عندما نفكر في تكنولوجيا السيارات في المستقبل، فإننا عادة نفكر في أنواع الوقود البديلة، سواء الهيدروجين أو الطاقة الكهربائية من البطاريات المستقبلية. لقد اتضح أن المستقبل قد يكون في الواقع شكلاً جديدًا من أشكال الاحتراق الداخلي: محرك "المكبس الحر".
تعمل هذه التقنية على إعادة تشكيل المحركات بشكل جذري، حيث تحل محل العمود المرفقي الذي ينقل الطاقة عادة من المكابس بغرفة ضغط ودافع توربيني. تتمتع المحركات المكبسية الحرة بإمكانية تحسين الكفاءة بشكل جذري. تعد المحركات المكبسية الخالية من النماذج الأولية أكثر كفاءة بنسبة 50 إلى 60 بالمائة من أي محرك يتم إنتاجه حاليًا - وهناك إمكانية لتحقيق المزيد.
كيف يعمل؟
يحتوي المكبس الحر على نفس المكونات الموجودة في أي محرك احتراق داخلي. والفرق الرئيسي هو كيفية التقاط قوة الاحتراق.
في المحرك القياسي، يتم حقن الوقود والهواء في غرفة الضغط وإشعالهما. يدفع هذا الاحتراق المكبس المتصل بالعمود المرفقي إلى الأسفل. في السيارات، يتم تشغيل طاقة العمود المرفقي الدوار من خلال ناقل الحركة وخارجه إلى عجلات القيادة.
في المحرك المكبس الحر، يحدث الاحتراق بنفس الطريقة، ولكن لا يوجد عمود مرفقي. في ظاهر الأمر، يبدو هذا جنونًا، حيث تُركت المكابس تهتز في أسطواناتها. لكن هذه في الواقع ضربة عبقرية – نعم، قصدت هذه التورية. ومن خلال وضع أسطوانتين بشكل متقابل أفقيًا وتفجيرهما في وقت واحد، تقوم المكابس بضغط الهواء بينهما. يتم نقل هذا الهواء عبر ضاغط يشبه إلى حد كبير الشاحن التوربيني.
في حين أنه من الممكن تقنيًا قيادة محور مباشرة من هذا التوربين، إلا أنه من الناحية العملية يتم استخدام هذا التوربين على أفضل وجه في تشغيل مولد كهربائي.
كانت فكرة مثل هذا المحرك موجودة منذ عام 1807، ولكن التحديات المتمثلة في تشغيل المكابس و التحرك المتزامن منعت المصممين من الاستفادة الكاملة من المحرك المكبس الحر … حتى الآن.
مزايا
لذا، مع هذه التحديات، لماذا تهتم؟ حسنًا، الأمر كله يتعلق بالكفاءة. في محرك الاحتراق الداخلي القياسي، يتم فقدان قدر كبير من الطاقة على شكل حرارة واهتزاز. تستطيع محركات البنزين الحديثة تحويل 18 إلى 25 بالمائة فقط من الطاقة الكامنة للوقود الذي تحرقه إلى طاقة قابلة للاستخدام. يمكن لمحركات البنزين الأكثر كفاءة أن تحقق ما يصل إلى 35 بالمائة مؤقتًا، ولكن حتى في هذه الحالة فقط في ظل الظروف المثالية.
في محرك الاحتراق الداخلي القياسي، يتم فقدان قدر كبير من الطاقة على شكل حرارة واهتزاز.
إن عدم وجود عمود مرفقي في نظام المكبس الحر يعني عدم وجود تغيرات ثابتة في الزخم والتي تؤدي إلى الاهتزاز والاحتكاك الذي يؤدي إلى إفساد الكفاءة. لقد كانت هذه المزايا واضحة لمدة قرنين من الزمان، ولكن مع دقة التكنولوجيا الحديثة هناك ميزة أخرى: نسب الضغط المتغيرة.
وبوجود عمود مرفقي بحجم غرفة الاحتراق، يتم تثبيت طول حركة المكبس. في المحركات المكبسية الحرة التجريبية الحديثة، يمكن أن يختلف حجم الحجرة وطول شوط القدرة أثناء الطيران، مما يؤدي إلى تغيير من ثورة إلى أخرى، مع وحدة إدارة المحرك التي تقوم بتخصيص حجم غرفة الاحتراق بما يتناسب مع هواء الوقود المثالي خليط.
بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يسمح هذا التباين للمحركات المكبسية الحرة بالعمل على أي شيء بدءًا من الهيدروجين وحتى الغاز الطبيعي. في الواقع، لن أتفاجأ إذا كان أحد هذه المحركات يعمل بسكوتش الشعير الواحد.
