När vi tänker på framtidens bilteknik tänker vi vanligtvis på alternativa bränslen, oavsett om det är väte eller elektrisk kraft från futuristiska batterier. Det visar sig att framtiden faktiskt kan vara en ny form av förbränning: den "fria kolvmotorn".
Denna teknik omformar motorerna radikalt och ersätter vevaxeln som normalt överför kraft från kolvarna med en kompressionskammare och ett turbohjul. Gratis kolvmotorer rymmer potentialen med radikalt förbättrad effektivitet. Prototypfria kolvmotorer är redan 50 till 60 procent effektivare än någon motor som för närvarande tillverkas – och det finns potential för mycket mer.
Hur fungerar det?
En fri kolv har de flesta av samma komponenter som alla förbränningsmotorer. Den viktigaste skillnaden är hur den fångar förbränningens kraft.
I en standardmotor sprutas bränsle och luft in i kompressionskammaren och antänds. Denna förbränning trycker ner kolven, som är ansluten till vevaxeln. I bilar körs energin från den roterande vevaxeln genom en transmission och ut till drivhjulen.
I en frikolvmotor sker förbränningen på samma sätt, men det finns ingen vevaxel. På första sidan verkar detta galet, eftersom kolvarna bara är kvar och skramlar runt i sina cylindrar. Men det här är faktiskt ett slag – ja, jag tänkte den ordleken – av geni. Genom att horisontellt motsätta två cylindrar och detonera dem samtidigt, komprimerar kolvarna luften mellan dem. Denna luft leds genom en kompressor som ser mycket ut som en turboladdare.
Även om det är tekniskt möjligt att driva en axel direkt från denna turbin, utnyttjas denna turbin i praktiken på bästa sätt genom att driva en elektrisk generator.
Idén till en sådan motor har funnits sedan 1807, men utmaningarna med att få kolvarna att tända och flytta samtidigt har hindrat designers från att dra full nytta av den fria kolvmotorn... tills nu.
Fördelarna
Så, med dessa utmaningar, varför ens bry sig? Tja, allt har med effektivitet att göra. I en vanlig förbränningsmotor går en stor del av kraften förlorad som värme och vibrationer. Moderna bensinmotorer kan bara omvandla 18 till 25 procent av den potentiella energin i bränslet de förbränner till användbar energi. De mest effektiva bensinmotorerna kan tillfälligt uppnå så mycket som 35 procent, men även då bara under idealiska förhållanden.
I en vanlig förbränningsmotor går en stor del av kraften förlorad som värme och vibrationer.
Avsaknaden av en vevaxel i det fria kolvsystemet betyder att det inte finns några av de konstanta momentumförändringarna som skapar vibrationerna och friktionen som försämrar effektiviteten. Dessa fördelar har varit uppenbara i två århundraden, men med precisionen hos modern teknik finns det en annan: variabla kompressionsförhållanden.
Med en vevaxel storleken på förbränningskammaren är längden på kolvens rörelse fixerad. I moderna, experimentella frikolvmotorer kan storleken på kammaren och längden på kraftslaget varieras i farten, från varv till varv, med motorstyrningsenheten som skräddarsyr storleken på förbränningskammaren till den idealiska bränsleluften blandning.
Dessutom bör denna variation tillåta fria kolvmotorer att köra på allt från vätgas till naturgas. Jag skulle faktiskt inte bli förvånad om en av dessa motorer skulle köras på single malt scotch.
- 1. Kontrollrummet vid FKLG-laboratoriet vid DLR Institute of Vehicle Concepts (Källa: DLR)
- 2. Batteriet är tomt? – Den linjära generatorn med fri kolv fungerar som en räckviddsförlängare och levererar den elektriska kraften som behövs för elfordon (Källa: DLR)
Alla dessa egenskaper gör den fria kolvmotorn idealisk som en inbyggd generator, den roll i vilken den kan revolutionera drivlinans design.
Seriöst, när kan jag få en?
Hittills är två prototypfria kolvmotorer på gång. Den första, föga överraskande, kommer från tyska forskare/mörka magiker vid German Aerospace Center (DLR).
Deras prototyp, kallad "Freikolbenlineargenerator", som jag inte är säker på är ett bevis på att tyskar har ett sinne för humor eller inte, är fortfarande i de tidiga utvecklingsstadierna. Men trots detta lovar den att leverera den typ av prestanda som andra drivlina ingenjörer bara kan drömma om.
Toyotas motor skulle kunna generera 15 hästkrafter från ett paket åtta tum runt och två fot långt.
Freikolbenlineargeneratorn använder cylindrar som är vända mot varandra. Denna kolvorientering gör att den är ännu mer kompakt än vanliga frikolvmotorer. Detta gör den perfekt att använda som räckviddsförlängare.
Ta till exempel Chevy Volt. Den har batterier och kan köras enbart på el. Men när batterierna blir urladdade har den en 1,4-liters gasmotor som kan ladda dem och driva själva bilen över 65 mph. Detta fungerar bra, men tyvärr är även gasmotorer med små slagvolymer skrymmande, tunga och dyra.
Freikolbenlineargeneratorn kan utföra samma jobb, samtidigt som den är tillräckligt liten för att monteras under golvet i en bil, vilket sparar utrymme för andra saker som grönkål, låt oss säga.
Men en mirakelmotor på arbetsbänken av en germansk vetenskapsman är långt ifrån verklig produktion, eller hur?
Tja, Toyota är ombord också. I somras tillkännagav den massiva japanska biltillverkaren sin egen gratis kolvmotor eller "linjärgenerator." Toyota-versionen använder en enda cylinder snarare än ett motsatt par och kan uppnå 42 procent termisk verkningsgrad under konstant drift betingelser. Det är bättre än vad någon produktionsmotor kan åstadkomma – även tillfälligt, under optimala förhållanden.
Toyotas motor skulle kunna generera 15 hästkrafter från ett paket åtta tum runt och två fot långt. Två av dessa skulle sannolikt vara mer än tillräckligt för att ladda batterierna i ett modernt fordon med utökad räckvidd med enorma utrymmes- och energibesparingar. Den tyska tekniken är fantastisk, men Toyotas motor kan vara i Prius snart.
Slutsats
Ren elektrisk – eller möjligen väte – är fortfarande nästan säkert den långsiktiga framtida energikällan för bilar. Ingen av dessa tekniker är dock helt klara. Elektrisk kommer nära, men är fortfarande alldeles för dyr för de flesta amerikanska konsumenter, för att inte säga något om bokstavligen miljarder kinesiska och indiska konsumenter som strävar efter bilägande.
Fria kolvmotorer kan vara en kritisk bryggteknik som dramatiskt kan förbättra effektiviteten av förbränning. De kan också ha en längre livslängd än traditionella former av inre förbränning, tack vare deras förmåga att bränna nästan allt brandfarligt... Jag tittar på dig, oljiga trasor.
Om branschjättar som Toyota bestämmer sig för att lägga sin vikt bakom tekniken, kan det vara i produktionsbilar mycket snart. Låt oss hoppas.
Redaktörens rekommendationer
- Nästa Mercedes-AMG C63 kan lämna V8:an för fyrcylindrig hybridkraft
