Kiedy myślimy o technologii motoryzacyjnej przyszłości, zwykle myślimy o paliwach alternatywnych, niezależnie od tego, czy jest to wodór, czy energia elektryczna z futurystycznych akumulatorów. Okazuje się, że przyszłością może być nowa forma spalania wewnętrznego: silnik z „wolnym tłokiem”.
Technologia ta radykalnie zmienia kształt silników, zastępując wał korbowy, który normalnie przenosi moc z tłoków, komorą sprężania i wirnikiem turbo. Silniki z wolnym tłokiem oferują potencjał radykalnie zwiększonej wydajności. Nieprototypowe silniki tłokowe są już od 50 do 60 procent bardziej wydajne niż jakikolwiek inny silnik będący obecnie w produkcji – a potencjał jest znacznie większy.
Jak to działa?
Wolny tłok ma większość tych samych elementów, co każdy silnik spalinowy. Kluczową różnicą jest sposób, w jaki oddaje moc spalania.
W standardowym silniku paliwo i powietrze są wtryskiwane do komory sprężania i zapalane. Spalanie to powoduje nacisk na tłok, który jest połączony z wałem korbowym. W samochodach energia obracającego się wału korbowego przepływa przez przekładnię do kół napędowych.
W silniku z wolnym tłokiem spalanie odbywa się w ten sam sposób, ale nie ma wału korbowego. Na pierwszy rzut oka wydaje się to szalone, ponieważ tłoki po prostu grzechotają w cylindrach. Ale w rzeczywistości jest to przebłysk – tak, miałem na myśli tę grę słów – geniuszu. Ustawiając poziomo dwa cylindry i detonując je jednocześnie, tłoki sprężają powietrze pomiędzy nimi. Powietrze to przepływa przez sprężarkę, która wygląda bardzo podobnie do turbosprężarki.
Chociaż technicznie możliwe jest napędzanie osi bezpośrednio z tej turbiny, w praktyce turbina ta jest najlepiej wykorzystywana, napędzając generator elektryczny.
Pomysł na taki silnik istnieje od 1807 roku, ale wyzwania związane z uruchomieniem tłoków i jednocześnie uniemożliwiały projektantom pełne wykorzystanie silnika tłokowego… aż do teraz.
Zalety
Skoro więc są takie wyzwania, po co w ogóle zawracać sobie tym głowę? Cóż, wszystko zależy od wydajności. W standardowym silniku spalinowym duża część mocy jest tracona w postaci ciepła i wibracji. Nowoczesne silniki benzynowe mogą przekształcić zaledwie 18–25 procent energii potencjalnej spalanego paliwa w energię użyteczną. Najbardziej wydajne silniki benzynowe potrafią chwilowo osiągnąć nawet 35 proc., ale i wtedy tylko w idealnych warunkach.
W standardowym silniku spalinowym duża część mocy jest tracona w postaci ciepła i wibracji.
Brak wału korbowego w układzie wolnego tłoka oznacza, że nie występują ciągłe zmiany pędu, które powodują wibracje i tarcie pogarszające wydajność. Te zalety były widoczne od dwóch stuleci, ale za precyzją współczesnej technologii kryje się jeszcze jedna: zmienne stopnie sprężania.
Przy wale korbowym wielkości komory spalania długość ruchu tłoka jest stała. W nowoczesnych, eksperymentalnych silnikach z wolnym tłokiem wielkość komory i długość skoku mocy można zmieniać w locie, zmieniając od rewolucji do rewolucji, a jednostka sterująca silnikiem dostosowuje wielkość komory spalania do idealnego powietrza paliwowego mieszanina.
Dodatkowo ta zmienność powinna umożliwić silnikom tłokowym swobodnym pracę na dowolnym paliwie, od wodoru po gaz ziemny. Tak naprawdę nie zdziwiłbym się, gdyby jeden z tych silników działał na szkockiej single malt.
- 1. Pomieszczenie kontrolne w Laboratorium FKLG w Instytucie Koncepcji Pojazdów DLR (źródło: DLR)
- 2. Bateria wyczerpana? – Generator liniowy z wolnym tłokiem działa jak przedłużacz zasięgu, dostarczając energię elektryczną potrzebną pojazdom elektrycznym (źródło: DLR)
Wszystkie te cechy sprawiają, że silnik tłokowy swobodny jest idealnym generatorem pokładowym i może zrewolucjonizować konstrukcję układu napędowego.
