Vysoce účinné generátory pro hybridní vozidla

Nekonvenční design motoru přitahuje pozornost jako potenciální alternativa k vodíkovým palivovým článkům nebo konvenčním motorům v některých hybridních vozidlech. Nazývá se motor s volnými písty a mohl by být použit k výrobě elektřiny stejně efektivně jako palivové články, ale levnější.

Výkon pístu: V nekonvenční konstrukci motoru se tyč s pístem na obou koncích pohybuje mezi dvěma spalovacími komorami. Magnety ve středu tyče se pohybují kolem kovových cívek (oranžové) a vytvářejí elektrický proud.

Motory s volnými písty nejsou novinkou: byly vynalezeny ve dvacátých letech minulého století. Ale zvýšené zaměření na hybridní automobily v poslední době vedlo rostoucí počet výzkumných skupin a výrobců automobilů k zahájení výzkumných programů pro vývoj této technologie. Na rozdíl od konvenčních motorů zde není žádné mechanické spojení mezi pístem a klikovou hřídelí (odtud název volný píst). Vzhledem k tomu, že konstrukce umožňuje lepší spalování a menší tření, motory by mohly být mnohem účinnější při výrobě elektřiny než konvenční generátory nebo novější technologie palivových článků.

Mít levný a účinný způsob výroby elektřiny je stále důležitější, protože výrobci automobilů vyvíjejí elektrická vozidla s palubními generátory pro dobíjení baterie a prodloužení dojezdu. Taková vozidla, nazývaná sériové plug-in hybridy nebo elektrická vozidla s prodlouženým dojezdem, se mají prodávat od konce roku 2010. (Klikněte zde pro srovnání různých typů hybridních a elektrických vozidel.) První bude používat generátory založené na konvenčních motorech. Ale pozdější modely mohly obsahovat palivové články nebo jiné nekonvenční generátory, jako jsou motory s volnými písty.

Potenciálně vysoká účinnost motorů s volnými písty jim dává výhodu oproti konvenčním generátorům a jejich schopnost využívat různá paliva je výhodou oproti vodíkovým palivovým článkům. A co víc, motory s volnými písty nevyžadují drahé materiály, jako jsou platinové katalyzátory potřebné v palivových článcích, takže by mohly být i levnější.

Výrobci automobilů jako GM, Lotus a Volvo začali zkoumat možnost použití takových motorů v budoucích vozidlech. Mezitím, v posledních několika letech, rostoucí počet akademických výzkumných týmů začal vyvíjet motory. Doposud se většina soustředila na počítačové simulace. Výjimkou je výzkumná skupina v Sandia National Laboratory vedená výzkumníkem Sandia Peter Van Blarigan která testovala fyzické součásti motorů s volnými písty. Sestavuje kompletní prototyp motoru s volnými písty, což je projekt, jehož dokončení předpokládá do jednoho roku.

U konvenčních spalovacích motorů je více pístů připojeno pomocí tyčí ke klikovému hřídeli, který přes převodovku pohání kola. Motory s volnými písty se zbaví klikové hřídele: písty nejsou s ničím spojeny. Místo toho se dva protilehlé písty pohybují tam a zpět uvnitř komory. Pro výrobu elektřiny by písty mohly být vybaveny řadami magnetů, které se pohybují kolem kovových cívek a vytvářejí elektrický proud.

Van Blariganovy experimenty naznačují, že tyto motory by mohly být 50 procent účinné při výrobě elektřiny – blízko účinnosti vodíkových palivových článků a mnohem účinnější než konvenční generátory. Motory s volnými písty jsou zčásti účinné, protože mají méně pohyblivých částí než konvenční motory. Díky konfiguraci motoru je také praktické vyladit motor tak, aby palivo ve spalovacím prostoru shořelo velmi rychle. Rychlejší spalování umožňuje motoru získat více práce s daným množstvím paliva, což zlepšuje účinnost. Může také zlepšit emise.

Konstrukce s volnými písty také umožňuje okamžitou optimalizaci motoru pro různá paliva, jako je vodík, zemní plyn, etanol, benzín a nafta. V ideálním případě by řidiči mohli používat jakékoli palivo, které je levné a snadno dostupné.

Vývoj motorů s volnými písty je však stále v rané fázi. Volný píst má některé jedinečné vlastnosti – jednoduchost a variabilní kompresi – díky kterým je zajímavý, říká Gary Smyth , vědecký ředitel výzkumné laboratoře GM Powertrain Systems Research Lab. Ale [oni] také představují řadu výzev.

Van Blarigan říká, že jedním z hlavních problémů je zvuk motorů: rychlé exploze jsou velmi hlasité a bude těžké je utlumit. Ale možná největší problém je kontrola. V běžném motoru je pohyb pístů omezen ojnicemi a klikovým hřídelem, které pomáhají vyrovnávat jakékoli odchylky mezi cykly. Motor s volnými písty je flexibilnější. To umožňuje použití různých paliv, ale vyžaduje to určitý druh aktivního kontrolního mechanismu, který zajistí, že každý cyklus bude stejný: změny mohou způsobit špatný výkon a zvýšené emise. Vysokorychlostní počítače a schopnost elektronicky řídit pohyb pístu v generátoru s volnými písty (prostřednictvím cívek a magnetů) by mohly inženýrům pomoci vyřešit tento problém.

Není jasné, zda budou motory výrazně levnější a účinnější než konvenční motory John Heywood , profesor strojního inženýrství na MIT. Vývoje bylo dost na to, abych řekl, že to funguje. Ale s velmi odlišnými geometriemi motoru je těžké zjistit, jak dobrý je. Je to opravdu lepší? Jak výzkum pokročí, bude muset odpovědět na otázky týkající se účinnosti, emisí, výkonu a zejména nákladů, říká Heywood.

Mezitím se konvenční spalovací motory stále zlepšují, což by mohlo ztížit uplatnění konstrukce s volnými písty.

skrýt