เหตุใดเครื่องยนต์ 'ฟรีลูกสูบ' จึงสามารถขับเคลื่อนปลั๊กอินไฮบริดตัวถัดไปของคุณได้

เมื่อเราคิดถึงเทคโนโลยียานยนต์แห่งอนาคต เรามักจะนึกถึงเชื้อเพลิงทางเลือก ไม่ว่าจะเป็นไฮโดรเจนหรือพลังงานไฟฟ้าจากแบตเตอรี่แห่งอนาคต ปรากฎว่าอนาคตอาจเป็นรูปแบบใหม่ของการเผาไหม้ภายใน: เครื่องยนต์ 'ลูกสูบอิสระ'

เทคโนโลยีนี้ปรับโฉมเครื่องยนต์อย่างรุนแรง โดยแทนที่เพลาข้อเหวี่ยงที่ปกติจะส่งกำลังจากลูกสูบด้วยห้องอัดและใบพัดเทอร์โบ เครื่องยนต์แบบลูกสูบอิสระช่วยดึงศักยภาพของประสิทธิภาพที่ดีขึ้นอย่างมาก เครื่องยนต์ลูกสูบอิสระต้นแบบมีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องยนต์ใดๆ ที่ผลิตอยู่ในปัจจุบันถึง 50 ถึง 60 เปอร์เซ็นต์ และยังมีศักยภาพที่จะพัฒนามากกว่านี้อีกมาก

มันทำงานอย่างไร?

ลูกสูบอิสระมีส่วนประกอบส่วนใหญ่เหมือนกับเครื่องยนต์สันดาปภายใน ความแตกต่างที่สำคัญคือวิธีการดูดซับพลังการเผาไหม้

ในเครื่องยนต์มาตรฐาน เชื้อเพลิงและอากาศจะถูกฉีดเข้าไปในห้องอัดและจุดระเบิด การเผาไหม้นี้จะดันไปที่ลูกสูบซึ่งเชื่อมต่อกับเพลาข้อเหวี่ยง ในรถยนต์ พลังงานของเพลาข้อเหวี่ยงที่กำลังหมุนจะถูกส่งผ่านระบบส่งกำลังและออกไปยังล้อขับเคลื่อน

ในเครื่องยนต์ลูกสูบอิสระ การเผาไหม้เกิดขึ้นในลักษณะเดียวกัน แต่ไม่มีเพลาข้อเหวี่ยง ดูจากภายนอกแล้ว มันดูบ้าไปเลย เพราะลูกสูบยังสั่นอยู่ในกระบอกสูบ แต่จริงๆ แล้วนี่เป็นจังหวะ ใช่ ฉันตั้งใจให้เป็นอัจฉริยะจริงๆ โดยการวางกระบอกสูบสองกระบอกที่อยู่ตรงข้ามกันในแนวนอนและทำให้เกิดการระเบิดพร้อมกัน ลูกสูบจะอัดอากาศระหว่างกระบอกสูบเหล่านั้น อากาศนี้ถูกส่งผ่านคอมเพรสเซอร์ที่ดูคล้ายกับเทอร์โบชาร์จเจอร์มาก

แม้ว่าในทางเทคนิคจะเป็นไปได้ในการขับเคลื่อนเพลาโดยตรงจากกังหันนี้ แต่ในทางปฏิบัติ กังหันนี้จะถูกนำมาใช้ประโยชน์สูงสุดในการขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

แนวคิดสำหรับเครื่องยนต์ดังกล่าวมีมาตั้งแต่ปี 1807 แต่ความท้าทายในการทำให้ลูกสูบติดไฟและ การเคลื่อนไหวไปพร้อมๆ กันทำให้นักออกแบบไม่สามารถใช้ประโยชน์จากเครื่องยนต์ลูกสูบอิสระได้เต็มที่ … จนถึงขณะนี้

