211service.com
Højeffektive generatorer til hybridbiler
Et ukonventionelt motordesign tiltrækker opmærksomhed som et potentielt alternativ til brintbrændselsceller eller konventionelle motorer i nogle hybridbiler. Kaldet fristempelmotoren kunne den bruges til at generere elektricitet lige så effektivt som brændselsceller og alligevel koste mindre.
Stempelkraft: I et ukonventionelt motordesign pendler en stang med et stempel i hver ende mellem to forbrændingskamre. Magneter i midten af stangen bevæger sig forbi metalspoler (orange) for at skabe en elektrisk strøm.
Fristemplede motorer er ikke nye: de blev opfundet i 1920'erne. Men det øgede nylige fokus på hybridbiler har fået et stigende antal forskergrupper og bilproducenter til at starte forskningsprogrammer for at udvikle teknologien. I modsætning til konventionelle motorer er der ingen mekanisk forbindelse mellem stemplet og en krumtapaksel (deraf navnet free-stempel). Da designet giver mulighed for forbedret forbrænding og mindre friktion, kunne motorerne være langt mere effektive til at generere elektricitet end enten konventionelle generatorer eller nyere brændselscelleteknologi.
At have en billig og effektiv måde at generere elektricitet på bliver vigtigere, efterhånden som bilproducenter udvikler elektriske køretøjer med indbyggede generatorer til at genoplade batteripakken og udvide rækkevidden. Sådanne køretøjer, kaldet serie-plug-in-hybrider eller elektriske køretøjer med udvidet rækkevidde, skal sælges fra slutningen af 2010. (Klik her for en sammenligning af forskellige hybrid- og elektriske køretøjstyper.) Den første vil bruge generatorer baseret på konventionelle motorer. Men senere modeller kunne inkorporere brændselsceller eller andre ukonventionelle generatorer, såsom fristemplede motorer.
Den potentielle høje effektivitet af fristemplede motorer giver dem en fordel i forhold til konventionelle generatorer, og deres evne til at bruge en række forskellige brændstoffer er en fordel i forhold til brintbrændselsceller. Desuden kræver fristemplede motorer ikke dyre materialer, såsom de platinkatalysatorer, der er nødvendige i brændselsceller, så de kan også være billigere.
Bilproducenter som GM, Lotus og Volvo er begyndt at undersøge muligheden for at bruge sådanne motorer i fremtidige køretøjer. I mellemtiden er et stigende antal akademiske forskerhold i de seneste par år begyndt at udvikle motorerne. Hidtil har de fleste fokuseret på computersimuleringer. En undtagelse er en forskergruppe ved Sandia National Laboratory ledet af Sandia-forsker Peter Van Blarigan der har testet fysiske komponenter i fristemplede motorer. Han er ved at samle en komplet prototype med fristemplet motor, et projekt, som han forventer at gennemføre inden for et år.
I konventionelle forbrændingsmotorer er flere stempler forbundet via stænger til en krumtapaksel, der via transmissionen driver hjulene. Fristemplede motorer fjerner krumtapakslen: stemplerne er ikke forbundet med noget. I stedet pendler to modstående stempler bare frem og tilbage inde i et kammer. For at generere elektricitet kunne stemplerne udstyres med rækker af magneter, der pendler forbi metalspoler for at skabe en elektrisk strøm.
Van Blarigans eksperimenter tyder på, at disse motorer kunne være 50 procent effektive til at generere elektricitet - tæt på effektiviteten af brintbrændselsceller og meget mere effektive end konventionelle generatorer. Fristemplede motorer er til dels effektive, fordi de har færre bevægelige dele end konventionelle motorer. Motorkonfigurationen gør det også praktisk at tune motoren, så brændstoffet i et forbrændingskammer brænder meget hurtigt. Hurtigere forbrænding gør det muligt for motoren at få mere arbejde ud af en given mængde brændstof, hvilket forbedrer effektiviteten. Det kan også forbedre emissionerne.
Det frie stempeldesign kan også tillade, at motoren øjeblikkeligt optimeres til forskellige brændstoffer, såsom brint, naturgas, ethanol, benzin og diesel. Ideelt set kunne chauffører bruge det brændstof, der er billigt og let tilgængeligt.
Udviklingen af fristemplede motorer er dog stadig på et tidligt stadie. Fristemplet har nogle unikke funktioner - enkelhed og variabel kompression - som gør det spændende, siger Gary Smyth , videnskabelig direktør for GM's Powertrain Systems Research Lab. Men [de] udgør også en række udfordringer.
Van Blarigan siger, at en stor bekymring er lyden af motorerne: de hurtige eksplosioner er meget høje og vil være svære at dæmpe. Men det største problem er måske kontrol. I en konventionel motor er stemplernes bevægelse begrænset af stængerne og krumtapakslen, som hjælper med at udjævne eventuelle variationer fra cyklus til cyklus. Fristempelmotoren er mere fleksibel. Det giver mulighed for at bruge forskellige brændstoffer, men det kræver en form for aktiv kontrolmekanisme for at sikre, at hver cyklus er den samme: variationer kan forårsage dårlig ydeevne og øgede emissioner. Højhastighedscomputere og evnen til elektronisk at styre stemplets bevægelse i en fri-stempelgenerator (via spoler og magneter) kunne hjælpe ingeniører med at løse dette problem.
Om motorerne bliver væsentligt billigere og mere effektive end konventionelle motorer er uklart, siger John Heywood , professor i maskinteknik ved MIT. Der har været udvikling nok til at sige, at det virker. Men med meget forskellige motorgeometrier er det svært at regne ud, hvor god den er. Er det virkelig bedre? Efterhånden som forskningen skrider frem, bliver den nødt til at besvare spørgsmål om effektivitet, emissioner, ydeevne og især omkostninger, siger Heywood.
I mellemtiden bliver konventionelle forbrændingsmotorer ved med at blive bedre, hvilket kan gøre det svært for fristempeldesignet at få fodfæste.