Wysokowydajne generatory do pojazdów hybrydowych

Niekonwencjonalna konstrukcja silnika przyciąga uwagę jako potencjalna alternatywa dla wodorowych ogniw paliwowych lub silników konwencjonalnych w niektórych pojazdach hybrydowych. Nazywany silnikiem o swobodnym tłoku, może być wykorzystywany do wytwarzania energii elektrycznej równie wydajnie, jak ogniwa paliwowe, a przy tym kosztować mniej.

Moc tłoka: W niekonwencjonalnej konstrukcji silnika pręt z tłokiem na każdym końcu przemieszcza się między dwiema komorami spalania. Magnesy w środku pręta przesuwają się obok metalowych cewek (pomarańczowy), aby wytworzyć prąd elektryczny.

Silniki z wolnym tłokiem nie są nowe: zostały wynalezione w latach dwudziestych. Jednak coraz większy nacisk w ostatnim czasie na samochody hybrydowe skłonił coraz większą liczbę grup badawczych i producentów samochodów do rozpoczęcia programów badawczych w celu opracowania tej technologii. W przeciwieństwie do konwencjonalnych silników, nie ma mechanicznego połączenia między tłokiem a wałem korbowym (stąd nazwa „wolny tłok”). Ponieważ projekt pozwala na lepsze spalanie i mniejsze tarcie, silniki mogą być znacznie bardziej wydajne w wytwarzaniu energii elektrycznej niż konwencjonalne generatory lub nowsza technologia ogniw paliwowych.

Posiadanie taniego i wydajnego sposobu wytwarzania energii elektrycznej staje się coraz ważniejsze, ponieważ producenci samochodów opracowują pojazdy elektryczne z pokładowymi generatorami do ładowania akumulatorów i zwiększania zasięgu. Takie pojazdy, zwane seryjnymi hybrydami typu plug-in lub pojazdami elektrycznymi o rozszerzonym zasięgu, mają być sprzedawane pod koniec 2010 roku. (Kliknij tutaj, aby porównać różne typy pojazdów hybrydowych i elektrycznych). W pierwszych będą stosowane generatory oparte na konwencjonalnych silnikach. Ale późniejsze modele mogą zawierać ogniwa paliwowe lub inne niekonwencjonalne generatory, takie jak silniki z wolnym tłokiem.

Potencjalnie wysoka sprawność silników beztłokowych daje im przewagę nad konwencjonalnymi generatorami, a możliwość wykorzystania różnych paliw jest przewagą nad wodorowymi ogniwami paliwowymi. Co więcej, silniki z wolnym tłokiem nie wymagają drogich materiałów, takich jak katalizatory platynowe potrzebne w ogniwach paliwowych, więc mogą być również tańsze.

Producenci samochodów, tacy jak GM, Lotus i Volvo, zaczęli badać możliwość zastosowania takich silników w przyszłych pojazdach. Tymczasem w ciągu ostatnich kilku lat coraz większa liczba akademickich zespołów badawczych zaczęła opracowywać silniki. Do tej pory większość skupiała się na symulacjach komputerowych. Wyjątkiem jest grupa badawcza w Sandia National Laboratory kierowana przez badacza Sandii Peter Van Blarigan który testował fizyczne komponenty silników z wolnym tłokiem. Montuje kompletny prototyp silnika z wolnym tłokiem, projekt, który spodziewa się ukończyć w ciągu roku.

W konwencjonalnych silnikach spalinowych wiele tłoków jest połączonych za pomocą prętów z wałem korbowym, który poprzez przekładnię napędza koła. Silniki z wolnym tłokiem eliminują wał korbowy: tłoki nie są z niczym połączone. Zamiast tego dwa przeciwstawne tłoki po prostu poruszają się tam iz powrotem wewnątrz komory. Aby generować energię elektryczną, tłoki można wyposażyć w rzędy magnesów, które przemieszczają się obok metalowych cewek, aby wytworzyć prąd elektryczny.

Eksperymenty Van Blarigana sugerują, że silniki te mogą być w 50 procentach wydajne w wytwarzaniu energii elektrycznej – zbliżonej do wydajności wodorowych ogniw paliwowych i znacznie wydajniejsze niż konwencjonalne generatory. Silniki o swobodnym tłoku są wydajne po części dlatego, że mają mniej ruchomych części niż silniki konwencjonalne. Konfiguracja silnika umożliwia również praktyczne dostrojenie silnika tak, aby paliwo w komorze spalania spalało się bardzo szybko. Szybsze spalanie pozwala silnikowi uzyskać więcej pracy z danej ilości paliwa, poprawiając wydajność. Może również poprawić emisje.

Konstrukcja z wolnym tłokiem umożliwia również natychmiastową optymalizację silnika pod kątem różnych paliw, takich jak wodór, gaz ziemny, etanol, benzyna i olej napędowy. Idealnie byłoby, gdyby kierowcy mogli używać dowolnego paliwa, które jest tanie i łatwo dostępne.

Rozwój silników z wolnym tłokiem jest jednak wciąż na wczesnym etapie. Wolny tłok ma kilka unikalnych cech – prostotę i zmienną kompresję – które czynią go intrygującym, mówi Gary Smyth , dyrektor naukowy Laboratorium Badawczego Układów Napędowych GM. Ale [oni] również stwarzają wiele wyzwań.

Van Blarigan mówi, że jednym z głównych problemów jest dźwięk silników: szybkie eksplozje są bardzo głośne i trudno je stłumić. Ale chyba największym problemem jest kontrola. W konwencjonalnym silniku ruch tłoków jest ograniczony przez pręty i wał korbowy, które pomagają wyrównać wszelkie zmiany z cyklu na cykl. Silnik z wolnym tłokiem jest bardziej elastyczny. Pozwala to na stosowanie różnych paliw, ale wymaga pewnego rodzaju aktywnego mechanizmu kontroli, aby zapewnić, że każdy cykl jest taki sam: zmiany mogą powodować słabą wydajność i zwiększone emisje. Szybkie komputery i możliwość elektronicznego sterowania ruchem tłoka w generatorze z wolnym tłokiem (za pośrednictwem cewek i magnesów) mogą pomóc inżynierom w rozwiązaniu tego problemu.

Nie jest jasne, czy silniki będą znacznie tańsze i wydajniejsze niż silniki konwencjonalne John Heywood , profesor inżynierii mechanicznej na MIT. Nastąpiło wystarczająco dużo rozwoju, aby powiedzieć, że to działa. Ale przy bardzo różnych geometriach silnika trudno jest określić, jak dobry jest. Czy naprawdę jest lepiej? W miarę postępu badań będą musiały odpowiedzieć na pytania dotyczące wydajności, emisji, wydajności, a zwłaszcza kosztów, mówi Heywood.

Tymczasem konwencjonalne silniki spalinowe stają się coraz lepsze, co może utrudnić uzyskanie oparcia dla konstrukcji z wolnym tłokiem.

ukryć