Όταν σκεφτόμαστε την τεχνολογία αυτοκινήτων του μέλλοντος, συνήθως σκεφτόμαστε εναλλακτικά καύσιμα, είτε υδρογόνο είτε ηλεκτρική ενέργεια από φουτουριστικές μπαταρίες. Αποδεικνύεται ότι το μέλλον μπορεί να είναι στην πραγματικότητα μια νέα μορφή εσωτερικής καύσης: ο κινητήρας «ελεύθερου εμβόλου».
Αυτή η τεχνολογία αναδιαμορφώνει ριζικά τους κινητήρες, αντικαθιστώντας τον στροφαλοφόρο άξονα που συνήθως μεταφέρει ισχύ από τα έμβολα με έναν θάλαμο συμπίεσης και μια πτερωτή turbo. Οι κινητήρες με ελεύθερο έμβολο έχουν τη δυνατότητα ριζικά βελτιωμένης απόδοσης. Οι πρωτότυποι κινητήρες χωρίς έμβολα είναι ήδη 50 έως 60 τοις εκατό πιο αποδοτικοί από οποιονδήποτε κινητήρα που παράγεται αυτή τη στιγμή – και υπάρχει η δυνατότητα για πολύ περισσότερα.
Πώς λειτουργεί;
Ένα ελεύθερο έμβολο έχει τα περισσότερα από τα ίδια εξαρτήματα με κάθε κινητήρα εσωτερικής καύσης. Η βασική διαφορά είναι πώς συλλαμβάνει την ισχύ της καύσης.
Σε έναν τυπικό κινητήρα, το καύσιμο και ο αέρας εγχέονται στον θάλαμο συμπίεσης και αναφλέγονται. Αυτή η καύση σπρώχνει προς τα κάτω το έμβολο, το οποίο είναι συνδεδεμένο με τον στροφαλοφόρο άξονα. Στα αυτοκίνητα, η ενέργεια του περιστρεφόμενου στροφαλοφόρου άξονα διοχετεύεται μέσω ενός κιβωτίου ταχυτήτων και εξέρχεται στους κινητήριους τροχούς.
Σε έναν κινητήρα με ελεύθερο έμβολο, η καύση γίνεται με τον ίδιο τρόπο, αλλά δεν υπάρχει στροφαλοφόρος άξονας. Εκ πρώτης όψεως, αυτό φαίνεται τρελό, καθώς τα έμβολα μένουν απλώς να κροταλίζουν στους κυλίνδρους τους. Αλλά αυτό είναι στην πραγματικότητα ένα εγκεφαλικό επεισόδιο –ναι, είχα σκοπό αυτό το λογοπαίγνιο– ιδιοφυΐας. Αντιθέτοντας οριζόντια δύο κυλίνδρους και πυροδοτώντας τους ταυτόχρονα, τα έμβολα συμπιέζουν τον αέρα μεταξύ τους. Αυτός ο αέρας διοχετεύεται μέσω ενός συμπιεστή που μοιάζει πολύ με υπερσυμπιεστή.
Ενώ είναι τεχνικά δυνατό να κινηθεί ένας άξονας απευθείας από αυτόν τον στρόβιλο, στην πράξη αυτός ο στρόβιλος χρησιμοποιείται με τον καλύτερο δυνατό τρόπο οδηγώντας μια ηλεκτρική γεννήτρια.
Η ιδέα για έναν τέτοιο κινητήρα υπήρχε από το 1807, αλλά οι προκλήσεις του να πυροδοτήσουν τα έμβολα και Η ταυτόχρονη κίνηση εμπόδισε τους σχεδιαστές να εκμεταλλευτούν πλήρως τον κινητήρα με ελεύθερο έμβολο… μέχρι τώρα.
Τα πλεονεκτήματα
Λοιπόν, με αυτές τις προκλήσεις, γιατί να ασχοληθούμε; Λοιπόν, όλα έχουν να κάνουν με την αποτελεσματικότητα. Σε έναν τυπικό κινητήρα εσωτερικής καύσης, μεγάλο μέρος της ισχύος χάνεται ως θερμότητα και δόνηση. Οι σύγχρονοι βενζινοκινητήρες μπορούν να μετατρέψουν μόνο το 18 έως 25 τοις εκατό της δυνητικής ενέργειας του καυσίμου που καίνε σε χρησιμοποιήσιμη ενέργεια. Οι πιο αποδοτικοί βενζινοκινητήρες μπορούν να επιτύχουν στιγμιαία έως και 35 τοις εκατό, αλλά ακόμη και τότε μόνο υπό ιδανικές συνθήκες.