ข้อดี

ด้วยความท้าทายเหล่านั้น ทำไมต้องกังวลด้วย? ทุกอย่างเกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพ ในเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบมาตรฐาน พลังงานจำนวนมากจะสูญเสียไปในรูปของความร้อนและการสั่นสะเทือน เครื่องยนต์เบนซินสมัยใหม่สามารถแปลงพลังงานศักย์ของเชื้อเพลิงที่เผาไหม้ไปเป็นพลังงานที่ใช้ได้เพียง 18 ถึง 25 เปอร์เซ็นต์เท่านั้น เครื่องยนต์เบนซินที่มีประสิทธิภาพสูงสุดสามารถบรรลุผลได้มากถึง 35 เปอร์เซ็นต์ในชั่วขณะหนึ่ง แต่ถึงอย่างนั้นก็ทำได้ภายใต้สภาวะที่เหมาะสมเท่านั้น

การไม่มีเพลาข้อเหวี่ยงในระบบลูกสูบอิสระหมายความว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมคงที่ซึ่งทำให้เกิดการสั่นสะเทือนและแรงเสียดทานที่ทำให้ประสิทธิภาพไม่ดี ข้อได้เปรียบเหล่านี้ปรากฏชัดมาเป็นเวลาสองศตวรรษแล้ว แต่ด้วยความแม่นยำของเทคโนโลยีสมัยใหม่ ยังมีอีกประการหนึ่ง: อัตราการบีบอัดแบบแปรผัน

ด้วยเพลาข้อเหวี่ยงที่มีขนาดเท่าห้องเผาไหม้ ความยาวของการเคลื่อนที่ของลูกสูบจึงคงที่ ในเครื่องยนต์ลูกสูบอิสระรุ่นทดลองสมัยใหม่ ขนาดของห้องเพาะเลี้ยงและความยาวของจังหวะกำลังสามารถเปลี่ยนแปลงได้ทันที โดยมีการเปลี่ยนแปลง จากการปฏิวัติสู่การปฏิวัติ ด้วยหน่วยจัดการเครื่องยนต์ที่ปรับแต่งขนาดของห้องเผาไหม้ให้เหมาะกับอากาศเชื้อเพลิงในอุดมคติ ส่วนผสม

นอกจากนี้ ความแปรปรวนนี้น่าจะทำให้เครื่องยนต์ลูกสูบอิสระทำงานได้กับอะไรก็ได้ตั้งแต่ไฮโดรเจนไปจนถึงก๊าซธรรมชาติ จริงๆ แล้ว ฉันจะไม่แปลกใจเลยหากเครื่องยนต์ตัวใดตัวหนึ่งเหล่านี้ทำงานบนซิงเกิลมอลต์สก๊อต

คุณสมบัติทั้งหมดนี้ทำให้เครื่องยนต์แบบลูกสูบอิสระเหมาะอย่างยิ่งสำหรับเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในรถ ซึ่งอาจเป็นการปฏิวัติการออกแบบระบบส่งกำลัง

จริงๆ แล้วฉันจะได้เมื่อไหร่ล่ะ?

จนถึงตอนนี้ เครื่องยนต์ลูกสูบอิสระต้นแบบสองตัวอยู่ในระหว่างการทำงาน เรื่องแรกซึ่งไม่น่าแปลกใจเลย มาจากนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน/นักมายากลแห่งความมืดที่ศูนย์การบินและอวกาศเยอรมัน (DLR)

ต้นแบบของพวกเขาซึ่งมีชื่อว่า "Freikolbenlineargenerator" ซึ่งฉันไม่แน่ใจว่าเป็นข้อพิสูจน์ว่าชาวเยอรมันมีอารมณ์ขันหรือไม่ ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนา แม้ว่าจะเป็นเช่นนี้ แต่ก็สัญญาว่าจะส่งมอบสมรรถนะที่วิศวกรระบบส่งกำลังคนอื่นๆ สามารถทำได้เพียงแค่ฝันถึง

เครื่องกำเนิดไฟฟ้า Freikolbenlinear ใช้กระบอกสูบที่หันหน้าเข้าหากัน การวางแนวลูกสูบนี้ช่วยให้มีขนาดกะทัดรัดกว่าเครื่องยนต์ลูกสูบอิสระทั่วไป ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับใช้เป็นเครื่องขยายช่วง

