Cuando pensamos en la tecnología automovilística del futuro, normalmente pensamos en combustibles alternativos, ya sea hidrógeno o energía eléctrica procedente de baterías futuristas. Resulta que el futuro podría ser en realidad una nueva forma de combustión interna: el motor de “pistón libre”.
Esta tecnología remodela radicalmente los motores, reemplazando el cigüeñal que normalmente transfiere la potencia de los pistones por una cámara de compresión y un turboimpulsor. Los motores de pistón libre ofrecen el potencial de una eficiencia radicalmente mejorada. Los motores de pistón sin prototipos ya son entre un 50 y un 60 por ciento más eficientes que cualquier motor actualmente en producción, y existe potencial para mucho más.
¿Como funciona?
Un pistón libre tiene la mayoría de los mismos componentes que cualquier motor de combustión interna. La diferencia clave es cómo captura el poder de la combustión.
En un motor estándar, el combustible y el aire se inyectan en la cámara de compresión y se encienden. Esta combustión empuja hacia abajo el pistón, que está conectado al cigüeñal. En los automóviles, la energía del cigüeñal giratorio pasa a través de una transmisión y llega a las ruedas motrices.
En un motor de pistones libres la combustión se produce de la misma manera, pero no hay cigüeñal. A primera vista, esto parece una locura, ya que los pistones simplemente se quedan traqueteando en sus cilindros. Pero esto es en realidad un golpe de genialidad (sí, era mi intención ese juego de palabras). Al oponer horizontalmente dos cilindros y detonarlos simultáneamente, los pistones comprimen el aire entre ellos. Este aire se conduce a través de un compresor que se parece mucho a un turbocompresor.
Si bien es técnicamente posible accionar un eje directamente desde esta turbina, en la práctica se aprovecha mejor esta turbina impulsando un generador eléctrico.
La idea de un motor de este tipo existe desde 1807, pero los desafíos de hacer que los pistones se disparen y moverse simultáneamente han impedido a los diseñadores aprovechar al máximo el motor de pistón libre... hasta ahora.
Las ventajas
Entonces, con esos desafíos, ¿por qué molestarse? Bueno, todo tiene que ver con la eficiencia. En un motor de combustión interna estándar, gran parte de la potencia se pierde en forma de calor y vibración. Los motores de gasolina modernos pueden convertir sólo entre el 18 y el 25 por ciento de la energía potencial del combustible que queman en energía utilizable. Los motores de gasolina más eficientes pueden alcanzar momentáneamente hasta el 35 por ciento, pero aun así sólo en condiciones ideales.
En un motor de combustión interna estándar, gran parte de la potencia se pierde en forma de calor y vibración.
La falta de un cigüeñal en el sistema de pistón libre significa que no hay cambios constantes de impulso que crean la vibración y la fricción que afectan la eficiencia. Estas ventajas han sido evidentes durante dos siglos, pero con la precisión de la tecnología moderna existe otra: relaciones de compresión variables.
Con un cigüeñal del tamaño de la cámara de combustión, la longitud del movimiento del pistón es fija. En los modernos motores experimentales de pistón libre, el tamaño de la cámara y la longitud de la carrera de potencia se pueden variar sobre la marcha, cambiando De revolución en revolución, con la unidad de gestión del motor adaptando el tamaño de la cámara de combustión al aire de combustible ideal. mezcla.
Además, esta variabilidad debería permitir que los motores de pistón libre funcionen con cualquier cosa, desde hidrógeno hasta gas natural. De hecho, no me sorprendería que uno de estos motores funcionara con whisky de pura malta.
- 1. Sala de control del laboratorio FKLG del Instituto de Conceptos de Vehículos del DLR (Fuente: DLR)
- 2. ¿Batería descargada? – El generador lineal de pistón libre actúa como extensor de autonomía, suministrando la energía eléctrica que necesitan los vehículos eléctricos (Fuente: DLR)
Todas estas cualidades hacen que el motor de pistón libre sea ideal como generador a bordo, función en la que puede revolucionar el diseño del sistema de propulsión.
En serio, ¿cuándo puedo conseguir uno?
Hasta el momento se están trabajando en dos prototipos de motores de pistón libre. El primero, como era de esperar, proviene de científicos/magos oscuros alemanes del Centro Aeroespacial Alemán (DLR).
Su prototipo, denominado “generador lineal Freikolben”, que no estoy seguro de que sea una prueba de que los alemanes tengan o no sentido del humor, se encuentra todavía en las primeras etapas de desarrollo. Sin embargo, a pesar de esto, promete ofrecer el tipo de rendimiento con el que otros ingenieros de sistemas de propulsión sólo pueden soñar.
El motor de Toyota sería capaz de generar 15 caballos de fuerza a partir de un paquete de veinte centímetros de diámetro y dos pies de largo.
El generador lineal Freikolben utiliza cilindros enfrentados. Esta orientación del pistón le permite ser incluso más compacto que los típicos motores de pistón libre. Esto lo hace perfecto para usar como extensor de alcance.
Tomemos, por ejemplo, el Chevy Volt. Tiene baterías y es capaz de funcionar únicamente con electricidad. Pero cuando las baterías se agotan, tiene un motor de gasolina de 1.4 litros que puede recargarlas e impulsar el auto a más de 65 mph. Esto funciona bien, pero lamentablemente incluso los motores de gasolina de pequeña cilindrada son voluminosos, pesados y caros.
El generador lineal Freikolben puede realizar el mismo trabajo, siendo lo suficientemente pequeño como para montarlo debajo del piso de un automóvil, lo que ahorra espacio para otras cosas como, por ejemplo, la col rizada.
Pero un motor milagroso en el banco de trabajo de un científico loco teutónico está muy lejos de la producción real, ¿verdad?
Bueno, Toyota también está de acuerdo. Este verano, el enorme fabricante de automóviles japonés anunció su propio motor de pistón libre o “generador lineal”. La versión de Toyota utiliza un solo cilindro en lugar de un par opuesto, y es capaz de alcanzar una eficiencia térmica del 42 por ciento en condiciones de funcionamiento constante. condiciones. Esto es mejor de lo que cualquier motor de producción es capaz de lograr, aunque sea momentáneamente, en condiciones óptimas.
El motor de Toyota sería capaz de generar 15 caballos de fuerza a partir de un paquete de veinte centímetros de diámetro y dos pies de largo. Probablemente dos de ellos serían más que suficientes para recargar las baterías de un vehículo moderno de autonomía extendida con un enorme ahorro de espacio y energía. La tecnología alemana es asombrosa, pero el motor de Toyota podría estar en el Prius en poco tiempo.
Conclusión
La electricidad pura (o posiblemente el hidrógeno) sigue siendo casi con certeza la futura fuente de energía a largo plazo para los automóviles. Sin embargo, ninguna de esas tecnologías está lista. La electricidad se acerca, pero sigue siendo demasiado cara para la mayoría de los consumidores estadounidenses, por no hablar de literalmente miles de millones de consumidores chinos e indios que aspiran a ser propietarios de un automóvil.
Los motores de pistón libre pueden ser una tecnología puente crítica que puede mejorar drásticamente la eficiencia de la combustión interna. También pueden tener una vida útil más larga que las formas tradicionales de combustión interna, gracias a su capacidad de quemar casi cualquier cosa inflamable... Los estoy mirando, trapos aceitosos.
Si gigantes de la industria como Toyota deciden apoyar esta tecnología, muy pronto podría estar en los automóviles de producción. Esperemos.
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