Kun ajattelemme tulevaisuuden autotekniikkaa, ajattelemme yleensä vaihtoehtoisia polttoaineita, olipa se sitten vety- tai sähkövoimaa futuristisista akuista. Osoittautuu, että tulevaisuus saattaa itse asiassa olla uusi sisäpolttomuoto: "vapaa mäntä" -moottori.
Tämä tekniikka muuttaa moottorit radikaalisti ja korvaa normaalisti männistä voimaa siirtävän kampiakselin puristuskammiolla ja turbo-siipipyörällä. Vapaat mäntämoottorit tarjoavat mahdollisuuden radikaalisti parantuneeseen hyötysuhteeseen. Prototyyppivapaat mäntämoottorit ovat jo 50–60 prosenttia tehokkaampia kuin mikään tällä hetkellä tuotannossa oleva moottori – ja potentiaalia on paljon enemmän.
Kuinka se toimii?
Vapaassa männässä on useimmat samat komponentit kuin missä tahansa polttomoottorissa. Keskeinen ero on siinä, miten se kaappaa palamisvoiman.
Tavallisessa moottorissa polttoainetta ja ilmaa ruiskutetaan puristuskammioon ja sytytetään. Tämä palaminen painaa alas mäntää, joka on kytketty kampiakseliin. Autoissa pyörivän kampiakselin energia ohjataan voimansiirron kautta ulos vetopyörille.
Vapaassa mäntämoottorissa palaminen tapahtuu samalla tavalla, mutta kampiakselia ei ole. Päällisin puolin tämä näyttää hullulta, koska männät jäävät vain kolisemaan sylintereissään. Mutta tämä on itse asiassa aivohalvaus – kyllä, tarkoitin sitä sanaleikkaa – neroudesta. Asettamalla kaksi sylinteriä vaakatasossa vastakkain ja räjäyttämällä ne samanaikaisesti, männät puristavat ilmaa niiden välistä. Tämä ilma johdetaan kompressorin läpi, joka näyttää hyvin turboahtimelta.
Vaikka on teknisesti mahdollista ajaa akselia suoraan tästä turbiinista, käytännössä tämä turbiini on parhaalla mahdollisella tavalla hyödynnetty sähkögeneraattorilla.
Ajatus tällaisesta moottorista on ollut olemassa vuodesta 1807, mutta mäntien laukeamiseen liittyvät haasteet ja Liikkuminen samanaikaisesti ovat estäneet suunnittelijoita hyödyntämästä vapaata mäntämoottoria täysimääräisesti… tähän asti.
Edut
Joten miksi edes vaivautua näiden haasteiden kanssa? No, se kaikki liittyy tehokkuuteen. Tavallisessa polttomoottorissa suuri osa tehosta häviää lämmön ja tärinän muodossa. Nykyaikaiset bensiinimoottorit voivat muuntaa vain 18–25 prosenttia polttaman polttoaineen potentiaalisesta energiasta käyttökelpoiseksi energiaksi. Tehokkaimmat bensiinimoottorit voivat saavuttaa hetkellisesti jopa 35 prosenttia, mutta silloinkin vain ihanteellisissa olosuhteissa.
Tavallisessa polttomoottorissa suuri osa tehosta häviää lämmön ja tärinän muodossa.
Kampiakselin puute vapaassa mäntäjärjestelmässä tarkoittaa, että mitään jatkuvia liikemäärän muutoksia ei synny tehokkuutta heikentävää tärinää ja kitkaa. Nämä edut ovat olleet ilmeisiä kahden vuosisadan ajan, mutta nykyaikaisen tekniikan tarkkuudella on toinenkin: muuttuvat puristussuhteet.
Polttokammion kokoisella kampiakselilla männän liikkeen pituus on kiinteä. Nykyaikaisissa, kokeellisissa vapaissa mäntämoottoreissa kammion kokoa ja iskunpituutta voidaan vaihdella lennossa. kierroksesta kierrokseen, ja moottorin ohjausyksikkö räätälöi palotilan koon ihanteelliseen polttoaineilmaan seos.
Lisäksi tämän vaihtelun pitäisi mahdollistaa vapaiden mäntämoottorien käyttö vedystä maakaasuun. Itse asiassa en olisi yllättynyt, jos jokin näistä moottoreista toimisi single malt -scotchilla.