- 1. غرفة التحكم في مختبر FKLG في معهد DLR لمفاهيم المركبات (المصدر: DLR)
- 2. بطارية مسطحة؟ - يعمل المولد الخطي ذو المكبس الحر كموسع للنطاق، حيث يوفر الطاقة الكهربائية التي تحتاجها المركبات الكهربائية (المصدر: DLR)
كل هذه الصفات تجعل محرك المكبس الحر مثاليًا كمولد على متن الطائرة، وهو الدور الذي قد يحدث فيه ثورة في تصميم مجموعة نقل الحركة.
على محمل الجد، متى يمكنني الحصول على واحدة؟
حتى الآن، يجري العمل على نموذجين أوليين لمحركين مكبسين. الأول، وليس من المستغرب، يأتي من علماء ألمان/سحرة الظلام في مركز الفضاء الألماني (DLR).
النموذج الأولي الخاص بهم، والذي أطلق عليه اسم "Freikolbenlineargenerator"، والذي لست متأكدًا من أنه دليل على أن الألمان يتمتعون بروح الدعابة أم لا، لا يزال في المراحل الأولى من التطوير. ومع ذلك، فهي تعد بتقديم نوع الأداء الذي لا يمكن لمهندسي توليد الحركة الآخرين أن يحلموا به.
سيكون محرك تويوتا قادرًا على توليد 15 حصانًا من مجموعة يبلغ طولها ثماني بوصات وطولها قدمين.
يستخدم مولد Freikolben الخطي أسطوانات تواجه بعضها البعض. يسمح اتجاه المكبس هذا بأن يكون أكثر إحكاما من محركات المكبس الحرة النموذجية. وهذا يجعلها مثالية للاستخدام كموسع نطاق.
خذ على سبيل المثال تشيفي فولت. تحتوي على بطاريات وقادرة على العمل بالكهرباء فقط. ولكن عندما تنفد البطاريات، فإنها تحتوي على محرك بنزين سعة 1.4 لتر يمكنه إعادة شحنها ودفع السيارة نفسها بسرعة تزيد عن 65 ميلاً في الساعة. يعمل هذا بشكل جيد، ولكن لسوء الحظ، حتى محركات الغاز ذات الإزاحة الصغيرة تكون ضخمة وثقيلة ومكلفة.
يمكن لمولد Freikolben الخطي أن ينجز نفس المهمة، في حين أنه صغير بما يكفي لتركيبه تحت أرضية السيارة، مما يوفر مساحة لأشياء أخرى مثل الكرنب، على سبيل المثال.
لكن المحرك المعجزة الموجود على طاولة عمل عالم تيوتوني مجنون لا يزال بعيدًا عن الإنتاج الفعلي، أليس كذلك؟
حسنًا، تويوتا على متن الطائرة أيضًا. أعلنت شركة صناعة السيارات اليابانية الضخمة هذا الصيف عن محرك المكبس الحر الخاص بها أو "المولد الخطي". تستخدم نسخة تويوتا أسطوانة واحدة بدلاً من زوج متقابل، وهي قادرة على تحقيق كفاءة حرارية بنسبة 42 بالمائة في ظل التشغيل المستمر شروط. وهذا أفضل مما يستطيع أي محرك إنتاجي تحقيقه - ولو للحظات، في ظل الظروف المثالية.
سيكون محرك تويوتا قادرًا على توليد 15 حصانًا من مجموعة يبلغ طولها ثماني بوصات وطولها قدمين. من المحتمل أن تكون اثنتين منها أكثر من كافية لإعادة شحن البطاريات في مركبة حديثة ذات نطاق ممتد مع توفير مساحة كبيرة وتوفير الطاقة. التكنولوجيا الألمانية مذهلة، ولكن محرك تويوتا يمكن أن يكون في بريوس في وقت قريب.
خاتمة
ويكاد يكون من المؤكد أن الكهرباء النقية - أو ربما الهيدروجين - هي مصدر الطاقة المستقبلي للسيارات على المدى الطويل. ومع ذلك، فإن أياً من هذه التقنيات ليست جاهزة تماماً. وتقترب الكهرباء من ذلك، ولكنها لا تزال باهظة التكلفة بالنسبة لأغلب المستهلكين الأميركيين، ناهيك عن المليارات من المستهلكين الصينيين والهنود الذين يتطلعون إلى ملكية السيارات.
قد تكون المحركات المكبسية الحرة بمثابة تقنية جسر مهمة يمكنها تحسين كفاءة الاحتراق الداخلي بشكل كبير. وقد يكون لها أيضًا عمر أطول من الأشكال التقليدية للاحتراق الداخلي، وذلك بفضل قدرتها على حرق أي شيء قابل للاشتعال تقريبًا... أنا أنظر إليك، أيتها الخرق الزيتية.
إذا قرر عمالقة الصناعة مثل تويوتا إلقاء ثقلهم خلف هذه التكنولوجيا، فمن الممكن أن يتم إنتاجها في السيارات قريبًا جدًا. دعنا نأمل.
توصيات المحررين
- يمكن لمرسيدس AMG C63 التالية التخلص من محرك V8 لصالح الطاقة الهجينة ذات الأربع أسطوانات
