Prečo by motory „Free Piston“ mohli poháňať váš ďalší plug-in hybrid

Keď premýšľame o automobilovej technológii budúcnosti, zvyčajne máme na mysli alternatívne palivá, či už ide o vodík alebo elektrickú energiu z futuristických batérií. Ukazuje sa, že budúcnosťou môže byť v skutočnosti nová forma vnútorného spaľovania: motor s „voľným piestom“.

Táto technológia radikálne pretvára motory a nahrádza kľukový hriadeľ, ktorý bežne prenáša výkon z piestov, kompresnou komorou a obežným kolesom turba. Motory s voľnými piestami majú potenciál radikálne zlepšiť účinnosť. Prototypové bezpiestové motory sú už teraz o 50 až 60 percent efektívnejšie ako ktorýkoľvek motor, ktorý sa v súčasnosti vyrába – a existuje potenciál pre oveľa viac.

Ako to funguje?

Voľný piest má väčšinu rovnakých komponentov ako akýkoľvek spaľovací motor. Kľúčový rozdiel je v tom, ako zachytáva silu spaľovania.

V štandardnom motore sa palivo a vzduch vstrekujú do kompresnej komory a zapália sa. Toto spaľovanie tlačí dole na piest, ktorý je spojený s kľukovým hriadeľom. V automobiloch sa energia otáčajúceho sa kľukového hriadeľa prenáša cez prevodovku a prechádza na hnacie kolesá.

V motore s voľným piestom sa spaľovanie deje rovnakým spôsobom, ale nie je tam žiadny kľukový hriadeľ. Na prvý pohľad sa to zdá bláznivé, pretože piesty zostali vo valcoch len rachotiť. Ale toto je v skutočnosti úder – áno, mal som na mysli tú slovnú hračku – génia. Tým, že piesty stoja vodorovne oproti dvom valcom a súčasne ich detonujú, stláčajú vzduch medzi nimi. Tento vzduch je vedený cez kompresor, ktorý vyzerá ako turbodúchadlo.

Zatiaľ čo je technicky možné poháňať nápravu priamo z tejto turbíny, v praxi sa táto turbína najlepšie využíva na pohon elektrického generátora.

Myšlienka na takýto motor existuje už od roku 1807, ale problémy s rozbehnutím piestov a pohyb súčasne zabránili konštruktérom plne využiť výhody motora s voľnými piestami... až doteraz.

Výhody

Takže s týmito výzvami, prečo sa obťažovať? No to všetko súvisí s efektívnosťou. V štandardnom spaľovacom motore sa veľká časť energie stráca vo forme tepla a vibrácií. Moderné benzínové motory dokážu premeniť na využiteľnú energiu len 18 až 25 percent potenciálnej energie paliva, ktoré spália. Najefektívnejšie benzínové motory dokážu na chvíľu dosiahnuť až 35 percent, ale aj to len za ideálnych podmienok.

Neprítomnosť kľukového hriadeľa v systéme voľného piestu znamená, že nedochádza k žiadnym konštantným zmenám hybnosti, ktoré vytvárajú vibrácie a trenie, ktoré narúšajú účinnosť. Tieto výhody sú zjavné už dve storočia, no s presnosťou moderných technológií je tu aj iná: variabilné kompresné pomery.

Pri kľukovom hriadeli veľkosti spaľovacej komory je dĺžka pohybu piesta pevná. V moderných experimentálnych motoroch s voľnými piestami sa môže veľkosť komory a dĺžka zdvihu meniť za chodu. od otáčky k otáčke, pričom riadiaca jednotka motora prispôsobuje veľkosť spaľovacej komory ideálnemu palivovému vzduchu zmes.

Okrem toho by táto variabilita mala umožniť voľným piestovým motorom bežať na čokoľvek od vodíka po zemný plyn. V skutočnosti by som nebol prekvapený, keby jeden z týchto motorov bežal na jednosladovú škótsku.

Vďaka všetkým týmto vlastnostiam je motor s voľnými piestami ideálny ako palubný generátor, v úlohe, v ktorej môže spôsobiť revolúciu v dizajne hnacieho ústrojenstva.

Vážne, kedy ho môžem dostať?

Zatiaľ sa pracuje na dvoch prototypoch voľných piestových motorov. Prvý, neprekvapivo, pochádza od nemeckých vedcov/temných mágov z German Aerospace Center (DLR).

Ich prototyp nazvaný „Freikolbenlineargenerator“, o ktorom si nie som istý, či je dôkazom toho, že Nemci majú alebo nemajú zmysel pre humor, je stále v ranom štádiu vývoja. Napriek tomu sľubuje, že poskytne taký výkon, o akom môžu iní inžinieri pohonných jednotiek iba snívať.

Freikolbenlineargenerator používa valce, ktoré sú oproti sebe. Táto orientácia piesta umožňuje, aby bol ešte kompaktnejší ako typické motory s voľnými piestami. Vďaka tomu je ideálny na použitie ako predlžovač dosahu.

Vezmite si napríklad Chevy Volt. Má batérie a je schopný bežať iba na elektrinu. Ale keď sa vybijú batérie, má 1,4-litrový plynový motor, ktorý ich dokáže dobiť a poháňať samotné auto nad 65 mph. Funguje to dobre, ale bohužiaľ aj plynové motory s malým objemom sú objemné, ťažké a drahé.

Freikolbenlineargenerator môže vykonávať rovnakú prácu, pričom je dostatočne malý na to, aby sa dal namontovať pod podlahu auta, čo šetrí priestor pre iné veci, ako je napríklad kapusta.

Ale zázračný motor na pracovnom stole germánskeho šialeného vedca má ďaleko od skutočnej výroby, však?

Na palube je aj Toyota. Toto leto masívna japonská automobilka oznámila svoj vlastný piestový motor alebo „lineárny generátor“. Verzia Toyota používa jeden valec namiesto protiľahlého páru a je schopný dosiahnuť 42-percentnú tepelnú účinnosť pri konštantnej prevádzke podmienky. To je lepšie, ako dokáže dosiahnuť ktorýkoľvek sériový motor – dokonca aj na chvíľu, za optimálnych podmienok.

Motor Toyota by bol schopný generovať 15 konských síl z balíka osem palcov a dĺžky dvoch stôp. Dva z nich by pravdepodobne boli viac než dostatočné na dobitie batérií v modernom vozidle s predĺženým dojazdom s obrovskou úsporou miesta a energie. Nemecká technológia je úžasná, ale motor Toyoty by mohol byť čoskoro v Priuse.

Záver

Čistá elektrina – alebo možno vodík – je stále takmer určite dlhodobým budúcim zdrojom energie pre autá. Ani jedna z týchto technológií však nie je celkom pripravená. Elektrina sa blíži, ale je stále príliš drahá pre väčšinu amerických spotrebiteľov, nehovoriac o doslova miliardách čínskych a indických spotrebiteľov, ktorí túžia po vlastníctve auta.

Motory s voľnými piestami môžu byť kritickou mostíkovou technológiou, ktorá môže výrazne zlepšiť účinnosť vnútorného spaľovania. Môžu mať tiež dlhšiu životnosť ako tradičné formy vnútorného spaľovania, vďaka ich schopnosti spáliť takmer čokoľvek horľavé... Pozerám sa na vás, mastné handry.

Ak sa takí priemyselní giganti, ako je Toyota, rozhodnú využiť túto technológiu, mohla by sa čoskoro dostať do sériových áut. Dúfajme.

Odporúčania redaktorov

• Ďalší Mercedes-AMG C63 by sa mohol vzdať V8 pre štvorvalcový hybridný pohon