211service.com
Högeffektiva generatorer för hybridfordon
En okonventionell motordesign väcker uppmärksamhet som ett potentiellt alternativ till vätebränsleceller eller konventionella motorer i vissa hybridfordon. Kallas frikolvmotorn, den kunde användas för att generera elektricitet lika effektivt som bränsleceller men ändå kosta mindre.
Kolvkraft: I en okonventionell motorkonstruktion pendlar en stång med en kolv i vardera änden mellan två förbränningskammare. Magneter i mitten av staven rör sig förbi metallspolar (orange) för att skapa en elektrisk ström.
Frikolvsmotorer är inte nya: de uppfanns på 1920-talet. Men den senaste tidens ökade fokus på hybridbilar har fått ett växande antal forskargrupper och biltillverkare att starta forskningsprogram för att utveckla tekniken. Till skillnad från i konventionella motorer finns det ingen mekanisk koppling mellan kolven och en vevaxel (därav namnet frikolv). Eftersom designen möjliggör förbättrad förbränning och mindre friktion, kan motorerna vara mycket effektivare för att generera elektricitet än antingen konventionella generatorer eller nyare bränslecellsteknik.
Att ha ett billigt och effektivt sätt att generera el blir allt viktigare när biltillverkare utvecklar elfordon med inbyggda generatorer för att ladda batteripaketet och utöka räckvidden. Sådana fordon, kallade serieplug-in-hybrider eller elfordon med utökad räckvidd, ska säljas med start i slutet av 2010. (Klicka här för en jämförelse av olika hybrid- och elfordonstyper.) De första kommer att använda generatorer baserade på konventionella motorer. Men senare modeller kan innehålla bränsleceller eller andra okonventionella generatorer, såsom frikolvsmotorer.
Den potentiella höga verkningsgraden hos frikolvsmotorer ger dem en fördel jämfört med konventionella generatorer, och deras förmåga att använda en mängd olika bränslen är en fördel jämfört med vätebränsleceller. Dessutom kräver frikolvsmotorer inte dyra material som platinakatalysatorerna som behövs i bränsleceller, så de kan också vara billigare.
Biltillverkare som GM, Lotus och Volvo har börjat undersöka möjligheten att använda sådana motorer i framtida fordon. Under de senaste åren har ett ökande antal akademiska forskarlag börjat utveckla motorerna. Hittills har de flesta fokuserat på datorsimuleringar. Ett undantag är en forskargrupp vid Sandia National Laboratory ledd av Sandia-forskaren Peter Van Blarigan som har testat fysiska komponenter i frikolvsmotorer. Han håller på att montera en komplett frikolvmotorprototyp, ett projekt som han räknar med att slutföra inom ett år.
I konventionella förbränningsmotorer är flera kolvar kopplade via stänger till en vevaxel som via transmissionen driver hjulen. Frikolvsmotorer gör bort vevaxeln: kolvarna är inte anslutna till någonting. Istället pendlar två motsatta kolvar bara fram och tillbaka i en kammare. För att generera elektricitet kan kolvarna utrustas med rader av magneter som skjutsar förbi metallspolar för att skapa en elektrisk ström.
Van Blarigans experiment tyder på att dessa motorer kan vara 50 procent effektiva när det gäller att generera elektricitet – nära effektiviteten hos vätebränsleceller och mycket effektivare än konventionella generatorer. Frikolvsmotorer är effektiva delvis eftersom de har färre rörliga delar än vad konventionella motorer har. Motorkonfigurationen gör det också praktiskt att trimma motorn så att bränslet i en förbränningskammare brinner mycket snabbt. Snabbare förbränning gör att motorn kan få ut mer arbete av en viss mängd bränsle, vilket förbättrar effektiviteten. Det kan också förbättra utsläppen.
Den fria kolvdesignen kan också tillåta att motorn omedelbart optimeras för olika bränslen, såsom väte, naturgas, etanol, bensin och diesel. Helst skulle förare kunna använda vilket bränsle som helst som är billigt och lättillgängligt.
Utvecklingen av frikolvsmotorer är dock fortfarande i ett tidigt skede. Frikolven har några unika egenskaper – enkelhet och variabel kompression – som gör den spännande, säger Gary Smyth , vetenskapschef för GM:s Powertrain Systems Research Lab. Men [de] utgör också ett antal utmaningar.
Van Blarigan säger att en stor oro är motorljudet: de snabba explosionerna är mycket höga och kommer att vara svåra att dämpa. Men det kanske största problemet är kontroll. I en konventionell motor begränsas kolvarnas rörelse av stängerna och vevaxeln, vilket hjälper till att jämna ut eventuella variationer från cykel till cykel. Frikolvsmotorn är mer flexibel. Det gör det möjligt att använda olika bränslen, men det kräver någon form av aktiv kontrollmekanism för att säkerställa att varje cykel är densamma: variationer kan orsaka dålig prestanda och ökade utsläpp. Höghastighetsdatorer och möjligheten att elektroniskt styra kolvrörelsen i en frikolvsgenerator (via spolarna och magneterna) skulle kunna hjälpa ingenjörer att lösa detta problem.
Huruvida motorerna kommer att bli betydligt billigare och effektivare än konventionella motorer är oklart, säger John Heywood , professor i maskinteknik vid MIT. Det har varit tillräckligt med utveckling för att säga att det fungerar. Men med väldigt olika motorgeometrier är det svårt att räkna ut hur bra den är. Är det verkligen bättre? När forskningen fortskrider kommer den att behöva svara på frågor om effektivitet, utsläpp, prestanda och särskilt kostnad, säger Heywood.
Samtidigt blir konventionella förbränningsmotorer hela tiden bättre, vilket kan göra det svårt för frikolvsdesignen att få fotfäste.