将来の自動車技術について考えるとき、私たちは通常、水素や未来のバッテリーからの電力など、代替燃料を思い浮かべます。 結局のところ、未来は実際には新しい形式の内燃機関、つまり「フリーピストン」エンジンになる可能性があります。
この技術はエンジンを根本的に再構築し、通常ピストンから動力を伝達するクランクシャフトを圧縮室とターボインペラに置き換えます。 フリーピストンエンジンは効率を根本的に改善する可能性を秘めています。 プロトタイプのフリー ピストン エンジンは、現在生産されているエンジンよりもすでに 50 ～ 60% 効率が高く、さらに効率が向上する可能性があります。
どのように機能するのでしょうか?
フリー ピストンには、内燃エンジンとほとんど同じコンポーネントが含まれています。 主な違いは、燃焼の力をどのように捉えるかです。
標準的なエンジンでは、燃料と空気が圧縮室に噴射されて点火されます。 この燃焼により、クランクシャフトに接続されているピストンが押し下げられます。 車では、回転するクランクシャフトのエネルギーがトランスミッションを介して駆動輪に伝えられます。
フリーピストンエンジンでも燃焼は同じように起こりますが、クランクシャフトはありません。 ピストンがシリンダー内でガタガタ音をたてているだけなので、一見するとこれはおかしなことのように思えます。 しかし、これは実際には天才の一撃です - そう、私はその駄洒落を意図したのです - 。 2 つのシリンダーを水平に対向させ、同時に爆発させることで、ピストンがシリンダー間の空気を圧縮します。 この空気は、ターボチャージャーによく似たコンプレッサーを通って送られます。
このタービンから直接車軸を駆動することは技術的には可能ですが、実際には、このタービンは発電機の駆動に最大限に活用されます。
このようなエンジンのアイデアは 1807 年から存在していましたが、ピストンに点火し、 同時に動くため、設計者はフリー ピストン エンジンを最大限に活用することができませんでした…今まで。
利点
では、こうした課題があるにもかかわらず、なぜわざわざ悩む必要があるのでしょうか? まあ、それはすべて効率に関係しています。 標準的な内燃エンジンでは、大量のパワーが熱と振動として失われます。 最新のガソリン エンジンは、燃焼する燃料の位置エネルギーの 18 ～ 25 パーセントしか使用可能なエネルギーに変換できません。 最も効率的なガソリン エンジンは瞬間的に 35% ものパフォーマンスを達成できますが、それも理想的な条件下でのみです。
標準的な内燃エンジンでは、大量のパワーが熱と振動として失われます。
フリーピストンシステムにはクランクシャフトがないため、効率を損なう振動や摩擦を引き起こす一定の運動量の変化が存在しません。 これらの利点は 2 世紀にわたって明らかにされてきましたが、最新のテクノロジーの精度により、別の利点が得られます。それは、可変圧縮率です。
燃焼室と同じ大きさのクランクシャフトでは、ピストンの移動の長さは固定されます。 最新の実験的なフリー ピストン エンジンでは、チャンバーのサイズとパワー ストロークの長さをその場で変更することができ、 理想的な燃料空気に合わせて燃焼室のサイズを調整するエンジン管理ユニットにより、回転から回転まで 混合。
さらに、この可変性により、フリーピストンエンジンは水素から天然ガスまであらゆる燃料で動作できるはずです。 実際、これらのエンジンの 1 つがシングルモルト スコッチで動作するとしても、私は驚かないでしょう。
- 1. DLR 車両概念研究所の FKLG 研究室のコントロール ルーム (出典: DLR)
- 2. バッテリー切れ？ – フリーピストンリニア発電機はレンジエクステンダーとして機能し、電気自動車に必要な電力を供給します (出典: DLR)
これらすべての特性により、フリー ピストン エンジンは車載発電機として理想的なものとなり、パワートレイン設計に革命をもたらす可能性があります。
真剣に、いつ入手できますか?
これまでのところ、2 つのプロトタイプ フリー ピストン エンジンが開発中です。 1 つ目は、当然のことながら、ドイツ航空宇宙センター (DLR) のドイツの科学者/闇の魔術師によるものです。
「フライコルベンリニアジェネレーター」と呼ばれるそのプロトタイプは、ドイツ人にユーモアのセンスがあるかどうかはわかりませんが、まだ開発の初期段階にあります。 それにもかかわらず、他のパワートレインエンジニアが夢見ることしかできないようなパフォーマンスを提供することが約束されています。
トヨタのエンジンは、周囲8インチ、長さ2フィートのパッケージから15馬力を発生させることができる。
フライコルベンリニア発電機は、互いに向かい合ったシリンダーを使用します。 このピストンの向きにより、一般的なフリーピストン エンジンよりもさらにコンパクトになります。 そのため、レンジエクステンダーとしての使用に最適です。
シボレーボルトを例に考えてみましょう。 電池を内蔵しており、電気だけで動作します。 しかし、バッテリーが切れた場合でも、1.4リッターのガソリンエンジンを搭載しており、バッテリーを充電して車自体を時速100マイル以上で走行させることができる。 これはうまく機能しますが、残念なことに、小排気量のガソリンエンジンでもかさばり、重く、高価です。
フライコルベンリニア発電機は、車の床下に設置できるほど小型でありながら、同じ仕事を達成できます。これにより、ケールなど他のもののためのスペースを節約できます。
でも、ドイツ騎士団のマッドサイエンティストの作業台にある奇跡のエンジンは、実際の生産には程遠いですよね？
そうですね、トヨタも参加しています。 この夏、日本の大手自動車メーカーは独自のフリーピストンエンジン、つまり「リニア発電機」を発表した。トヨタ版は、 対向ペアではなく単一シリンダーであり、一定の動作下で 42% の熱効率が可能です。 条件。 これは、たとえ最適な条件下であっても、どの量産エンジンが達成できるよりも優れています。
トヨタのエンジンは、周囲8インチ、長さ2フィートのパッケージから15馬力を発生させることができる。 このうち 2 つあれば、スペースとエネルギーを大幅に節約できる現代の航続距離延長型車両のバッテリーを充電するには十分すぎるでしょう。 ドイツの技術はすごいですが、トヨタのエンジンも近いうちにプリウスに搭載されるかもしれません。
結論
純粋な電気、あるいはおそらくは水素が、依然として自動車の長期的な将来のエネルギー源であることはほぼ確実です。 ただし、これらのテクノロジーはいずれも完全に準備が整っているわけではありません。 電気自動車はそれに近いものですが、自動車の所有を熱望する文字通り何十億もの中国とインドの消費者は言うまでもなく、ほとんどのアメリカの消費者にとってはまだ高すぎます。
フリーピストンエンジンは、内燃効率を劇的に改善できる重要なブリッジ技術となる可能性があります。 また、可燃性のほぼすべてのものを燃やす能力のおかげで、従来の内燃機関よりも寿命が長い可能性があります…私はあなたを見ています、油まみれのぼろきれ。
トヨタのような業界大手がこの技術に力を注ぐことに決めれば、すぐにその技術が量産車に搭載される可能性がある。 そう【であることを】祈りましょう。
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