Когда мы думаем об автомобильных технологиях будущего, мы обычно думаем об альтернативных видах топлива, будь то водород или электроэнергия из футуристических батарей. Оказывается, будущее может стать новой формой внутреннего сгорания: двигателем со свободным поршнем.
Эта технология радикально меняет конструкцию двигателей, заменяя коленчатый вал, который обычно передает мощность от поршней, на камеру сжатия и турбокрыльчатку. Свободнопоршневые двигатели обладают потенциалом радикального повышения эффективности. Прототипы свободнопоршневых двигателей уже на 50–60 процентов более эффективны, чем любой двигатель, выпускаемый в настоящее время – и существует потенциал для гораздо большего.
Как это работает?
Свободный поршень состоит из тех же компонентов, что и любой двигатель внутреннего сгорания. Ключевое отличие заключается в том, как он улавливает мощность сгорания.
В стандартном двигателе топливо и воздух впрыскиваются в камеру сжатия и воспламеняются. Это сгорание давит на поршень, который соединен с коленчатым валом. В автомобилях энергия вращающегося коленчатого вала передается через трансмиссию на ведущие колеса.
В свободнопоршневом двигателе сгорание происходит так же, но коленчатый вал отсутствует. На первый взгляд это кажется безумием, поскольку поршни просто гремят в цилиндрах. Но на самом деле это гениальный ход – да, я задумал этот каламбур. Горизонтально противодействуя двум цилиндрам и одновременно взрывая их, поршни сжимают воздух между ними. Этот воздух подается через компрессор, который очень похож на турбокомпрессор.
Хотя технически возможно приводить в движение ось непосредственно от этой турбины, на практике эта турбина наилучшим образом используется для приведения в действие электрического генератора.
Идея создания такого двигателя возникла еще в 1807 году, но проблемы с запуском поршней и одновременный ход не позволял конструкторам в полной мере воспользоваться преимуществами двигателя со свободным поршнем… до сих пор.
Преимущества
Итак, с такими проблемами, зачем вообще беспокоиться? Ну, это все связано с эффективностью. В стандартном двигателе внутреннего сгорания большая часть мощности теряется в виде тепла и вибрации. Современные бензиновые двигатели могут преобразовать только 18–25 процентов потенциальной энергии топлива, которое они сжигают, в полезную энергию. Самые эффективные бензиновые двигатели могут на мгновение достичь 35 процентов, но даже в этом случае только в идеальных условиях.
В стандартном двигателе внутреннего сгорания большая часть мощности теряется в виде тепла и вибрации.
Отсутствие коленчатого вала в системе свободного поршня означает отсутствие постоянных изменений импульса, которые создают вибрацию и трение, снижающие эффективность. Эти преимущества были очевидны на протяжении двух столетий, но с точностью современных технологий появилось и другое: переменная степень сжатия.
При коленчатом валу размером с камеру сгорания длина хода поршня фиксирована. В современных экспериментальных свободнопоршневых двигателях размер камеры и длину рабочего хода можно изменять на ходу, изменяя от оборота к обороту, а блок управления двигателем адаптирует размер камеры сгорания к идеальному топливному воздуху смесь.
Кроме того, эта изменчивость должна позволить двигателям со свободным поршнем работать на любом топливе — от водорода до природного газа. На самом деле, я не удивлюсь, если один из этих двигателей будет работать на односолодовом виски.
- 1. Диспетчерская лаборатории FKLG Института концепций транспортных средств DLR (Источник: DLR)
- 2. Батарея разряжена? – Линейный генератор со свободным поршнем действует как расширитель запаса хода, обеспечивая электроэнергию, необходимую для электромобилей (Источник: DLR)
Все эти качества делают двигатель со свободным поршнем идеальным в качестве бортового генератора, роль которого может произвести революцию в конструкции трансмиссии.
Серьезно, когда я смогу его получить?
На данный момент в разработке находятся два прототипа свободнопоршневых двигателей. Первое, что неудивительно, исходит от немецких ученых/темных магов из Немецкого аэрокосмического центра (DLR).
Их прототип, получивший название «Freikolbenlineargenerator», который, я не уверен, является доказательством того, есть у немцев чувство юмора или нет, все еще находится на ранних стадиях разработки. Тем не менее, несмотря на это, он обещает обеспечить такие характеристики, о которых другие инженеры трансмиссий могут только мечтать.
Двигатель Toyota будет способен генерировать 15 лошадиных сил при объёме восемь дюймов в диаметре и два фута в длину.
Линейный генератор Freikolben использует цилиндры, обращенные друг к другу. Такая ориентация поршня позволяет ему быть еще более компактным, чем обычные двигатели со свободным поршнем. Это делает его идеальным для использования в качестве расширителя диапазона.
Возьмем, к примеру, Шеви Вольт. Он оснащен аккумуляторами и способен работать исключительно на электричестве. Но когда батареи разряжаются, у него есть 1,4-литровый бензиновый двигатель, который может их подзарядить и разогнать автомобиль до скорости более 65 миль в час. Это хорошо работает, но, к сожалению, даже бензиновые двигатели небольшого объема громоздки, тяжелы и дороги.
Линейный генератор Freikolben может выполнить ту же работу, но при этом он достаточно мал, чтобы его можно было установить под полом автомобиля, что экономит место для других вещей, например, для капусты.
Но чудо-двигатель на верстаке безумного ученого-тевтонца — это далеко не реальное производство, не так ли?
Ну, Toyota тоже в деле. Этим летом крупный японский автопроизводитель анонсировал собственный двигатель со свободным поршнем или «линейный генератор». Версия Toyota использует один цилиндр, а не оппозитная пара, и обеспечивает тепловой КПД 42 процента при постоянной работе. условия. Это лучше, чем способен достичь любой серийный двигатель – даже на мгновение, при оптимальных условиях.
Двигатель Toyota будет способен генерировать 15 лошадиных сил при объёме восемь дюймов в диаметре и два фута в длину. Двух из них, вероятно, будет более чем достаточно для подзарядки аккумуляторов современного автомобиля с увеличенным запасом хода, обеспечивающего огромную экономию места и энергии. Немецкие технологии удивительны, но вскоре двигатель Toyota может появиться и в Prius.
Заключение
Чистое электричество – или, возможно, водород – по-прежнему почти наверняка будет источником энергии для автомобилей в долгосрочной перспективе. Однако ни одна из этих технологий еще не вполне готова. Электромобиль приближается к этому, но все еще слишком дорог для большинства американских потребителей, не говоря уже о буквально миллиардах китайских и индийских потребителей, которые стремятся владеть автомобилем.
Свободнопоршневые двигатели могут стать важной мостовой технологией, которая может значительно повысить эффективность внутреннего сгорания. Они также могут иметь более длительный срок службы, чем традиционные формы внутреннего сгорания, благодаря их способности сжигать практически все легковоспламеняющиеся вещества… Я смотрю на вас, промасленные тряпки.
Если такие отраслевые гиганты, как Toyota, решат поддержать эту технологию, она может очень скоро появиться в серийных автомобилях. Будем надеяться.
Рекомендации редакции
- Следующий Mercedes-AMG C63 может отказаться от V8 в пользу четырехцилиндрового гибридного двигателя
