Kada razmišljamo o automobilskoj tehnologiji budućnosti, obično mislimo na alternativna goriva, bilo da se radi o vodiku ili električnoj energiji iz futurističkih baterija. Ispostavilo se da bi budućnost zapravo mogla biti novi oblik unutarnjeg izgaranja: motor sa 'slobodnim klipom'.
Ova tehnologija radikalno preoblikuje motore, zamjenjujući radilicu koja inače prenosi snagu s klipova kompresijskom komorom i turbo impelerom. Motori sa slobodnim klipom imaju potencijal radikalno poboljšane učinkovitosti. Prototipovi motora bez klipa već su 50 do 60 posto učinkovitiji od bilo kojeg motora koji se trenutno proizvodi – a postoji potencijal za mnogo više.
Kako radi?
Slobodni klip ima većinu istih komponenti kao i svaki motor s unutarnjim izgaranjem. Ključna razlika je u tome kako bilježi snagu izgaranja.
U standardnom motoru, gorivo i zrak se ubrizgavaju u kompresijsku komoru i pale. Ovo izgaranje gura prema dolje klip koji je povezan s radilicom. U automobilima, energija rotirajućeg koljenastog vratila prolazi kroz prijenos i izlazi na pogonske kotače.
U motoru sa slobodnim klipom izgaranje se događa na isti način, ali nema koljenastog vratila. Na prvi pogled, ovo se čini ludim, jer klipovi samo zveckaju u svojim cilindrima. Ali ovo je zapravo potez - da, namjeravao sam tu igru riječi - genija. Vodoravno nasuprot dva cilindra i istovremeno ih detonirajući, klipovi komprimira zrak između njih. Taj se zrak propušta kroz kompresor koji jako podsjeća na turbopunjač.
Iako je tehnički moguće pokretati osovinu izravno iz ove turbine, u praksi se ova turbina najbolje koristi za pogon električnog generatora.
Ideja za takav motor postoji još od 1807., ali izazovi pokretanja klipova i potezi su istovremeno spriječili dizajnere da u potpunosti iskoriste prednosti motora sa slobodnim klipom... do sada.
Prednosti
Dakle, s tim izazovima, zašto se uopće truditi? Pa, sve to ima veze s učinkovitošću. U standardnom motoru s unutarnjim izgaranjem velik se dio snage gubi kao toplina i vibracije. Moderni benzinski motori mogu pretvoriti samo 18 do 25 posto potencijalne energije goriva koje sagorijevaju u iskoristivu energiju. Najučinkovitiji benzinski motori trenutno mogu postići čak 35 posto, ali i tada samo u idealnim uvjetima.
U standardnom motoru s unutarnjim izgaranjem velik se dio snage gubi kao toplina i vibracije.
Nedostatak radilice u sustavu slobodnog klipa znači da nema stalnih promjena zamaha koje stvaraju vibracije i trenje koji kvare učinkovitost. Ove su prednosti očite već dva stoljeća, ali uz preciznost moderne tehnologije postoji još jedna: promjenjivi omjeri kompresije.
S radilicom veličine komore za izgaranje, duljina kretanja klipa je fiksna. U modernim, eksperimentalnim motorima s slobodnim klipom, veličina komore i duljina takta snage mogu se mijenjati u hodu, mijenjajući od revolucije do revolucije, s jedinicom za upravljanje motorom koja prilagođava veličinu komore za izgaranje idealnom zraku za gorivo smjesa.
Dodatno, ova bi varijabilnost trebala omogućiti motorima sa slobodnim klipom da rade na bilo čemu, od vodika do prirodnog plina. Zapravo, ne bih se iznenadio da jedan od ovih motora radi na single malt scotch.