ยกตัวอย่าง Chevy Volt มีแบตเตอรี่และสามารถทำงานด้วยไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว แต่เมื่อแบตเตอรี่หมด จะมีเครื่องยนต์แก๊สขนาด 1.4 ลิตรที่สามารถชาร์จใหม่ได้และขับเคลื่อนรถด้วยความเร็วเกิน 65 ไมล์ต่อชั่วโมง วิธีนี้ใช้ได้ผลดี แต่น่าเสียดายที่แม้แต่เครื่องยนต์ที่ใช้แก๊สขนาดเล็กก็ยังเทอะทะ หนัก และมีราคาแพง

เครื่องกำเนิดไฟฟ้า Freikolbenlineargenerator สามารถทำงานเดียวกันได้สำเร็จ ในขณะที่มีขนาดเล็กพอที่จะติดตั้งไว้ใต้พื้นรถ ซึ่งจะช่วยประหยัดพื้นที่สำหรับสิ่งอื่นๆ เช่น ผักคะน้า เป็นต้น

แต่เครื่องจักรมหัศจรรย์บนโต๊ะทำงานของนักวิทยาศาสตร์บ้าเต็มตัวยังห่างไกลจากการผลิตจริงใช่ไหม

โตโยต้าก็เข้าร่วมด้วย ฤดูร้อนนี้ ผู้ผลิตรถยนต์รายใหญ่ของญี่ปุ่นได้ประกาศเปิดตัวเครื่องยนต์ลูกสูบฟรีหรือ 'เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเชิงเส้น' ซึ่งเป็นรุ่นของ Toyota กระบอกสูบเดี่ยวแทนที่จะเป็นคู่ตรงข้าม และสามารถมีประสิทธิภาพเชิงความร้อนได้ 42 เปอร์เซ็นต์ภายใต้การทำงานอย่างต่อเนื่อง เงื่อนไข. ซึ่งดีกว่ากลไกการผลิตใดๆ ที่จะสามารถทำได้ แม้เพียงชั่วครู่ภายใต้สภาวะที่เหมาะสมที่สุด

เครื่องยนต์ของโตโยต้าจะสามารถสร้างกำลังได้ 15 แรงม้าจากแพ็คเกจขนาดแปดนิ้วและยาวสองฟุต สองอย่างนี้น่าจะเกินพอที่จะชาร์จแบตเตอรี่ในรถยนต์ที่มีระยะทางไกลที่ทันสมัยพร้อมพื้นที่ขนาดใหญ่และประหยัดพลังงาน เทคโนโลยีของเยอรมันนั้นน่าทึ่งมาก แต่เครื่องยนต์ของ Toyota อาจจะอยู่ใน Prius อีกไม่นาน

บทสรุป

ไฟฟ้าบริสุทธิ์หรืออาจเป็นไฮโดรเจนยังคงเป็นแหล่งพลังงานในอนาคตสำหรับรถยนต์ในระยะยาว อย่างไรก็ตาม ทั้งสองเทคโนโลยีเหล่านั้นยังไม่พร้อมเลยทีเดียว ไฟฟ้าเข้ามาใกล้ แต่ก็ยังแพงเกินไปสำหรับผู้บริโภคชาวอเมริกันส่วนใหญ่ เรียกได้ว่าไม่มีอะไรเลยสำหรับผู้บริโภคชาวจีนและอินเดียหลายพันล้านคนที่ปรารถนาจะเป็นเจ้าของรถยนต์

เครื่องยนต์แบบลูกสูบอิสระอาจเป็นเทคโนโลยีสะพานเชื่อมที่สำคัญซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของการเผาไหม้ภายในได้อย่างมาก นอกจากนี้ยังอาจมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าการเผาไหม้ภายในแบบเดิมๆ ด้วยความสามารถในการเผาไหม้เกือบทุกอย่างที่เป็นสารไวไฟ... ฉันมองดูคุณอยู่นะ ผ้าขี้ริ้วมันๆ

หากยักษ์ใหญ่ในอุตสาหกรรมอย่าง Toyota ตัดสินใจที่จะทุ่มน้ำหนักให้กับเทคโนโลยีนี้ ก็อาจจะเข้าสู่การผลิตรถยนต์ในเร็วๆ นี้ หวังว่า.

คำแนะนำของบรรณาธิการ

• Mercedes-AMG C63 ถัดไปอาจทิ้งเครื่องยนต์ V8 ไปใช้ขุมพลังไฮบริด 4 สูบ