Den utrolige krympende motor

Følgende artikel vises i marts/april 2007-udgaven af Teknologigennemgang.

På MITs Sloan Automotive Laboratory står Daniel Cohn (billedet ovenfor) bag en motor udstyret med testinstrumenter (i gult) og et indsprøjtningssystem, der sprøjter brændstof direkte ind i motorens forbrændingskamre.

For Daniel Cohn, en seniorforsker ved MIT's Plasma Science and Fusion Center, er den århundrede gamle forbrændingsmotor stadig en kilde til inspiration. Da han skrider forbi maskineriet og testudstyret i MIT Sloan Automotive Laboratory, forsvinder hans normalt reserverede opførsel. En motor i denne størrelse, siger han og påpeger, at en 2,4-liters mellemstor benzinmotor med almindeligt udseende ville være en raket med vores teknologi.

Denne historie var en del af vores marts 2007-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

For at forklare den teknologi viser han en turbolader, der kunne boltes til 2,4-liters motoren; motoren, tilføjer han, bruger direkte brændstofindsprøjtning i stedet for den portindsprøjtning, der i øjeblikket findes i de fleste biler. Både turboopladning og direkte indsprøjtning er allerede eksisterende teknologier, og ingen af ​​dem ser særlig imponerende ud. Hvis de anvendes separat, ville de kun føre til marginale forbedringer i ydeevnen af ​​en forbrændingsmotor. Men ved at kombinere dem og udvide dem med en ny måde at bruge en lille mængde ethanol på, har Cohn og hans kolleger skabt et design, som de mener kunne tredoble en testmotors kraft, et fremskridt, der kunne give bilproducenter mulighed for at konvertere små motorer designet til økonomiske biler til muskuløse motorer med mere end nok kraft til SUV'er eller sportsvogne. Ved at udvinde bedre ydeevne fra mindre, mere effektive motorer kan teknologien føre til køretøjer, hvis brændstoføkonomi kan måle sig med hybrider, der både bruger en elektrisk motor og en benzinmotor. Og den brændstofeffektivitet kan komme til en brøkdel af prisen.

Cohn siger, at hans kolleger – Leslie Bromberg, en hovedforsker ved Plasma Science and Fusion Center, og John Heywood, professor i maskinteknik og direktør for Sloan Auto Lab – overvejede mange måder at gøre forbrændingsmotorer mere effektive på. Og så, efter en masse diskussion, ramte det os bare en dag, husker Cohn. Nøglen til MIT-forskernes system, forklarer han, var at overvinde et problem kaldet banke, som har stærkt begrænset indsatsen for at øge motorens drejningsmoment og kraft.

Multimedier

• Se en demo af den nye motordesign bygget af Daniel Cohn.

I gasmotorer bevæger et stempel sig ind i en cylinder og komprimerer en blanding af luft og brændstof, som derefter antændes af en gnist. Eksplosionen tvinger stemplet ud igen. En måde at få mere kraft ud af en motor på er at designe stemplet til at rejse længere med hvert slag. Jo længere den bevæger sig, jo mere komprimerer den luft-brændstofblandingen, og jo mere mekanisk energi høster den fra eksplosionen, når den trækker sig tilbage. Samlet set vil højere kompression føre til en mere effektiv motor og mere kraft pr. slag. Men at øge trykket for meget får brændstoffet til at varme op og eksplodere uafhængigt af gnisten, hvilket fører til dårligt timet tænding. Det er banke, og det kan beskadige motoren.

For at undgå banke skal motordesignere begrænse, i hvilket omfang stemplet komprimerer brændstoffet og luften i cylinderen. De skal også begrænse brugen af ​​turboladning, hvor en udstødningsdrevet turbine komprimerer luften, før den kommer ind i forbrændingskammeret, hvilket øger mængden af ​​ilt i kammeret, så der kan forbrændes mere brændstof pr. slag. At tænde for en bils turbolader vil give et ekstra boost, når bilen accelererer eller klatrer op ad bakker. Men for meget turboopladning, som for meget kompression, fører til banke.