- 1. DLR Institute of Vehicle Concepts -instituutin FKLG-laboratorion valvomo (Lähde: DLR)
- 2. Akku tyhjä? – Vapaamäntäinen lineaarinen generaattori toimii kantaman pidentäjänä, joka toimittaa sähköajoneuvojen tarvitsemaa sähköä (Lähde: DLR)
Kaikki nämä ominaisuudet tekevät vapaamäntämoottorista ihanteellisen laivan generaattoriksi, jossa se voi mullistaa voimansiirron suunnittelun.
Oikeasti, milloin saan sellaisen?
Toistaiseksi työn alla on kaksi prototyyppivapaata mäntämoottoria. Ensimmäinen, ei ole yllättävää, tulee saksalaisilta tiedemiehiltä / pimeyden taikuilta Saksan ilmailukeskuksessa (DLR).
Heidän prototyyppinsä, nimeltään "Freikolbenlineargenerator", en ole varma, onko saksalaisilla huumorintajua vai ei, on vielä kehitysvaiheessa. Siitä huolimatta se lupaa tarjota sellaisen suorituskyvyn, josta muut voimansiirtoinsinöörit voivat vain haaveilla.
Toyotan moottori pystyisi tuottamaan 15 hevosvoimaa paketista, jonka ympärillä on kahdeksan tuumaa ja pituus on kaksi jalkaa.
Freikolbenlineargeneraattorissa käytetään sylintereitä, jotka ovat vastakkain. Tämän männän suuntauksen ansiosta se on jopa kompaktimpi kuin tyypilliset vapaamäntämoottorit. Tämä tekee siitä täydellisen käytettäväksi kantaman laajentajana.
Otetaan esimerkiksi Chevy Volt. Siinä on paristot ja se voi toimia pelkästään sähköllä. Mutta kun akut tyhjenevät, siinä on 1,4 litran kaasumoottori, joka voi ladata ne ja ajaa auton itse yli 65 mph. Tämä toimii hyvin, mutta valitettavasti jopa pienitilavuuksiset kaasumoottorit ovat tilaa vieviä, raskaita ja kalliita.
Freikolbenlineargeneraattori voi suorittaa saman työn, vaikka se on tarpeeksi pieni asennettavaksi auton lattian alle, mikä säästää tilaa muille asioille, kuten lehtikaalille.
Mutta ihmemoottori teutonilaisen hullun tiedemiehen työpöydällä on kaukana todellisesta tuotannosta, eikö niin?
No, myös Toyota on mukana. Tänä kesänä massiivinen japanilainen autonvalmistaja julkisti oman ilmaisen mäntämoottorinsa tai "lineaarigeneraattorinsa". Toyota-versiossa käytetään yksi sylinteri mieluummin kuin vastakkainen pari, ja se pystyy saavuttamaan 42 prosentin lämpöhyötysuhteen jatkuvassa käytössä ehdot. Se on parempi kuin mikään tuotantomoottori pystyy saavuttamaan – edes hetkellisesti, optimaalisissa olosuhteissa.
Toyotan moottori pystyisi tuottamaan 15 hevosvoimaa paketista, jonka ympärillä on kahdeksan tuumaa ja pituus on kaksi jalkaa. Kaksi näistä olisi todennäköisesti enemmän kuin tarpeeksi akkujen lataamiseen nykyaikaisessa, laajennetussa ajoneuvossa, mikä säästää valtavasti tilaa ja energiaa. Saksalainen tekniikka on hämmästyttävää, mutta Toyotan moottori saattaa olla Priuksessa ennen pitkää.
Johtopäätös
Puhdas sähkö – tai mahdollisesti vety – on lähes varmasti autojen tulevaisuuden pitkän aikavälin energianlähde. Kumpikaan näistä tekniikoista ei kuitenkaan ole täysin valmis. Sähkö tulee lähelle, mutta on silti aivan liian kallista useimmille amerikkalaisille kuluttajille, puhumattakaan miljardeista kiinalaisista ja intialaisista kuluttajista, jotka haluavat auton omistamisen.
Vapaat mäntämoottorit voivat olla kriittinen siltatekniikka, joka voi parantaa merkittävästi polton tehokkuutta. Niiden käyttöikä voi myös olla pidempi kuin perinteisillä sisäpolttomuodoilla, koska ne pystyvät polttamaan melkein mitä tahansa tulenarkaa… Katson sinua, öljyiset rievut.
Jos alan jättiläiset, kuten Toyota, päättävät heittää painonsa teknologian taakse, se voi pian tulla tuotantoautoihin. Toivotaan.
Toimittajien suositukset
- Seuraavaksi Mercedes-AMG C63 voisi luopua V8:sta nelisylinterisen hybridivoiman osalta
