Når vi tenker på fremtidens bilteknologi, tenker vi vanligvis på alternative drivstoff, enten det er hydrogen eller elektrisk kraft fra futuristiske batterier. Det viser seg at fremtiden faktisk kan være en ny form for intern forbrenning: "fritt stempel"-motoren.
Denne teknologien omformer motorer radikalt, og erstatter veivakselen som normalt overfører kraft fra stemplene med et kompresjonskammer og et turbohjul. Frie stempelmotorer har potensialet til radikalt forbedret effektivitet. Prototypefrie stempelmotorer er allerede 50 til 60 prosent mer effektive enn noen motor i produksjon – og det er potensial for mye mer.
Hvordan virker det?
Et fritt stempel har de fleste av de samme komponentene som enhver forbrenningsmotor. Hovedforskjellen er hvordan den fanger opp forbrenningskraften.
I en standardmotor sprøytes drivstoff og luft inn i kompresjonskammeret og tennes. Denne forbrenningen presser ned på stempelet, som er koblet til veivakselen. I biler kjøres energien til den roterende veivakselen gjennom en transmisjon og ut til drivhjulene.
I en fristempelmotor skjer forbrenningen på samme måte, men det er ingen veivaksel. Umiddelbart virker dette sprøtt, siden stemplene bare blir stående og rasle rundt i sylindrene sine. Men dette er faktisk et slag – ja, jeg hadde tenkt det ordspillet – av geni. Ved å motsette to sylindre horisontalt og detonere dem samtidig, komprimerer stemplene luften mellom dem. Denne luften ledes gjennom en kompressor som ligner mye på en turbolader.
Selv om det er teknisk mulig å drive en aksel direkte fra denne turbinen, blir denne turbinen i praksis utnyttet best mulig ved å drive en elektrisk generator.
Ideen til en slik motor har eksistert siden 1807, men utfordringene med å få stemplene til å fyre av og flytte samtidig har forhindret designere fra å dra full nytte av den gratis stempelmotoren... før nå.
Fordelene
Så, med disse utfordringene, hvorfor i det hele tatt bry seg? Vel, alt har med effektivitet å gjøre. I en standard forbrenningsmotor går mye av kraften tapt som varme og vibrasjoner. Moderne bensinmotorer kan kun omdanne 18 til 25 prosent av den potensielle energien til drivstoffet de brenner til brukbar energi. De mest effektive bensinmotorene kan for øyeblikket oppnå så mye som 35 prosent, men selv da bare under ideelle forhold.
I en standard forbrenningsmotor går mye av kraften tapt som varme og vibrasjoner.
Mangelen på en veivaksel i det frie stempelsystemet betyr at det ikke er noen av de konstante momentumendringene som skaper vibrasjonen og friksjonen som forringer effektiviteten. Disse fordelene har vært tydelige i to århundrer, men med presisjonen til moderne teknologi er det en annen: variable kompresjonsforhold.
Med en veivaksel på størrelse med forbrenningskammeret, er lengden på stempelets bevegelse fast. I moderne, eksperimentelle fristempelmotorer kan størrelsen på kammeret og lengden på kraftslaget varieres i farten, og endres fra revolusjon til revolusjon, med motorstyringsenheten som skreddersyr størrelsen på forbrenningskammeret til den ideelle drivstoffluften blanding.
I tillegg bør denne variasjonen tillate frie stempelmotorer å kjøre på alt fra hydrogen til naturgass. Faktisk ville jeg ikke bli overrasket om en av disse motorene ville kjøre på single malt scotch.
- 1. Kontrollrommet ved FKLG-laboratoriet ved DLR Institute of Vehicle Concepts (Kilde: DLR)
- 2. Batteri flatt? – Den fristemplede lineære generatoren fungerer som en rekkeviddeforlenger, og leverer den elektriske kraften som trengs av elektriske kjøretøy (Kilde: DLR)
Alle disse egenskapene gjør den frie stempelmotoren ideell som en innebygd generator, rollen som den kan revolusjonere drivlinjedesignet i.
Seriøst, når kan jeg få en?
Så langt er to prototypefrie stempelmotorer i arbeid. Den første, ikke overraskende, kommer fra tyske forskere/mørke magikere ved German Aerospace Center (DLR).
Prototypen deres, kalt "Freikolbenlineargenerator", som jeg ikke er sikker på er bevis på at tyskere har sans for humor eller ikke, er fortsatt i de tidlige utviklingsstadiene. Til tross for dette, lover den å levere den typen ytelse andre drivlinjeingeniører bare kan drømme om.
Toyotas motor ville være i stand til å generere 15 hestekrefter fra en pakke åtte tommer rundt og to fot lang.
Freikolbenlineargeneratoren bruker sylindre som vender mot hverandre. Denne stempelorienteringen gjør at den er enda mer kompakt enn typiske fristempelmotorer. Dette gjør den perfekt for bruk som rekkeviddeforlenger.
Ta for eksempel Chevy Volt. Den har batterier og kan kun kjøres på strøm. Men når batteriene blir tomme, har den en 1,4-liters gassmotor som kan lade dem opp og drive selve bilen over 65 mph. Dette fungerer bra, men dessverre er selv små gassmotorer klumpete, tunge og dyre.
Freikolbenlineargeneratoren kan utføre den samme jobben, samtidig som den er liten nok til å monteres under gulvet i en bil, noe som sparer plass til andre ting som grønnkål, la oss si.
Men en mirakelmotor på arbeidsbenken til en teutonisk gal vitenskapsmann er et stykke unna faktisk produksjon, ikke sant?
Vel, Toyota er om bord også. I sommer annonserte den massive japanske bilprodusenten sin egen gratis stempelmotor eller 'lineær generator.' Toyota-versjonen bruker en enkelt sylinder i stedet for et motsatt par, og er i stand til 42 prosent termisk effektivitet under konstant drift forhold. Det er bedre enn noen produksjonsmotor er i stand til å oppnå – til og med et øyeblikk, under optimale forhold.
Toyotas motor ville være i stand til å generere 15 hestekrefter fra en pakke åtte tommer rundt og to fot lang. To av disse vil sannsynligvis være mer enn nok til å lade opp batteriene i et moderne kjøretøy med utvidet rekkevidde med store plass- og energibesparelser. Den tyske teknologien er fantastisk, men Toyotas motor kan være i Prius om ikke lenge.
Konklusjon
Ren elektrisk – eller muligens hydrogen – er fortsatt nesten helt sikkert den langsiktige fremtidige energikilden for biler. Imidlertid er ingen av disse teknologiene helt klare. Elektrisk kommer nærme, men er fortsatt altfor dyrt for de fleste amerikanske forbrukere, for ikke å si noe om bokstavelig talt milliarder av kinesiske og indiske forbrukere som ønsker å eie bil.
Frie stempelmotorer kan være en kritisk broteknologi som dramatisk kan forbedre effektiviteten til intern forbrenning. De kan også ha lengre levetid enn tradisjonelle former for intern forbrenning, takket være deres evne til å brenne nesten alt brennbart … jeg ser på deg, oljete filler.
Hvis industrigiganter som Toyota bestemmer seg for å kaste vekten bak teknologien, kan det være i produksjonsbiler veldig snart. La oss håpe.
Redaktørenes anbefalinger
- Neste Mercedes-AMG C63 kan droppe V8 for firesylindret hybridkraft
