеститор со моето 58-годишно животно искуство, генерација сум 1962, потоа, знам како се заработуваат пари, имам зад мене производ, картинг, којшто е развиен од проект до производство и успешно се извршени проби и експлоатација на истиот, и имам доволно проектантско и автомеханичарско релевантно искуство и т.н. Написов ќе се состои од неколку делови и заклучок и се надевам дека ќе предизвика интерес кај вас, драги читатели. Структура на текстов е економија (инвестиции) – машинство – економија (инвестиции) – заклучок. Па да започнеме.
Најнапред би започнал со една дефиниција од сферата на банкарското работење а тоа е дека под добар пласман на некој кредит, финансиска позајмица, се подразбира позајмената сума во одредениот договорен рок да биде вратена назад во банката како оплодена, т.е. со камата. Инвеститорите слично размислуваат. Тие би инвестирале во некоја идеја доколку е издржана и доколку здравата логика заснована на научни поставки во спрега со некој „разумен“ ризик дава некоја надеж дека сумата која се инвестира ќе биде повратена со некоја добивка или други нематеријални бенефити, како стои во договорот. И да не продлабочувам повеќе во оваа сфера, идејата е дека некој ќе инвестира ако се исполнети два услови: Едниот е инвестицијата да биде вратена, а другиот е да добие интерес, камата, на привремено инвестираниот (отуѓен) капитал.
Сега малку поконкретно ќе преминам кон разгледувањето на спорните, проблематични моменти од инженерски карактер кај моторите со слободни клипови, види клип – Free Piston Engine. Но, за да можеме нив подобро да ги воочиме и разбереме, мора прво да се осврнеме на некои интересни релации од веќе докажаните проверени стандардни клипни мотори со внатрешно согорување, во понатамошниот текст: Мотори СВС. Имав големи дилеми дали да се определам за концептот на паралелно опишување на двата мотори или одделно да ги разгледувам. Се определив за вториот концепт.
Мотори со внатрешно согорување
На слика 1 е прикажан механизмот на моторот СВС. Тоа е познатиот класичен клипен механизам составен од четири члена: цилиндар, неподвижен член, клип или лизгач, спојна полуга, спојка или позната во автомеханичарскиот жаргон како клипњача , и, коленесто вратило или „радилица“.
На коленестото вратило со крута врска, звртки, е прицвртен замаецот, којшто не е прикажан на горната слика, а успешна супституција е кругот во кој се наоѓа коленестото вратило, кој претставува еден тежок метален, добро урамнотежен диск, кој ја има улогата на акумулатор на кинетичка енергија. Тој се врти заедно со коленестото вратило. Само за ориентација: Кај двоцилиндричниот четиритактен мотор од Спачек (602 ccm) има маса од околу 10 килограми – колку моторот има повеќе цилиндри, со тоа и подвижните маси како сума се поголеми, и дотолку замаецот има помала маса, ова е првиот многу важен момент во ова излагање кој треба да го имате предвид.
Другиот многу важен момент е прецизната, извесна/принудна дефинираност на положбите на подвижните елементи од клипниот механизам, т.е. положбата на клипот е во функција со агловата ротација на коленестото вратило:
Познато е дека се работи за лостов механизам кадешто членовите се поврзани со зглобови, тоа се црните точки на краевите од подвижните членови – види слика 1. Што ова значи и зошто овој момент е многу битен за ова излагање? Ова значи дека во секое време при работата на механизмот точно се знае положбата на секој нејзин подвижен член. При вака прецизно и еднозначно дефинирана состоба на членовите, лесно е да се опслужува моторот со сите дополнителни, а витални нешта за негово непречено и прецизно функционирање како што се полнење на цилиндарот, моментот на фрлање на искра на свеќичката или точката на палење и при тоа имаме непречена можност да обезбедиме променлив режим на работа на моторот што е многу битен факт кој изостанува кај моторите со слободни клипови. Овие неколку нешта се клучни супериорни предности на овај клипен механизам во однос на механизмот со слободни клипови за кој ќе стане збор во следното поглавје.
