כשאנחנו חושבים על טכנולוגיית הרכב של העתיד, אנחנו בדרך כלל חושבים על דלקים חלופיים, בין אם מימן או כוח חשמלי מסוללות עתידניות. מסתבר שהעתיד עשוי להיות בעצם צורה חדשה של בעירה פנימית: מנוע ה'בוכנה החופשית'.
טכנולוגיה זו מעצבת מחדש את המנועים באופן קיצוני, ומחליפה את גל הארכובה שבדרך כלל מעביר כוח מהבוכנות בתא דחיסה ובאימפלר טורבו. מנועי בוכנה חופשיים מחזיקים בפוטנציאל של יעילות משופרת באופן קיצוני. מנועי בוכנה נטולי אב-טיפוס כבר יעילים ב-50 עד 60 אחוזים יותר מכל מנוע שנמצא כעת בייצור - ויש פוטנציאל להרבה יותר.
איך זה עובד?
לבוכנה חופשית יש את רוב הרכיבים כמו כל מנוע בעירה פנימית. ההבדל העיקרי הוא כיצד הוא לוכד את כוח הבעירה.
במנוע סטנדרטי מוזרקים דלק ואוויר לתא הדחיסה ומודלקים. בעירה זו דוחפת כלפי מטה את הבוכנה המחוברת לגל הארכובה. במכוניות, האנרגיה של גל הארכובה המסתובב עוברת דרך תיבת הילוכים והחוצה אל גלגלי ההינע.
במנוע בוכנה חופשי, בעירה מתרחשת באותו אופן, אבל אין גל ארכובה. על פניו, זה נראה מטורף, מכיוון שהבוכנות פשוט נותרות משקשקות בגלילים שלהן. אבל זה למעשה שבץ - כן, התכוונתי למשחק מילים הזה - של גאונות. על ידי ניגוד אופקי של שני צילינדרים ופיצוץ בו זמנית, הבוכנות דוחסות את האוויר ביניהם. האוויר הזה מועבר דרך מדחס שנראה מאוד כמו מגדש טורבו.
אמנם מבחינה טכנית ניתן להניע ציר ישירות מטורבינה זו, אך בפועל טורבינה זו מנוצלת בצורה הטובה ביותר בהנעת גנרטור חשמלי.
הרעיון למנוע כזה קיים מאז 1807, אבל האתגרים של לגרום לבוכנות לירות מעבר בו זמנית מנעו ממעצבים לנצל את מלוא היתרונות של מנוע הבוכנה החופשי... עד עכשיו.
היתרונות
אז, עם האתגרים האלה, למה בכלל לטרוח? ובכן, הכל קשור ליעילות. במנוע בעירה פנימית רגיל, חלק גדול מהכוח אובד כחום ורטט. מנועי בנזין מודרניים יכולים להמיר רק 18 עד 25 אחוז מהאנרגיה הפוטנציאלית של הדלק שהם שורפים לאנרגיה שמיש. מנועי הבנזין היעילים ביותר יכולים להגיע ל-35% לרגע, אבל גם אז רק בתנאים אידיאליים.
במנוע בעירה פנימית רגיל, חלק גדול מהכוח אובד כחום ורטט.
היעדר גל ארכובה במערכת הבוכנה החופשית אומר שאין אף אחד משינויי המומנטום הקבועים שיוצרים את הרטט והחיכוך הפוגעים ביעילות. יתרונות אלה ניכרים כבר מאתיים שנה, אבל עם הדיוק של הטכנולוגיה המודרנית יש עוד: יחסי דחיסה משתנים.
עם גל ארכובה בגודל תא הבעירה, אורך תנועת הבוכנה קבוע. במנועי בוכנה חופשיים מודרניים וניסיוניים, ניתן לשנות את גודל החדר ואורך מהלך הכוח תוך כדי תנועה, ולשנות ממהפכה למהפכה, כאשר יחידת ניהול המנוע מתאימה את גודל תא הבעירה לאוויר הדלק האידיאלי תַעֲרוֹבֶת.
בנוסף, השונות הזו אמורה לאפשר למנועי בוכנה חופשיים לפעול על כל דבר ממימן ועד גז טבעי. למעשה, לא אתפלא אם אחד המנועים הללו יפעל על סינגל מאלט סקוץ'.
