Când ne gândim la tehnologia auto a viitorului, de obicei ne gândim la combustibili alternativi, fie că sunt hidrogen sau energie electrică din baterii futuriste. Se pare că viitorul ar putea fi de fapt o nouă formă de combustie internă: motorul cu „piston liber”.
Această tehnologie remodelează radical motoarele, înlocuind arborele cotit care transferă în mod normal puterea de la pistoane cu o cameră de compresie și un rotor turbo. Motoarele cu piston liber ofera potentialul de eficienta radical imbunatatita. Motoarele cu piston fără prototip sunt deja cu 50 până la 60 la sută mai eficiente decât orice motor aflat în prezent în producție – și există potențialul pentru mult mai mult.
Cum functioneazã?
Un piston liber are cele mai multe componente ale oricărui motor cu ardere internă. Diferența cheie este modul în care captează puterea de ardere.
Într-un motor standard, combustibilul și aerul sunt injectate în camera de compresie și aprinse. Această ardere împinge în jos pistonul, care este conectat la arborele cotit. La mașini, energia arborelui cotit care se rotește este transmisă printr-o transmisie și către roțile motoare.
Într-un motor cu piston liber, arderea are loc în același mod, dar nu există arbore cotit. Pe față, acest lucru pare o nebunie, deoarece pistoanele sunt lăsate doar să zdrănnească în cilindrii lor. Dar acesta este de fapt o lovitură – da, am vrut acel joc de cuvinte – de geniu. Opunând orizontal doi cilindri și detonându-i simultan, pistoanele comprimă aerul dintre ei. Acest aer trece printr-un compresor care arată foarte mult ca un turbocompresor.
Deși din punct de vedere tehnic este posibil să antrenați o osie direct de la această turbină, în practică această turbină este folosită la maximum pentru a conduce un generator electric.
Ideea unui astfel de motor există încă din 1807, dar provocările de a face pistoanele să declanșeze și mutarea simultană au împiedicat proiectanții să profite din plin de motorul cu piston gratuit... până acum.
Avantajele
Deci, cu acele provocări, de ce măcar să te deranjezi? Ei bine, totul are de-a face cu eficiența. Într-un motor cu ardere internă standard, o mare parte din putere se pierde sub formă de căldură și vibrații. Motoarele moderne pe benzină pot transforma doar 18 până la 25 la sută din energia potențială a combustibilului pe care îl ard în energie utilizabilă. Cele mai eficiente motoare pe benzină pot atinge momentan până la 35 la sută, dar chiar și atunci numai în condiții ideale.
Într-un motor cu ardere internă standard, o mare parte din putere se pierde sub formă de căldură și vibrații.
Lipsa unui arbore cotit în sistemul cu piston liber înseamnă că nu există niciuna dintre schimbările constante ale impulsului care creează vibrația și frecarea care eficiență neplăcută. Aceste avantaje sunt evidente de două secole, dar cu precizia tehnologiei moderne există și alta: rapoarte de compresie variabile.
Cu un arbore cotit de dimensiunea camerei de ardere, lungimea mișcării pistonului este fixă. În motoarele moderne, experimentale cu piston liber, dimensiunea camerei și lungimea cursei de putere pot fi variate din mers, schimbându-se de la revoluție la revoluție, unitatea de management al motorului adaptând dimensiunea camerei de ardere la aerul de combustibil ideal amestec.
În plus, această variabilitate ar trebui să permită motoarelor cu piston liber să funcționeze cu orice, de la hidrogen la gaz natural. De fapt, nu aș fi surprins dacă unul dintre aceste motoare ar funcționa cu scotch single malt.
- 1. Sala de control de la Laboratorul FKLG de la Institutul DLR de Concepte de Vehicule (Sursa: DLR)
- 2. Bateria descărcată? – Generatorul liniar cu piston liber acționează ca un extintor de autonomie, furnizând energia electrică necesară vehiculelor electrice (Sursa: DLR)
Toate aceste calități fac ca motorul cu piston liber să fie ideal ca generator la bord, rolul în care poate revoluționa designul grupului de propulsie.