Следен момент на кој сакам да се задржам кај овај механизам е замаецот. Познато е дека клипните мотори СВС произведуваат работа само во текот на третиот такт. Тоа значи дека гледано во целина, на излез од коленестото вратило немаме континуирана испорака на моќност, како кај електромоторите, туку имаме дискретна или пулсирачка испорака на моќност. Доколку не би бил замаецот, вртењето на коленестото вратило би било многу невоедначено, а за моторите со мал број на цилиндри и невозможно. Затоа се става замајната маса која ја прима во целост механичката енергија произведена во третиот такт, а тоа се прави што во тој такт замаецот за некоја мала вредност го наголемува своето вртење, а во останатите три такта дел од таа енергија враќа во моторот за опслужување на останатите тактови, а останатиот дел од енергијата оди во трансмисијата за корисна работа. Овај клучен проблем кај овај механизам на еден наједноставен можен начин е елегантно решен со замајна маса што не е случај кај моторите со слободни клипови.
Вредно е да се спомене во врска со ова дека и променливиот режим на работа на моторот СВС се должи на замаецот. Имено, ние слободно и во произволни количини можеме да го полниме цилиндерот со смеса од воздух и бензински пареи или да впскаме дизел гориво, знаејќи притоа дека целата произведена механичка работа без проблеми ќе биде „впиена“ од замајната маса што се отчитува преку наголемениот број на вртежи на моторот.
На крајот вредно е да се напомене дека класичниот клипен механизам (слика 1) е наједноставниот и најнадежниот можен механизам кој во целост и без остаток ги реализира барањата на инженерите за овој вид на задача. Поедноставен механизам не постои. Тоа е минимумот во однос на сложеност, максимумот во однос на надежност, сигурност и безбедност, и максимумот во однос на технологичност, зошто е најефтино производство што може да се замисли. Не постои никаква можност во однос на кинематиката да се поедностави, односно да се упрости, овој механизам. Ова е најпрост можен механизам кој прецизно и надежно, но сигурно ги задоволува горенаведените барања. И тука треба да се бара одговорот за евергрин-концепцијата на овој механизам којшто уште од појавата на моторите СВС не е сменет. Се направија некои обиди во доцните 60-есетти години од минатиот со Ванкеловиот мотор, ама останаа неуспешни, а за нив некој збор повеќе во заклучокот на текстов. Но и во почетокот на 30-сеттите години од минатиот век се патентира едно поедноставување на овој механизам, а тоа е токму механизмот за моторот со слободни клипови за кој ќе стане збор во следново поглавје и е главна тема на овој труд.
Мотор со слободни клипови – Free Piston Engine
Сега ќе кажам само неколку карактеристики на овие мотори интересни за темава која ја зададов (види литература [1]). Воедно тоа ќе е и основно запознавање со овие мотори. Исто така, усвојуваме дека процесот на работа на овај мотор е двотактен.
Самото име кажува дека клипот не е со никаква механичка, кинематска врска ограничен во својата работа или движење. Како изгледа кинематската шема на овие мотори може да се види од слика 2. Веднаш се забележува дека клипот е на границата на контрола, скоро неконтролирано се движи осцилаторно во својата патека. Ова е во општ случај основен проблем пред кој е исправена сигурната и прецизна работа на овие мотори.
За да имаме функционирање на овај мотор потребно е да е задоволена равенката за рамнотежа на сите сили (види литература [2]). Значи, збирот на силите од притисокот на гасовите треба да се уравнотежи со инерцијалните сили од забрзувањето на клиповите и нивната спојна полуга, силите од компресијата на другиот цилиндар, силите од триењето и силите од корисните отпори, во овој случај (слика 2) силите од производство на електрична енергија во намотките, позиција 8. Или, математички изразено користејќи го Њутновиот закон, би било:
каде што:
m – збир на сите подвижни маси,
x – траекторија на движење на подвижните маси,
А – површина на челото на клипот,
p1, p2– притисок на гасовите на левиот (експанзија) и десниот (компресија) клип (или обратно, т.е. наизменично),
Ff– сили на триење на подвижните делови,
Fe – сили од оптеретувањето или корисните отпори.