Σε έναν τυπικό κινητήρα εσωτερικής καύσης, μεγάλο μέρος της ισχύος χάνεται ως θερμότητα και δόνηση.
Η έλλειψη στροφαλοφόρου άξονα στο σύστημα ελεύθερου εμβόλου σημαίνει ότι δεν υπάρχει καμία από τις σταθερές αλλαγές ορμής που να δημιουργούν τους κραδασμούς και την τριβή που δυσχεραίνουν την απόδοση. Αυτά τα πλεονεκτήματα είναι εμφανή εδώ και δύο αιώνες, αλλά με την ακρίβεια της σύγχρονης τεχνολογίας υπάρχει ένα άλλο: οι μεταβλητοί λόγοι συμπίεσης.
Με έναν στροφαλοφόρο άξονα στο μέγεθος του θαλάμου καύσης, το μήκος της κίνησης του εμβόλου είναι σταθερό. Στους σύγχρονους, πειραματικούς κινητήρες με ελεύθερα έμβολα, το μέγεθος του θαλάμου και το μήκος της διαδρομής ισχύος μπορεί να ποικίλλει εν κινήσει, αλλάζοντας από περιστροφή σε επανάσταση, με τη μονάδα διαχείρισης κινητήρα να προσαρμόζει το μέγεθος του θαλάμου καύσης στον ιδανικό αέρα καυσίμου μίγμα.
Επιπλέον, αυτή η μεταβλητότητα θα πρέπει να επιτρέπει στους κινητήρες με ελεύθερα έμβολα να λειτουργούν με οτιδήποτε, από υδρογόνο έως φυσικό αέριο. Στην πραγματικότητα, δεν θα εκπλαγώ αν ένας από αυτούς τους κινητήρες λειτουργούσε με single malt scotch.
- 1. Η αίθουσα ελέγχου στο εργαστήριο FKLG στο DLR Institute of Vehicle Concepts (Πηγή: DLR)
- 2. Άδεια μπαταρίας; – Η γραμμική γεννήτρια ελεύθερου εμβόλου λειτουργεί ως επέκταση της εμβέλειας, παρέχοντας την ηλεκτρική ισχύ που χρειάζονται τα ηλεκτρικά οχήματα (Πηγή: DLR)
Όλα αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν τον κινητήρα με ελεύθερο έμβολο ιδανικό ως ενσωματωμένη γεννήτρια, ο ρόλος στον οποίο μπορεί να φέρει επανάσταση στο σχεδιασμό του συστήματος μετάδοσης κίνησης.
Σοβαρά, πότε μπορώ να πάρω ένα;
Μέχρι στιγμής, δύο πρωτότυποι κινητήρες με ελεύθερο έμβολο βρίσκονται στα σκαριά. Το πρώτο, χωρίς έκπληξη, προέρχεται από Γερμανούς επιστήμονες/σκοτεινούς μάγους στο Γερμανικό Αεροδιαστημικό Κέντρο (DLR).
Το πρωτότυπό τους, που ονομάστηκε «Freikolbenlineargenerator», το οποίο δεν είμαι σίγουρος ότι είναι απόδειξη ότι οι Γερμανοί έχουν αίσθηση του χιούμορ ή όχι, βρίσκεται ακόμα στα πρώτα στάδια ανάπτυξης. Ωστόσο, παρά το γεγονός αυτό, υπόσχεται να προσφέρει τις επιδόσεις που άλλοι μηχανικοί κινητήρων μπορούν μόνο να ονειρεύονται.
Ο κινητήρας της Toyota θα είναι ικανός να παράγει 15 ίππους από ένα πακέτο οκτώ ίντσες γύρω και δύο πόδια μήκος.
Η γεννήτρια Freikolbenlinear χρησιμοποιεί κυλίνδρους που αντικρίζουν ο ένας τον άλλο. Αυτός ο προσανατολισμός του εμβόλου του επιτρέπει να είναι ακόμη πιο συμπαγής από τους τυπικούς κινητήρες με ελεύθερο έμβολο. Αυτό το καθιστά ιδανικό για χρήση ως επέκταση εύρους.
