Коли ми думаємо про автомобільні технології майбутнього, ми зазвичай думаємо про альтернативні види палива, будь то водень або електроенергія від футуристичних батарей. Виявляється, майбутнє насправді може бути за новою формою внутрішнього згоряння: двигуном із «вільним поршнем».
Ця технологія радикально змінює форму двигунів, замінюючи колінчастий вал, який зазвичай передає потужність від поршнів, на камеру стиснення та робоче колесо турбонаддуву. Двигуни з вільним поршнем мають потенціал радикально покращеної ефективності. Прототипи безпоршневих двигунів уже на 50-60 відсотків ефективніші, ніж будь-який двигун, який зараз виробляється, і є потенціал для набагато більшого.
Як це працює?
Вільний поршень має більшість тих самих компонентів, що й будь-який двигун внутрішнього згоряння. Ключова відмінність полягає в тому, як він фіксує потужність згоряння.
У стандартному двигуні паливо і повітря впорскуються в камеру стиснення і запалюються. Це згоряння тисне вниз на поршень, який з’єднаний з колінчастим валом. В автомобілях енергія обертового колінчастого вала проходить через коробку передач і виходить на ведучі колеса.
У вільнопоршневому двигуні згоряння відбувається так само, але немає колінчастого вала. На перший погляд це здається божевіллям, оскільки поршні просто гуркочуть у своїх циліндрах. Але насправді це геніальний штрих – так, я мав на увазі цей каламбур. Горизонтально протиставляючи два циліндри та одночасно детонуючи їх, поршні стискають повітря між ними. Це повітря пропускається через компресор, який дуже схожий на турбокомпресор.
Хоча технічно можливо привести вісь в рух безпосередньо від цієї турбіни, на практиці ця турбіна найкраще використовується для приводу електричного генератора.
Ідея створення такого двигуна виникла ще в 1807 році, але проблеми з приводом роботи поршнів і переміщення одночасно заважали дизайнерам повною мірою скористатися перевагами двигуна з вільним поршнем... досі.
Переваги
Отже, навіщо взагалі турбуватися з цими проблемами? Ну, все це пов’язано з ефективністю. У стандартному двигуні внутрішнього згоряння велика частина потужності втрачається у вигляді тепла та вібрації. Сучасні бензинові двигуни можуть перетворювати лише від 18 до 25 відсотків потенційної енергії палива, яке вони спалюють, у корисну енергію. Найефективніші бензинові двигуни можуть на мить досягти 35 відсотків, але навіть тоді лише за ідеальних умов.
У стандартному двигуні внутрішнього згоряння велика частина потужності втрачається у вигляді тепла та вібрації.
Відсутність колінчастого вала в системі вільного поршня означає відсутність постійних змін імпульсу, які створюють вібрацію та тертя, які погіршують ефективність. Ці переваги були очевидними протягом двох століть, але з точністю сучасної технології є ще одна: змінний ступінь стиснення.
При розмірі колінчастого вала з камерою згоряння довжина руху поршня фіксована. У сучасних експериментальних вільнопоршневих двигунах розмір камери і довжину робочого ходу можна змінювати на ходу, змінюючи від революції до революції, з блоком керування двигуном, що адаптує розмір камери згоряння до ідеального паливного повітря суміш.
Крім того, ця мінливість повинна дозволити двигунам з вільним поршнем працювати на будь-чому, від водню до природного газу. Насправді я не здивуюся, якби один із цих двигунів працював на односолодовому скотчі.
- 1. Контрольна кімната в лабораторії FKLG в Інституті концепцій транспортних засобів DLR (Джерело: DLR)
- 2. Батарея розряджена? – Лінійний генератор з вільним поршнем діє як розширювач дальності, постачаючи електроенергію, необхідну для електромобілів (Джерело: DLR)
Усі ці якості роблять вільнопоршневий двигун ідеальним у якості бортового генератора, у цій ролі він може революціонізувати дизайн трансмісії.
Серйозно, коли я зможу його отримати?
На даний момент два прототипи безпоршневих двигунів знаходяться в роботі. Перша, як не дивно, походить від німецьких вчених/темних магів з Німецького аерокосмічного центру (DLR).
Їхній прототип, який отримав назву «Freikolbenlineargenerator», який, я не впевнений, є доказом того, що німці мають почуття гумору чи ні, все ще перебуває на ранніх стадіях розробки. Але, незважаючи на це, він обіцяє забезпечити таку продуктивність, про яку інші інженери силових агрегатів можуть тільки мріяти.
Двигун Toyota буде здатний генерувати 15 кінських сил із пакету діаметром вісім дюймів і довжиною два фути.
Freikolbenlineargenerator використовує циліндри, які звернені один до одного. Така орієнтація поршня дозволяє йому бути навіть більш компактним, ніж типові двигуни з вільним поршнем. Це робить його ідеальним для використання як подовжувач діапазону.
Візьмемо, наприклад, Chevy Volt. Він має батарейки і здатний працювати виключно на електриці. Але коли батареї розряджаються, у нього є 1,4-літровий газовий двигун, який може заряджати їх і розганяти автомобіль вище 65 миль/год. Це добре працює, але, на жаль, навіть газові двигуни малого об’єму є громіздкими, важкими та дорогими.
Freikolbenlineargenerator може виконувати таку саму роботу, хоча він досить малий, щоб його можна було встановити під підлогою автомобіля, що економить місце для інших речей, наприклад, для капусти.
Але диво-двигун на робочому столі тевтонського божевільного вченого ще дуже далекий від реального виробництва, чи не так?
Що ж, Toyota теж на борту. Цього літа великий японський автовиробник анонсував свій власний безкоштовний поршневий двигун або «лінійний генератор». Версія Toyota використовує один циліндр, а не протилежна пара, і має 42-відсотковий термічний ККД при постійній роботі умови. Це краще, ніж може досягти будь-який серійний двигун – навіть на мить, за оптимальних умов.
Двигун Toyota буде здатний генерувати 15 кінських сил із пакету діаметром вісім дюймів і довжиною два фути. Двох із них, імовірно, було б більш ніж достатньо, щоб зарядити батареї в сучасному автомобілі з подовженим запасом ходу з величезною економією простору та енергії. Німецька технологія дивовижна, але двигун Toyota незабаром з’явиться в Prius.
Висновок
Чиста електрика – або, можливо, водень – все ще майже напевно є довгостроковим майбутнім джерелом енергії для автомобілів. Однак жодна з цих технологій ще не повністю готова. Електротехніка наближається, але все ще занадто дорога для більшості американських споживачів, не кажучи вже про буквально мільярди китайських та індійських споживачів, які прагнуть мати автомобіль.
Двигуни з вільним поршнем можуть бути критично важливою технологією моста, яка може значно підвищити ефективність внутрішнього згоряння. Вони також можуть мати довший термін служби, ніж традиційні форми внутрішнього згоряння, завдяки своїй здатності спалювати майже все легкозаймисте... Я дивлюся на вас, масляні ганчірки.
Якщо такі гіганти промисловості, як Toyota, вирішать докласти значних зусиль за цю технологію, вона може з’явитися у серійних автомобілях дуже скоро. Будемо сподіватися.
Рекомендації редакції
- Наступний Mercedes-AMG C63 може відмовитися від V8 для чотирициліндрового гібридного двигуна