En alternativ måde at forhindre banke på er at bruge et andet brændstof end benzin; selvom benzin pakker en stor mængde energi ind i et lille volumen, modstår andre brændstoffer, såsom ethanol, meget bedre. Men et køretøj, der bruger ethanol, får færre miles per gallon end et køretøj, der bruger benzin, fordi dets brændstof har en lavere energitæthed. Cohn og hans kolleger siger, at de har fundet en måde at bruge begge brændstoffer på, der udnytter hver ens styrker og samtidig undgå dens svagheder.

MIT-forskerne fokuserede på en nøgleegenskab ved ethanol: når det fordamper, har det en udtalt kølende effekt, ligesom at gnide alkohol, der fordamper fra huden. Øget turboopladning og cylinderkompression hæver temperaturen i cylinderen, hvorfor de fører til banke. Men Cohn og hans kolleger fandt ud af, at hvis ethanol indføres i forbrændingskammeret på det helt rigtige tidspunkt gennem den relativt nye teknologi med direkte indsprøjtning, holder det temperaturen nede og forhindrer spontan forbrænding. Lignende fremgangsmåder, hvoraf nogle brugte vand til at afkøle cylinderen, var blevet prøvet før. Men kombinationen af ​​direkte injektion og ethanol, siger Cohn, havde meget mere dramatiske resultater.

Forskerne udtænkte et system, hvor benzin ville blive sprøjtet ind i forbrændingskammeret med konventionelle midler. Ethanol vil blive opbevaret i sin egen tank eller rum og vil blive introduceret af et separat direkte indsprøjtningssystem. Ethanolen skulle kun efterfyldes en gang med få måneders mellemrum, omtrent lige så ofte som olien skiftes. Et køretøj, der brugte denne tilgang, ville fungere omkring 25 procent mere effektivt end et køretøj med en konventionel motor.

En turbolader og et system med direkte indsprøjtning vil øge prisen på en motor, ligesom det vil styrke dens vægge for at give mulighed for et højere niveau af turboopladning. De ekstra udstyrsomkostninger ville dog delvist blive opvejet af de reducerede omkostninger ved at fremstille en mindre motor. I alt ville en motor udstyret med den nye teknologi koste omkring $1.000 til $1.500 mere end en konventionel motor. Hybridsystemer, som er dyre, fordi de kræver både en forbrændingsmotor og en elektrisk motor drevet af batterier, tilføjer $3.000 til $5.000 til prisen på et lille til mellemstort køretøj – og endnu mere til prisen på et større køretøj.

Da MIT-gruppen først udklækkede sin idé, skabte Bromberg en detaljeret computermodel for at vurdere effekten af ​​at bruge ethanol for at muliggøre mere turboopladning og cylinderkompression. Modellen viste, at teknikken i høj grad kunne øge den bankefri motors drejningsmoment og hestekræfter. Efterfølgende test fra Ford har vist resultater, der stemmer overens med MIT-computermodellens forudsigelser. Og da det nye system vil kræve relativt små ændringer af eksisterende teknologier, kan det snart være klar. Ethanol Boosting Systems, en virksomhed, som forskerne har startet i Cambridge, MA, arbejder på at kommercialisere teknologien. Cohn siger, at med et aggressivt udviklingsprogram kunne designet være i produktionsbiler allerede i 2011.

Mens Cohn bifalder fordelene ved hybrider og siger, at hans teknologi også kunne bruges til at forbedre dem, bemærker han, at populariteten af ​​hybridteknologi stadig er begrænset af omkostningerne. Billigere teknologi vil blive taget i brug hurtigere, foreslår han, og vil dermed reducere benzinforbruget hurtigere. Det er meget mere nyttigt, siger han, at have en motor, som mange mennesker vil købe.

skjule