Πάρτε για παράδειγμα το Chevy Volt. Διαθέτει μπαταρίες και μπορεί να λειτουργεί αποκλειστικά με ρεύμα. Αλλά όταν οι μπαταρίες τελειώνουν, έχει έναν κινητήρα αερίου 1,4 λίτρων που μπορεί να τις επαναφορτίσει και να προωθήσει το ίδιο το αυτοκίνητο πάνω από τα 65 mph. Αυτό λειτουργεί καλά, αλλά δυστυχώς ακόμη και οι κινητήρες αερίου μικρού κυβισμού είναι ογκώδεις, βαρείς και ακριβοί.
Η γεννήτρια Freikolbenlinear μπορεί να ολοκληρώσει την ίδια δουλειά, ενώ είναι αρκετά μικρή ώστε να τοποθετηθεί κάτω από το πάτωμα ενός αυτοκινήτου, γεγονός που εξοικονομεί χώρο για άλλα πράγματα όπως το λάχανο, ας πούμε.
Αλλά μια μηχανή θαύματος στον πάγκο εργασίας ενός Τεύτονα τρελού επιστήμονα απέχει πολύ από την πραγματική παραγωγή, σωστά;
Λοιπόν, η Toyota είναι επίσης στο πλοίο. Αυτό το καλοκαίρι, η τεράστια ιαπωνική αυτοκινητοβιομηχανία ανακοίνωσε τον δικό της κινητήρα με ελεύθερο έμβολο ή «γραμμική γεννήτρια». Η έκδοση Toyota χρησιμοποιεί ένας μόνο κύλινδρος και όχι ένα αντίθετο ζεύγος και είναι ικανό για θερμική απόδοση 42 τοις εκατό υπό συνεχή λειτουργία συνθήκες. Αυτό είναι καλύτερο από ό, τι μπορεί να πετύχει οποιοσδήποτε κινητήρας παραγωγής – έστω και στιγμιαία, υπό βέλτιστες συνθήκες.
Ο κινητήρας της Toyota θα είναι ικανός να παράγει 15 ίππους από ένα πακέτο οκτώ ίντσες γύρω και δύο πόδια μήκος. Δύο από αυτά θα ήταν πιθανότατα υπεραρκετά για την επαναφόρτιση των μπαταριών σε ένα σύγχρονο όχημα εκτεταμένης αυτονομίας με τεράστια εξοικονόμηση χώρου και ενέργειας. Η γερμανική τεχνολογία είναι εκπληκτική, αλλά ο κινητήρας της Toyota θα μπορούσε να είναι στο Prius σύντομα.
συμπέρασμα
Το καθαρό ηλεκτρικό – ή πιθανώς το υδρογόνο – εξακολουθεί να είναι σχεδόν σίγουρα η μακροπρόθεσμη μελλοντική πηγή ενέργειας για τα αυτοκίνητα. Ωστόσο, καμία από αυτές τις τεχνολογίες δεν είναι αρκετά έτοιμη. Το ηλεκτρικό πλησιάζει, αλλά εξακολουθεί να είναι πολύ ακριβό για τους περισσότερους Αμερικανούς καταναλωτές, για να μην πω τίποτα για κυριολεκτικά δισεκατομμύρια Κινέζους και Ινδούς καταναλωτές που φιλοδοξούν να κατέχουν αυτοκίνητο.
Οι κινητήρες με ελεύθερο έμβολο μπορεί να είναι μια κρίσιμη τεχνολογία γέφυρας που μπορεί να βελτιώσει δραματικά την απόδοση της εσωτερικής καύσης. Μπορεί επίσης να έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής από τις παραδοσιακές μορφές εσωτερικής καύσης, χάρη στην ικανότητά τους να καίνε σχεδόν οτιδήποτε εύφλεκτο… Σε κοιτάζω, λιπαρά κουρέλια.
Εάν οι κολοσσοί της βιομηχανίας όπως η Toyota αποφασίσουν να ρίξουν το βάρος τους στην τεχνολογία, θα μπορούσε να είναι στα αυτοκίνητα παραγωγής πολύ σύντομα. Ας ελπίσουμε.
Συστάσεις των συντακτών
- Η επόμενη Mercedes-AMG C63 θα μπορούσε να εγκαταλείψει τον V8 για τετρακύλινδρη υβριδική ισχύ
