Когато мислим за автомобилната технология на бъдещето, обикновено мислим за алтернативни горива, независимо дали става въпрос за водород или електричество от футуристични батерии. Оказва се, че бъдещето всъщност може да е нова форма на вътрешно горене: двигателят със „свободно бутало“.
Тази технология радикално прекроява двигателите, заменяйки коляновия вал, който обикновено пренася мощността от буталата, с компресионна камера и турбо работно колело. Двигателите със свободно бутало притежават потенциала за радикално подобрена ефективност. Прототипните двигатели без бутала вече са с 50 до 60 процента по-ефективни от всеки двигател, който се произвежда в момента – и има потенциал за много повече.
Как работи?
Свободното бутало има повечето от същите компоненти като всеки двигател с вътрешно горене. Основната разлика е как улавя силата на горене.
При стандартен двигател горивото и въздухът се впръскват в компресионната камера и се запалват. Това горене натиска надолу буталото, което е свързано с коляновия вал. В автомобилите енергията на въртящия се колянов вал преминава през трансмисия и излиза към задвижващите колела.
При двигател със свободно бутало горенето става по същия начин, но няма колянов вал. На пръв поглед това изглежда лудост, тъй като буталата просто са оставени да тракат в цилиндрите си. Но това всъщност е инсулт – да, възнамерявах тази игра на думи – на гениалност. Като хоризонтално противопоставят два цилиндъра и ги детонират едновременно, буталата компресират въздуха между тях. Този въздух преминава през компресор, който много прилича на турбокомпресор.
Въпреки че е технически възможно да се задвижва ос директно от тази турбина, на практика тази турбина се използва по най-добрия начин за задвижване на електрически генератор.
Идеята за такъв двигател съществува от 1807 г., но предизвикателствата да накараш буталата да се запалят и движение едновременно са попречили на дизайнерите да се възползват напълно от свободния бутален двигател... досега.
Предимствата
И така, с тези предизвикателства, защо изобщо да се притеснявате? Е, всичко е свързано с ефективността. В стандартен двигател с вътрешно горене голяма част от мощността се губи като топлина и вибрации. Съвременните бензинови двигатели могат да преобразуват само 18 до 25 процента от потенциалната енергия на горивото, което изгарят, в използваема енергия. Най-ефективните бензинови двигатели могат за момент да постигнат до 35 процента, но дори и тогава само при идеални условия.
В стандартен двигател с вътрешно горене голяма част от мощността се губи като топлина и вибрации.
Липсата на колянов вал в системата със свободно бутало означава, че няма нито една от постоянните промени на импулса, които създават вибрациите и триенето, които нарушават ефективността. Тези предимства са очевидни от два века, но с прецизността на съвременната технология има и друго: променливо съотношение на компресия.
При колянов вал с размера на горивната камера дължината на движение на буталото е фиксирана. В съвременните, експериментални двигатели със свободно бутало, размерът на камерата и дължината на силовия ход могат да се променят в движение, променяйки от революция на революция, като блокът за управление на двигателя приспособява размера на горивната камера към идеалния въздух за гориво смес.
Освен това тази променливост трябва да позволи на двигателите със свободно бутало да работят с всичко - от водород до природен газ. Всъщност не бих се изненадал, ако един от тези двигатели работи с едномалцово уиски.
- 1. Контролната зала в лабораторията FKLG към DLR Institute of Vehicle Concepts (Източник: DLR)
- 2. Батерията е изтощена? – Линейният генератор със свободно бутало действа като разширител на обхвата, доставяйки електрическата енергия, необходима на електрическите превозни средства (Източник: DLR)
Всички тези качества правят двигателя със свободно бутало идеален като бордов генератор, ролята, в която той може да революционизира дизайна на задвижването.
Сериозно, кога мога да си взема такъв?
Досега се разработват два прототипа на двигатели без бутало. Първото, което не е изненадващо, идва от немски учени/тъмни магьосници в Германския аерокосмически център (DLR).
Техният прототип, наречен „Freikolbenlineargenerator“, за който не съм сигурен, че е доказателство дали германците имат чувство за хумор или не, все още е в ранен етап на развитие. Но въпреки това, той обещава да осигури производителност, за която други инженери на задвижващи системи могат само да мечтаят.
Двигателят на Toyota ще може да генерира 15 конски сили от пакет с дължина осем инча и два фута.
Freikolbenlineargenerator използва цилиндри, които са обърнати един към друг. Тази ориентация на буталото му позволява да бъде още по-компактен от типичните двигатели със свободно бутало. Това го прави идеален за използване като разширител на обхват.
Вземете например Chevy Volt. Има батерии и може да работи само на електричество. Но когато батериите се изтощават, той разполага с 1,4-литров газов двигател, който може да ги презареди и да задвижи самата кола над 65 мили в час. Това работи добре, но за съжаление дори газовите двигатели с малък работен обем са обемисти, тежки и скъпи.
Freikolbenlineargenerator може да изпълни същата задача, като същевременно е достатъчно малък, за да се монтира под пода на кола, което спестява място за други неща като зеле, да кажем.
Но чудодейният двигател на работната маса на тевтонския луд учен е далеч от реалното производство, нали?
Е, Toyota също е на борда. Това лято огромният японски автомобилен производител обяви собствен безплатен бутален двигател или „линеен генератор“. Версията на Toyota използва единичен цилиндър, а не противоположна двойка и има 42 процента топлинна ефективност при постоянна работа условия. Това е по-добро, отколкото всеки сериен двигател може да постигне – дори за момент, при оптимални условия.
Двигателят на Toyota ще може да генерира 15 конски сили от пакет с дължина осем инча и два фута. Две от тях вероятно биха били повече от достатъчни за презареждане на батериите в модерно превозно средство с разширен пробег с огромно спестяване на пространство и енергия. Германската технология е невероятна, но двигателят на Toyota може да бъде в Prius скоро.
Заключение
Чистото електричество – или евентуално водородът – все още почти сигурно е дългосрочният бъдещ източник на енергия за автомобилите. Въпреки това нито една от тези технологии не е напълно готова. Електрическият се доближава, но все още е твърде скъп за повечето американски потребители, да не говорим за буквално милиарди китайски и индийски потребители, които се стремят да притежават автомобили.
Двигателите със свободно бутало може да са критична мостова технология, която може драматично да подобри ефективността на вътрешното горене. Те също могат да имат по-дълъг живот от традиционните форми на вътрешно горене, благодарение на способността им да горят почти всичко запалимо... Гледам ви, мазни парцали.
Ако индустриални гиганти като Toyota решат да хвърлят тежестта си зад технологията, тя може да бъде в серийните автомобили много скоро. Да се надяваме.
Препоръки на редакторите
- Следващият Mercedes-AMG C63 може да се откаже от V8 за четирицилиндров хибриден двигател
