Når vi tænker på fremtidens bilteknologi, tænker vi normalt på alternative brændstoffer, uanset om det er brint eller elektrisk strøm fra futuristiske batterier. Det viser sig, at fremtiden faktisk kan være en ny form for intern forbrænding: den 'frie stempel'-motor.
Denne teknologi omformer radikalt motorer og erstatter krumtapakslen, der normalt overfører kraft fra stemplerne, med et kompressionskammer og et turbohjul. Frie stempelmotorer rummer potentialet for radikalt forbedret effektivitet. Prototypefrie stempelmotorer er allerede 50 til 60 procent mere effektive end nogen motor i øjeblikket i produktion – og der er potentiale for meget mere.
Hvordan virker det?
Et frit stempel har de fleste af de samme komponenter som enhver forbrændingsmotor. Den vigtigste forskel er, hvordan den fanger forbrændingskraften.
I en standardmotor sprøjtes brændstof og luft ind i kompressionskammeret og antændes. Denne forbrænding presser ned på stemplet, som er forbundet med krumtapakslen. I biler føres energien fra den roterende krumtapaksel gennem en transmission og ud til drivhjulene.
I en fri stempelmotor sker forbrændingen på samme måde, men der er ingen krumtapaksel. Umiddelbart virker dette skørt, da stemplerne bare står og rasler rundt i deres cylindre. Men det her er faktisk en genial streg – ja, jeg havde til hensigt det ordspil. Ved at modsætte to cylindre vandret og detonere dem samtidigt, komprimerer stemplerne luften mellem dem. Denne luft ledes gennem en kompressor, der ligner en turbolader meget.
Selvom det er teknisk muligt at drive en aksel direkte fra denne turbine, udnyttes denne turbine i praksis bedst ved at drive en elektrisk generator.
Idéen til en sådan motor har eksisteret siden 1807, men udfordringerne med at få stemplerne til at gå i gang og flytte samtidig har forhindret designere i at udnytte den frie stempelmotor fuldt ud... indtil nu.
Fordelene
Så med disse udfordringer, hvorfor overhovedet gider? Nå, det har alt at gøre med effektivitet. I en standard forbrændingsmotor går en stor del af strømmen tabt som varme og vibrationer. Moderne benzinmotorer kan kun omdanne 18 til 25 procent af den potentielle energi i det brændstof, de forbrænder, til brugbar energi. De mest effektive benzinmotorer kan i øjeblikket opnå så meget som 35 procent, men selv da kun under ideelle forhold.
I en standard forbrændingsmotor går en stor del af strømmen tabt som varme og vibrationer.
Manglen på en krumtapaksel i det frie stempelsystem betyder, at der ikke er nogen af de konstante momentumændringer, der skaber den vibration og friktion, der forringer effektiviteten. Disse fordele har været tydelige i to århundreder, men med præcisionen af moderne teknologi er der en anden: variable kompressionsforhold.
Med en krumtapaksel på størrelse med forbrændingskammeret er længden af stemplets bevægelse fastsat. I moderne, eksperimentelle fristempelmotorer kan størrelsen af kammeret og længden af kraftslaget varieres i farten og ændres fra omdrejning til omdrejning, med motorstyringsenheden, der skræddersyer størrelsen af forbrændingskammeret til den ideelle brændstofluft blanding.
Derudover skulle denne variabilitet tillade frie stempelmotorer at køre på alt fra brint til naturgas. Faktisk ville jeg ikke blive overrasket, hvis en af disse motorer ville køre på single malt scotch.
- 1. Kontrolrummet på FKLG Laboratoriet på DLR Institut for Køretøjskoncepter (Kilde: DLR)
- 2. Batteri fladt? – Den lineære generator med frit stempel fungerer som en rækkeviddeforlænger, der leverer den elektriske strøm, der er nødvendig for elektriske køretøjer (Kilde: DLR)
Alle disse kvaliteter gør den frie stempelmotor ideel som en indbygget generator, den rolle, hvori den kan revolutionere drivlinjedesignet.
Seriøst, hvornår kan jeg få en?
Indtil videre er to prototypefrie stempelmotorer på vej. Den første kommer, ikke overraskende, fra tyske videnskabsmænd/mørkemagikere ved German Aerospace Center (DLR).
Deres prototype, kaldet "Freikolbenlineargeneratoren", som jeg ikke er sikker på er bevis på, at tyskerne har en sans for humor eller ej, er stadig i de tidlige udviklingsstadier. Alligevel på trods af dette lover den at levere den slags præstationer, som andre drivlinjeingeniører kun kan drømme om.
Toyotas motor ville være i stand til at generere 15 hestekræfter fra en pakke otte tommer rundt og to fod lang.
Freikolbenlineargeneratoren bruger cylindre, der vender mod hinanden. Denne stempelorientering gør, at den er endnu mere kompakt end typiske fristempelmotorer. Dette gør den perfekt til brug som rækkeviddeforlænger.
Tag for eksempel Chevy Volt. Den har batterier og er i stand til udelukkende at køre på strøm. Men når batterierne bliver fladt, har den en 1,4-liters gasmotor, der kan genoplade dem og drive selve bilen over 65 mph. Dette fungerer godt, men desværre er selv små gasmotorer voluminøse, tunge og dyre.
Freikolbenlineargeneratoren kan udføre det samme arbejde, mens den er lille nok til at monteres under gulvet i en bil, hvilket sparer plads til andre ting som grønkål, lad os sige.
Men en mirakelmotor på en teutonisk gal videnskabsmands arbejdsbord er langt fra egentlig produktion, ikke?
Jamen, Toyota er også ombord. Denne sommer annoncerede den massive japanske bilproducent sin egen gratis stempelmotor eller 'lineær generator.' Toyota-versionen bruger en enkelt cylinder i stedet for et modsat par og er i stand til 42 procent termisk effektivitet under konstant drift betingelser. Det er bedre end nogen produktionsmotor er i stand til at opnå - selv kortvarigt under optimale forhold.
Toyotas motor ville være i stand til at generere 15 hestekræfter fra en pakke otte tommer rundt og to fod lang. To af disse ville sandsynligvis være mere end nok til at genoplade batterierne i et moderne køretøj med udvidet rækkevidde med enorme plads- og energibesparelser. Den tyske teknologi er fantastisk, men Toyotas motor kan være i Prius inden længe.
Konklusion
Ren elektrisk – eller muligvis brint – er stadig næsten helt sikkert den langsigtede fremtidige energikilde for biler. Ingen af disse teknologier er dog helt klar. Elektrisk kommer tæt på, men er stadig alt for dyrt for de fleste amerikanske forbrugere, for slet ikke at tale om bogstaveligt talt milliarder af kinesiske og indiske forbrugere, der stræber efter bilejerskab.
Frie stempelmotorer kan være en kritisk broteknologi, der dramatisk kan forbedre effektiviteten af intern forbrænding. De kan også have en længere levetid end traditionelle former for intern forbrænding, takket være deres evne til at forbrænde næsten alt, hvad der kan brænde … jeg ser på dig, olieagtige klude.
Hvis industrigiganter som Toyota beslutter sig for at kaste deres vægt bag teknologien, kan det være i produktionsbiler meget snart. Lad os håbe.
Redaktørernes anbefalinger
- Næste Mercedes-AMG C63 kunne droppe V8'eren for firecylindret hybridkraft