Poważnie, kiedy mogę taki dostać?
Jak dotąd trwają prace nad dwoma prototypami silników beztłokowych. Pierwsza, co nie jest zaskakujące, pochodzi od niemieckich naukowców/mrocznych magów z Niemieckiego Centrum Lotnictwa i Kosmonautyki (DLR).
Ich prototyp, nazwany „Freikolbenlineargenerator”, co, nie jestem pewien, jest dowodem na to, że Niemcy mają poczucie humoru, czy nie, jest wciąż na wczesnym etapie rozwoju. Mimo to zapewnia osiągi, o jakich inni inżynierowie zajmujący się układami napędowymi mogą tylko marzyć.
Silnik Toyoty byłby w stanie wygenerować 15 koni mechanicznych z opakowania o średnicy ośmiu cali i długości dwóch stóp.
W generatorze liniowym Freikolbenlinear zastosowano cylindry ustawione naprzeciwko siebie. Taka orientacja tłoka sprawia, że jest on jeszcze bardziej kompaktowy niż typowe silniki z wolnym tłokiem. Dzięki temu idealnie nadaje się do stosowania jako przedłużacz zasięgu.
Weźmy na przykład Chevroleta Volta. Posiada baterie i może działać wyłącznie na zasilaniu elektrycznym. Kiedy jednak akumulatory się rozładują, dostępny jest silnik benzynowy o pojemności 1,4 litra, który może je naładować i rozpędzić samochód do prędkości powyżej 100 km/h. Działa to dobrze, ale niestety nawet silniki gazowe o małej pojemności skokowej są nieporęczne, ciężkie i drogie.
Generator Freikolbenlinear może wykonać to samo zadanie, a jednocześnie jest na tyle mały, że można go zamontować pod podłogą samochodu, co pozwala zaoszczędzić miejsce na inne rzeczy, np. jarmuż.
Ale cudowna maszyna na stole warsztatowym krzyżackiego szalonego naukowca to daleka droga od faktycznej produkcji, prawda?
Cóż, Toyota też jest na pokładzie. Tego lata ogromny japoński producent samochodów ogłosił wprowadzenie własnego darmowego silnika tłokowego, czyli „generatora liniowego”. Wersja Toyoty wykorzystuje pojedynczy cylinder zamiast przeciwległej pary i może osiągnąć 42% sprawności cieplnej przy ciągłej pracy warunki. To więcej niż jakikolwiek silnik produkcyjny jest w stanie osiągnąć – nawet chwilowo, w optymalnych warunkach.
Silnik Toyoty byłby w stanie wygenerować 15 koni mechanicznych z opakowania o średnicy ośmiu cali i długości dwóch stóp. Dwa z nich prawdopodobnie wystarczą, aby naładować akumulatory w nowoczesnym pojeździe o większym zasięgu, charakteryzującym się ogromną oszczędnością przestrzeni i energii. Niemiecka technologia jest niesamowita, ale silnik Toyoty może wkrótce pojawić się w Priusie.
Wniosek
Czysty prąd elektryczny – lub ewentualnie wodór – nadal prawie na pewno jest długoterminowym przyszłym źródłem energii dla samochodów. Żadna z tych technologii nie jest jednak w pełni gotowa. Elektryczny jest już blisko, ale nadal jest zdecydowanie za drogi dla większości amerykańskich konsumentów, nie mówiąc już o dosłownie miliardach chińskich i indyjskich konsumentów, którzy pragną posiadać samochód.
Silniki tłokowe swobodne mogą stanowić kluczową technologię pomostową, która może radykalnie poprawić wydajność spalania wewnętrznego. Mogą również mieć dłuższą żywotność niż tradycyjne formy spalania wewnętrznego, dzięki ich zdolności do spalania prawie wszystkiego, co jest łatwopalne… Patrzę na was, tłuste szmaty.
Jeśli giganci branżowi, tacy jak Toyota, zdecydują się położyć nacisk na tę technologię, może ona wkrótce pojawić się w samochodach produkcyjnych. Miejmy nadzieję.
Zalecenia redaktorów
- Następny Mercedes-AMG C63 mógłby porzucić silnik V8 na rzecz czterocylindrowego napędu hybrydowego