Теоретски, математички, ова добро звучи. Но тоа се мислени именки кога треба да се имплементира вакво барање во пракса. Основен проблем е како совршено прецизно ќе се одмерат, детектираат, сите овие сили во функција на времето, значи променливи, и ќе се реагира во точно даден момент, на пример, како ќе се одреди точката на палење за моторот беспрекорно ефикасно да функционира, како ќе се одреди полнењето на цилиндарот и како ќе се одреди побудата на линискиот генератор за струја или притисокот на гасовите ако се примени производство на притисна енергија како потрошувач. Премногу непознати, а кинематски недефинирана положба на клипот се во игра. Тоа се практично непремостливи пречки. Во вака неизвесни услови невозможна мисија е да се овозможи променлив режим на работа на моторот: Овие мотори работат исклучиво во стационарен режим на работа. Но. да видиме каков е квалитетот на неговата работа? Тој е многу слаб, на границата на функционирање или чиста импровизација. Точката на палење не може прецизно да се одреди. Од овде произлегува заклучокот, фактот, што процесот на согорување не е целосен, т.е. заради сигурна и каква-таква работа палењето секогаш ќе е со закаснување при што не може да се постигне посакуваниот ефект или степен на корисно дејство на моторот и тој работи со ниска ефикасност. Директна последица од еколошки аспект на ваквата работа е енормната емисија на штетни издувни гасови. Со еден збор, работата на овие мотори е провизорна и на границата на функционирање.
Овие мотори немаат акумулатор на кинетичка енергија така што произведената работа мора истовремено во строго прецизно дозирана големина да се потроши или за производство на електрична енергија или за производство на притисок или некој друг вид на потрошувач. Доколку ова прелевање на енергијата не е прецизно тогаш се ризикува или моторот да престане да работи или да дојде до тешка хаварија, т.е. до удирање на клипот во главата на моторот и вентилите. Како ќе се одмери оваа енергија или побуда на потрошувач, за како последица на тоа да имаме точно застанување на клипот во надворешната/внатрешната крајна положба? Практично, никако. И тука е основниот проблем за неефикасноста на овие мотори. А замајната маса, акумулаторот на кинетичка енергија, кај класичниот клипен механизам овие проблеми совршено добро ги решава, или, и акумулирањето на енергијата во текот на работниот такт и предавањето на дел од енергијата во останатите тактови се одвива на најдобар можен начин и секако, наједноставен и секому според потребите не загрозувајќи ја работата на механизмот затоа што капацитетот на акумулаторот на кинетичка енергија е, теоретски бесконечен.
На следниве две слики (слика 3 и слика 4) можат да се видат неколку интересни изведби на овие мотори.
Сè што зборувавме погоре е чист хендикеп за овие мотори кој не му даваат надеж да заживее во реалноста овој, наизглед, револуционерен мотор со многу храбра идеја. Поткрепа, па и доказ за ова е дека овие мотори се патентирани во почетокот на триесеттите години од минатиот век, а еве, ни до ден денешен не се имаат најдено во некоја апликација на пазарот. Единствено воените власти од морнарицата се заинтересирани за овие мотори за производство на електрична енергија за своите подморници со оглед дека тука предност се дава на фактот што заради малиот број на подвижни делови и природата на нивното оптеретување се многу тивки, а тоа е од пресудно значење за подморниците. Друга предност, која фактички не е хендикеп на класичните мотори СВС е тоа што цилиндарот и клипот, рамномерно се трошат, абат, што не е случај со моторите СВС со класичен механизам, затоа што таму на изработениот мотор пресекот на цилиндарот е блага елипса, или е овален. Во последно време некои производители на автомобили се зафатија со развивање на овај мотор со кој сакаат директно да произведат електрична енергија за погонските електромотори на автомобилите, за што ќе стане збор подолу.
Инвеститорски дилеми
Најнапред некој збор да кажам за насловот на ова поглавје. Дали инвеститорите се во дилема или не? Многу неодговорно е, и вулгарно, чинот на одлучување дали да се инвестира или не да е заснован на некоја дилема. Инвестирањето е многу сериозна одлука која подразбира здрава логика, дури непогрешлива логика, темелно проучување на објектот во кој треба да се инвестира од сите можни агли, големи психолошки сознанија за луѓето кои се логистика и кои го водат проектот, елиминација од корен на емоциите и широки познавања од многу области од севкупноста на животот. Секако, магијата и јаготката на шлагот од колачот е исклучително провокативната категорија наречена ризик. Све што е погоре речено може да се стави во некоја рамка и некоја извесност, но не е доволно за успех. Ризикот е тоа што ги одделува генијалците од остатокот. Но, да појаснам: Не секаков, неиздржан, слеп или вулгарен самоуништувачки, скоро коцкарски ризик е ризикот за кој зборувам. Таквиот ризик е карта за галантен влез низ поплочен пат во пеколот. Тука би запрел со разглобување на феноменот наречен ризик и тоа нека биде провокација за некој друг труд од покомпетентна особа.