- 1. חדר הבקרה במעבדת FKLG במכון DLR למושגי רכב (מקור: DLR)
- 2. סוללה שטוחה? - הגנרטור הליניארי בעל הבוכנה החופשית פועל כמרחיב טווח, ומספק את הכוח החשמלי הדרוש לכלי רכב חשמליים (מקור: DLR)
כל התכונות הללו הופכות את מנוע הבוכנה החופשי לאידיאלי כגנרטור מובנה, התפקיד שבו הוא עשוי לחולל מהפכה בתכנון מערכת ההנעה.
ברצינות, מתי אני יכול להשיג אחד?
עד כה, שני מנועי בוכנה חופשיים נמצאים בעבודות. הראשון, באופן לא מפתיע, מגיע ממדענים גרמנים/קוסמים אפלים במרכז האווירי והחלל הגרמני (DLR).
אב הטיפוס שלהם, שזכה לכינוי "הגנרטור פרייקולבנליין", שאינני בטוח שהוא הוכחה לכך שלגרמנים יש חוש הומור או אין, נמצא עדיין בשלבי התפתחות מוקדמים. עם זאת, למרות זאת, הוא מבטיח לספק ביצועים מהסוג של מהנדסי הנעה אחרים יכולים רק לחלום עליהם.
המנוע של טויוטה יוכל להפיק 15 כוחות סוס מאריזה של שמונה אינצ'ים ואורך שני רגל.
Generator Freikolbenlinear משתמש בגלילים הפונים זה לזה. כיוון הבוכנה הזה מאפשר לו להיות אפילו יותר קומפקטי ממנועי בוכנה חופשיים טיפוסיים. זה הופך אותו למושלם לשימוש כמרחיב טווח.
קחו למשל את השברולט וולט. יש לו סוללות והוא מסוגל לפעול אך ורק על חשמל. אבל כשהסוללות מתרוקנות, יש לה מנוע גז בנפח 1.4 ליטר שיכול להטעין אותן ולהניע את המכונית עצמה מעל 65 קמ"ש. זה עובד היטב, אבל למרבה הצער אפילו מנועי גז בנפח קטן הם מגושמים, כבדים ויקרים.
הגנרטור Freikolbenlinear יכול לבצע את אותה עבודה, תוך שהוא קטן מספיק כדי להתקין מתחת לרצפת המכונית, מה שחוסך מקום לדברים אחרים כמו קייל, נניח.
אבל מנוע נס על שולחן העבודה של מדען מטורף טבטוני הוא דרך ארוכה מייצור בפועל, נכון?
ובכן, גם טויוטה על הסיפון. הקיץ, יצרנית הרכב היפנית הענקית הכריזה על מנוע בוכנה חופשי משלה או 'גנרטור ליניארי'. גרסת טויוטה משתמשת צילינדר בודד ולא זוג מנוגד, והוא מסוגל ליעילות תרמית של 42 אחוז בהפעלה מתמדת תנאים. זה טוב יותר מכל מנוע ייצור מסוגל להשיג - אפילו לרגע, בתנאים אופטימליים.
המנוע של טויוטה יוכל להפיק 15 כוחות סוס מאריזה של שמונה אינצ'ים ואורך שני רגל. שניים כאלה יספיקו ככל הנראה כדי להטעין את הסוללות ברכב מודרני מורחב טווח עם חיסכון עצום במקום ובאנרגיה. הטכנולוגיה הגרמנית מדהימה, אבל המנוע של טויוטה יכול להיות בפריוס תוך זמן קצר.
סיכום
חשמלי טהור - או אולי מימן - הוא עדיין כמעט בוודאות מקור האנרגיה העתידי לטווח ארוך למכוניות. עם זאת, אף אחת מהטכנולוגיות הללו אינה מוכנה למדי. החשמל מתקרב, אבל עדיין יקר מדי עבור רוב הצרכנים האמריקאים, שלא לדבר על מיליארדי צרכנים סינים והודים ששואפים לבעלות על מכוניות.
מנועי בוכנה חופשיים עשויים להיות טכנולוגיית גשר קריטית שיכולה לשפר באופן דרמטי את יעילות הבעירה הפנימית. יש להם גם תוחלת חיים ארוכה יותר מצורות בעירה פנימית מסורתית, הודות ליכולת שלהם לשרוף כמעט כל דבר דליק... אני מסתכל עליך, סמרטוטים שמנים.
אם ענקיות התעשייה כמו טויוטה יחליטו להטיל את משקלן מאחורי הטכנולוגיה, היא עשויה להיות במכוניות ייצור בקרוב מאוד. בוא נקווה.
המלצות עורכים
- הבא מרצדס-AMG C63 עשויה לבטל את ה-V8 עבור כוח היברידי של ארבעה צילינדרים