Serios, când pot lua unul?
Până acum, două motoare cu piston liber prototip sunt în lucru. Primul, deloc surprinzător, vine de la oamenii de știință germani/magienii întunecați de la Centrul Aerospațial German (DLR).
Prototipul lor, numit „generatorul liniar Freikolben”, care nu sunt sigur că este o dovadă că germanii au sau nu simțul umorului, este încă în stadiile incipiente de dezvoltare. Cu toate acestea, în ciuda acestui fapt, promite să ofere genul de performanță la care alți ingineri de trenuri propulsoare nu pot decât să viseze.
Motorul Toyota ar fi capabil să genereze 15 cai putere dintr-un pachet de opt inci în jur și două picioare lungime.
Generatorul Freikolbenlinear folosește cilindri care se confruntă unul cu celălalt. Această orientare a pistonului îi permite să fie și mai compact decât motoarele tipice cu piston liber. Acest lucru îl face perfect pentru utilizare ca extintor de gamă.
Luați, de exemplu, Chevy Volt. Are baterii și poate funcționa numai cu energie electrică. Dar când bateriile se descarcă, are un motor pe benzină de 1,4 litri care le poate reîncărca și propulsa mașina în sine peste 65 mph. Acest lucru funcționează bine, dar, din păcate, chiar și motoarele pe gaz cu cilindree mică sunt voluminoase, grele și scumpe.
Generatorul Freikolbenlinear poate îndeplini aceeași sarcină, fiind în același timp suficient de mic pentru a fi montat sub podeaua unei mașini, ceea ce economisește spațiu pentru alte lucruri precum kale, să spunem.
Dar un motor miracol pe bancul de lucru al unui om de știință nebun teuton este departe de producția reală, nu?
Ei bine, Toyota este și ea la bord. În această vară, marele producător auto japonez și-a anunțat propriul motor cu piston gratuit sau „generator liniar”. Versiunea Toyota folosește un singur cilindru mai degrabă decât o pereche opusă și este capabil de o eficiență termică de 42% în condiții de funcționare constantă conditii. Acest lucru este mai bun decât este capabil să realizeze orice motor de producție – chiar și pentru moment, în condiții optime.
Motorul Toyota ar fi capabil să genereze 15 cai putere dintr-un pachet de opt inci în jur și două picioare lungime. Două dintre acestea ar fi probabil mai mult decât suficiente pentru a reîncărca bateriile într-un vehicul modern cu autonomie extinsă, cu spațiu imens și economii de energie. Tehnologia germană este uimitoare, dar motorul Toyota ar putea fi în Prius în curând.
Concluzie
Electrica pură – sau eventual hidrogenul – este aproape sigur viitoarea sursă de energie pe termen lung pentru mașini. Cu toate acestea, niciuna dintre aceste tehnologii nu este destul de pregătită. Electricul se apropie, dar este încă mult prea scump pentru majoritatea consumatorilor americani, ca să nu mai vorbim de miliarde de consumatori chinezi și indieni care aspiră să dețină o mașină.
Motoarele cu piston liber pot fi o tehnologie de punte critică care poate îmbunătăți dramatic eficiența arderii interne. De asemenea, pot avea o durată de viață mai lungă decât formele tradiționale de ardere internă, datorită capacității lor de a arde aproape orice lucru inflamabil... Mă uit la tine, cârpe uleioase.
Dacă giganții din industrie precum Toyota decid să-și pună greutatea în spatele tehnologiei, aceasta ar putea fi în mașinile de serie foarte curând. Să sperăm.
Recomandările editorilor
- Următorul Mercedes-AMG C63 ar putea renunța la V8 pentru putere hibridă cu patru cilindri