Дали да инвестираме во моторите со слободни клипови? Прашањево е премногу воопштено и некомпетентно поставено. Мора да го прецизираме. Кој е заинтересиран да инвестира?
Приватен инвеститор како некоја компанија од сродна дејност, на пример, производител на мотори, многу тешко ќе се одлучи да инвестира во ваков мотор. Подетално испитување, можниот заклучок е дека математички можен е ваков мотор, но реално неизведлив за потребите на автомобилската индустрија. Случајот со овој мотор е сличен на случајот со „Перпетуум мобиле“ механизмите. Тие математички се коректни, но реално неизведливи. Да се вложи и вложува во истражувања на мотори со слободни клипови е еквивалентно да се вложува во „Перпетуум мобиле“, би рекол секој здраворазумски инвеститор од сферата на автомобилските брендови, посебно од понискиот ешалон.
Но реалноста ќе ме демантира: Имено, Тојота инвестира и го развива овој мотор. Да го објаснам тоа. Јапонците се познати по својата врвна технологија. Тие патентните достигнувања ширум светот кои им изгледаат ветувачки, ги откупуваат и инвестираат во нивна технологија со цел или да ги реализираат како сериски индустриски производи (пример: Мазда со Ванкеловиот мотор) или ако веќе се производи да им ја намалат цената на чинење (пример: електронските елементи од типот на полупроводници како транзистори и диоди и сл.). Значи, овај момент е својствен за упорните и темелни јапонци. Второ, Тојота е инвеститор од високиот ешалон. Тој игра на крупно и го превзема ризикот за кој погоре зборував. Тие сметаат дека е основано да се влезе во ризик кој ако успее инвестицијата, многукратно ќе биде вратена при истовремен голем капитал во смисла на престиж што значи скоро сигурен опстој и врвно, топ место во светскиот економски поредок. Мое мислење е дека инвестицијата ќе доживее дебакл. Но, средствата се нивна сопственост кои можат да си ги приуштат за вакви инвестиции и самите си ја носат одлуката и ризиците од таквата одлука. Друг производител засега не инвестира во овие мотори; тие се единствените. Секако, интересно е да се слушнат нивните аргументи.
Друг „кандидат“ како можен инвеститор се научноистражувачките институти кои обично делуваат во рамките на високообразовните научнонаставни факултети – универзитети. Ако малку употребиме и консултираме психологија лесно ќе заклучиме дека ваквите предизвици за нив се најпровокативни. Ова е вистински научен предизвик кој доколку се разреши ќе значи дефинитивно удирање на печатот на славата и ловориките за сите актери инволвирани во овие истражувања, вклучително и универзитетската управа – ова гледано од аспект на егоизам. Другиот аспект е алтруизмот, којшто се подразбира самиот по себе. Затоа тие се живо заинтересирани за овие проблеми и ги туркаат на големо на сите врати заложувајќи го сиот свој авторитет како научници. Извесно е дека, или, со голема точност во општ случај може да се претпостави дека на научникот непознати му се бизнис и инвеститорските релации па полесно може да пројдат тие дилеми за вакви инвестиции. И реално, факт е тоа: на многу Универзитети и истражувачки центри се работи на овие идеи. Дали ќе има видливи реални резултати, ќе видиме. Засега тие изостануваат, а веќе се поминати над 80 години.
Трет можен инвеститор е државата преку некои форми од Буџетот. Ова е скоро невозможна мисија затоа што преку буџетот на државата се решаваат тековни, актуелни проблеми, проблени на релативно краток рок и проблеми кои брзо даваат резултати, а се од национален интерес од прв ред. Таков е примерот со NASA. Државата скоро е неверојатно да се впушти во инвеститорска авантура кон ваков проект каде од авион се гледа дека нема брз фитбек или повраток или нематеријална компензација од типот на ловење на политички поени од ваквата инвестиција а дискутабилно е дали е од национален интерес. Тука има и едно друго бизнис ограничување, а тоа е дека на државата не и е надлежност развивање и разработка на нови идеји и воопшто, вакво вулгарно мешање во стопанството. Ова е пред се проблем на стопанството и научно-истражувачкиот потенцијал на државата, а не на самата држава гледано во потесна, политичка смисла, секако, ако се сложуваме дека се работи за слободна конкурентна пазарна економија иманентна за една модерна демократска држава.
