Miks võiksid "Free Piston" mootorid toita teie järgmist pistikühendusega hübriid?

Tuleviku autotehnoloogiale mõeldes mõtleme tavaliselt alternatiivkütustele, olgu selleks siis vesinik või futuristlikest akudest saadud elektrienergia. Selgub, et tulevik võib tegelikult olla sisepõlemise uus vorm: "vaba kolbmootor".

See tehnoloogia kujundab mootoreid radikaalselt ümber, asendades tavaliselt kolbidelt jõudu edastava väntvõlli survekambri ja turbotiivikuga. Vaba kolbmootoritel on radikaalselt parema efektiivsuse potentsiaal. Prototüübivabad kolbmootorid on juba praegu tootmises olevatest mootoritest 50–60 protsenti tõhusamad – ja potentsiaali on palju enamaks.

Kuidas see töötab?

Vabal kolvil on enamik samu komponente, mis igal sisepõlemismootoril. Peamine erinevus seisneb selles, kuidas see põlemisjõudu kinnistab.

Tavalises mootoris süstitakse kütus ja õhk survekambrisse ja süüdatakse. See põlemine surub alla kolvi, mis on ühendatud väntvõlliga. Autodes juhitakse pöörleva väntvõlli energia ülekande kaudu veoratasteni.

Vabas kolbmootoris toimub põlemine samamoodi, kuid väntvõll puudub. Pealtnäha tundub see hullumeelne, kuna kolvid jäävad silindrites lihtsalt ringi ragisema. Kuid see on tegelikult geniaalsuse löök – jah, ma mõtlesin seda sõnamängu. Kahe silindriga horisontaalselt vastandudes ja samaaegselt detoneerides suruvad kolvid nendevahelise õhu kokku. See õhk juhitakse läbi kompressori, mis näeb välja nagu turbolaadur.

Kui tehniliselt on võimalik juhtida telge otse sellest turbiinist, siis praktikas kasutatakse seda turbiini kõige paremini elektrigeneraatori juhtimisel.

Sellise mootori idee on olnud juba aastast 1807, kuid kolbide käivitamise väljakutsed ja üheaegselt liikumine on takistanud disaineritel vaba kolbmootori kõiki eeliseid kasutamast … siiani.

Eelised

Miks siis nende väljakutsetega üldse vaeva näha? Noh, see kõik on seotud tõhususega. Tavalises sisepõlemismootoris kaob suur osa võimsusest soojuse ja vibratsioonina. Kaasaegsed bensiinimootorid suudavad muuta kasutatavaks energiaks vaid 18–25 protsenti nende põletatud kütuse potentsiaalsest energiast. Kõige tõhusamad bensiinimootorid suudavad hetkeks saavutada isegi 35 protsenti, kuid isegi siis ainult ideaalsetes tingimustes.

Väntvõlli puudumine vabas kolvisüsteemis tähendab, et puuduvad pidevad impulsi muutused, mis tekitavad vibratsiooni ja hõõrdumist, mis kahjustab tõhusust. Need eelised on ilmnenud juba kaks sajandit, kuid kaasaegse tehnoloogia täpsusega on veel üks: muutuv tihendusaste.

Põlemiskambri suuruse väntvõlliga on kolvi liikumise pikkus fikseeritud. Kaasaegsetes eksperimentaalsetes vabakolbmootorites saab kambri suurust ja jõutakti pikkust käigult muuta, muutes pöördest pöördeni, kusjuures mootori juhtseade kohandab põlemiskambri suuruse ideaalse kütuseõhu jaoks segu.

Lisaks peaks see varieeruvus võimaldama vabadel kolbmootoritel töötada vesinikust maagaasini. Tegelikult ei oleks ma üllatunud, kui üks neist mootoritest töötaks ühelinnase scotchiga.

Kõik need omadused muudavad vaba kolbmootori ideaalseks pardageneraatorina, mis võib muuta jõuülekande konstruktsiooni.

Tõsiselt, millal ma selle saan?

Seni on töös kaks prototüübivaba kolbmootorit. Esimene, pole üllatav, pärineb Saksa teadlastelt / tumemaagidelt Saksa lennunduskeskusest (DLR).

Nende prototüüp nimega Freikolbenlineargenerator, mis ma pole kindel, kas sakslastel on huumorimeelt või mitte, on alles väljatöötamise algstaadiumis. Sellest hoolimata tõotab see pakkuda sellist jõudlust, millest teised jõuülekandeinsenerid võivad vaid unistada.

Freikolbenlineargeneraator kasutab üksteise vastas olevaid silindreid. Selline kolvi orientatsioon võimaldab sellel olla isegi kompaktsem kui tüüpilistel vabakolbmootoritel. See muudab selle ideaalseks kasutamiseks vahemiku pikendajana.

Võtke näiteks Chevy Volt. Sellel on patareid ja see töötab ainult elektriga. Kui aga akud tühjenevad, on sellel 1,4-liitrine gaasimootor, mis suudab neid laadida ja autot ise üle 65 miili tunnis edasi lükata. See töötab hästi, kuid kahjuks on isegi väikese töömahuga gaasimootorid mahukad, rasked ja kallid.

Freikolbenlineargeneraator saab hakkama sama tööga, olles samas piisavalt väike, et seda auto põranda alla paigaldada, mis säästab ruumi näiteks lehtkapsa jaoks.

Kuid imemootor teutooni hullu teadlase töölaual on tegelikust tootmisest kaugel, eks?

Noh, Toyota on ka pardal. Sel suvel teatas suur Jaapani autotootja oma tasuta kolbmootori ehk lineaarse generaatori loomisest. Toyota versioon kasutab üks silinder, mitte vastandpaar ja suudab pideva töötamise korral saavutada 42% soojusliku efektiivsuse tingimused. See on parem, kui ükski seeriamootor on võimeline saavutama – isegi hetkeliselt, optimaalsetes tingimustes.

Toyota mootor oleks võimeline tootma 15 hobujõudu kaheksa tolli pikkusest ja kahe jala pikkusest pakendist. Kahest neist piisaks tõenäoliselt enam kui piisavaks, et laadida akusid kaasaegses laiendatud sõiduulatusega sõidukis, mis säästab tohutult ruumi ja energiat. Saksa tehnoloogia on hämmastav, kuid Toyota mootor võib Priusel olla varsti.

Järeldus

Puhas elekter – või võib-olla ka vesinik – on endiselt peaaegu kindlasti autode pikaajaline tulevikuenergiaallikas. Kuid kumbki neist tehnoloogiatest pole veel päris valmis. Elektrienergia on lähedal, kuid on enamiku Ameerika tarbijate jaoks siiski liiga kallis, rääkimata sõna otseses mõttes miljarditest Hiina ja India tarbijatest, kes soovivad autot omada.

Vaba kolbmootorid võivad olla kriitilise tähtsusega sillatehnoloogia, mis võib oluliselt parandada sisepõlemise tõhusust. Tänu nende võimele põletada peaaegu kõike tuleohtlikku... Ma vaatan sind, õlised kaltsud, võib nende eluiga olla pikem kui traditsioonilistel sisepõlemisvormidel.

Kui tööstushiiglased nagu Toyota otsustavad tehnoloogiale oma kaalu visata, võib see peagi jõuda ka seeriaautodesse. Loodame.

Toimetajate soovitused

• Järgmisena võiks Mercedes-AMG C63 loobuda V8-st neljasilindrilise hübriidjõu jaoks