- 1. Kontrolna soba u FKLG laboratoriju na DLR Institutu za koncepte vozila (Izvor: DLR)
- 2. Baterija prazna? – Linearni generator sa slobodnim klipom djeluje kao produživač dometa, opskrbljujući električnom energijom potrebnu za električna vozila (Izvor: DLR)
Sve ove kvalitete čine motor sa slobodnim klipom idealnim kao ugrađeni generator, ulogom u kojoj bi mogao revolucionirati dizajn pogonskog sklopa.
Ozbiljno, kada mogu dobiti jedan?
Do sada su u izradi dva prototipa motora bez klipa. Prvi, što ne iznenađuje, dolazi od njemačkih znanstvenika/tamnih magova iz Njemačkog svemirskog centra (DLR).
Njihov prototip, nazvan "Freikolbenlineargenerator", za koji nisam siguran je li dokaz imaju li Nijemci smisla za humor ili ne, još je u ranoj fazi razvoja. Ipak, unatoč tome, obećava da će pružiti onu vrstu performansi o kojoj drugi inženjeri pogonskih sklopova mogu samo sanjati.
Toyotin motor bio bi sposoban generirati 15 konjskih snaga iz paketa oko osam inča i dugačkog dva metra.
Freikolbenlineargenerator koristi cilindre koji su okrenuti jedan prema drugom. Ova orijentacija klipa omogućuje mu da bude još kompaktniji od tipičnih motora s slobodnim klipom. To ga čini savršenim za korištenje kao produžitelj dometa.
Uzmimo za primjer Chevy Volt. Ima baterije i može raditi isključivo na struju. Ali kada se baterije isprazne, ima 1,4-litreni plinski motor koji ih može napuniti i potjerati sam automobil iznad 65 mph. Ovo dobro funkcionira, ali nažalost čak su i plinski motori male zapremine glomazni, teški i skupi.
Freikolbenlineargenerator može obaviti isti posao, ali je dovoljno malen da se montira ispod poda automobila, što štedi prostor za druge stvari poput kelja, recimo.
Ali čudesni motor na radnom stolu teutonskog ludog znanstvenika daleko je od stvarne proizvodnje, zar ne?
Pa, Toyota je također uključena. Ovog je ljeta veliki japanski proizvođač automobila najavio vlastiti besplatni klipni motor ili 'linearni generator'. Toyotina verzija koristi jedan cilindar, a ne suprotni par, i sposoban je za 42 posto toplinske učinkovitosti pod stalnim radom Uvjeti. To je bolje nego što bilo koji proizvodni motor može postići - čak i trenutačno, pod optimalnim uvjetima.
Toyotin motor bio bi sposoban generirati 15 konjskih snaga iz paketa oko osam inča i dugačkog dva metra. Dva od njih vjerojatno bi bila više nego dovoljna za punjenje baterija u modernom vozilu s povećanim dometom uz veliku uštedu prostora i energije. Njemačka tehnologija je nevjerojatna, ali Toyotin motor bi se uskoro mogao naći u Priusu.
Zaključak
Čista električna energija – ili možda vodik – još uvijek je gotovo sigurno dugoročni budući izvor energije za automobile. Međutim, niti jedna od tih tehnologija nije sasvim spremna. Električni je blizu, ali je još uvijek preskup za većinu američkih potrošača, da ne spominjemo doslovno milijarde kineskih i indijskih potrošača koji teže posjedovanju automobila.
Motori sa slobodnim klipom mogu biti kritična tehnologija mosta koja može dramatično poboljšati učinkovitost unutarnjeg izgaranja. Također mogu imati duži životni vijek od tradicionalnih oblika s unutarnjim izgaranjem, zahvaljujući svojoj sposobnosti da spale gotovo sve što je zapaljivo... Gledam vas, nauljene krpe.
Ako se industrijski divovi poput Toyote odluče posvetiti tehnologiji, to bi se vrlo brzo moglo naći u serijskim automobilima. Nadajmo se.
Preporuke urednika
- Sljedeći Mercedes-AMG C63 mogao bi odustati od V8 za četverocilindričnu hibridnu snagu