Во овај преглед, според мои сознанија, остануваат како четврти можни инвеститори т.н. инвеститорските ангели или бизнис – ангелите. Тоа е релативно нов неформален начин на инвестирање на бизниси. Но овде, во однос на нашиов случај има еден сериозен хендикеп а тоа е дека во оваа фаза не е чисто и успешно искристализирана ветувачка бизнис идеја или реализација. Значи, бизнис – ангелите би инвестирале во некоја бизнис идеја но услов е таа да е разработена и да функционира со некоја ветувачка сигурност. Во тој момент тие настапуваат со своите инвестиции како еден вид на бај-пас или премостување до регуларните инвеститори од повисок калибар. Тоа е едниот проблем, а другиот е дека габаритот на оваа бизнис идеја, мотори со слободни клипови, е многу голем и малите суми од бизнис – ангелите не се доволни да ги покријат трошоците. Сумарно земено, овој четврти начин на инвестирање е неодржлив и воопшто не може да се имплементира во оваа бизнис-идеја.
Заклучок
Ќе се осврнам на неколку интересни моменти кои можат да претставуваат еден вид на заклучок или завршен збор.
1. Моќните, големите компании од оваа сфера можат да си дозволат авантура да вложат во истражување на овие контроверзни мотори со внатрешно согорување. И некои тоа го прават. Исто така, и моќните држави од своите буџети материјално ги помагаат истражувањата на овие мотори од сферите на националната безбедност, пред сѐ. Тие ризикот го прифаќаат со надеж дека од евентуалниот успех на овие мотори дебело би профитирале и би направиле капитал кој ќе го гарантира нивниот престиж на светски план. И моќ, секако со оглед дека со евентуалниот успех би биле во позиција да ја диктираат светската политика. Тоа досега не се има случено и овие мотори, еве веќе над 80 години се загонетка. Малите брендови, малите земји, нагласено рационалните инвеститори и инвеститори кои се опитни и каде факторот ризик во инвестирањето го држат под контрола никогаш нема да инвестираат во овие мотори. Барем не во оваа фаза на развој на идејата.
2. Моторите со слободни клипови се интересни од теоретски аспект како гимнастика на умот. Што тоа значи? Па тоа значи дека треба да се најде начин како да се изведе баланс на силите во моторот што делуваат на подвижните делови така што без кинематско ограничување тие делови да застанат во една релативна равнотежа во надворешната крајна положба, а притоа да се задоволен параметарот степен на компресија и точно да се одреди точката на палење во што треба да се вкалкулира и времето на ширење на пламенот до потполно согорување и кога ова ќе заврши истовремено балансот на силите да е таков клипот да застане и да почне да се враќа назад. Ова е невозможна мисија. Толку многу несовршености и произволни работни параметри се во игра да никако не може да се постигне овај услов. Овај услов може да го задоволи само класичниот клипен механизам на моторите СВС. Или, да бидам појасен: Оваа мисија е еквивалентна на тежнението за реализација на „Перпетуум мобиле“.
3. Во економијата има едно златно правило кое е издигнато на ниво на заповед, а тоа е дека секој може да прави што сака за свои пари, се разбира, она што е законски дозволено, морално и етички. И овде треба да се бара одговорот зошто некои брендови вложуваат во овие мотори. Тоа го правеше Мазда со Ванкеловиот мотор, тоа сега го прави Тојота со Моторот со слободни клипови.
4. Дигресија: Ванкеловиот мотор теоретски е супериорен, но како реална изведба е неуспешен. Ист е случајот и со моторот со слободни клипови. За Ванкеловиот мотор се искажа филозофската забелешка дека тој беше одговор на прашањето кое никогаш не ни било поставено! Или, поедноставно да кажеме: Зошто со класично силување да го поедноставиме механизмот и притоа да си навлечеме нерешливи проблеми кои потекнуваат од слободните клипови, кога класичниот клипен механизам со коленесто вратило е наједноставниот можен сигурен механизам погоден за оваа намена и која совршено добро си ја извршува својата работа? Дали е во прашање заблуда, провокација, незнаење, површност, емоција и лакомост или? Би поентирал со еден збор: Моторите со слободни клипови не се доволна провокација за сериозни истражувања.
Литература
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Free-piston_engine
[2] Jing Xu, Chenheng Yuan, Yituan He, Rong Wang, An optimization of free-piston engine generator combustion using variable piston motion, 27 november 2016
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Free-piston_linear_generator
…
Автор: Томе Скендеровски | Конструктор и проектант на машини
link до документот
