211service.com
Hoogrenderende generatoren voor hybride voertuigen
Een onconventioneel motorontwerp trekt de aandacht als een potentieel alternatief voor waterstofbrandstofcellen of conventionele motoren in sommige hybride voertuigen. De motor met vrije zuiger wordt genoemd en kan worden gebruikt om elektriciteit even efficiënt op te wekken als brandstofcellen, maar kost minder.
Zuigerkracht: In een onconventioneel motorontwerp pendelt een stang met een zuiger aan beide uiteinden tussen twee verbrandingskamers. Magneten in het midden van de staaf bewegen langs metalen spoelen (oranje) om een elektrische stroom te creëren.
Motoren met vrije zuigers zijn niet nieuw: ze werden uitgevonden in de jaren 1920. Maar de toegenomen recente focus op hybride auto's heeft ertoe geleid dat een groeiend aantal onderzoeksgroepen en autofabrikanten onderzoeksprogramma's zijn gestart om de technologie te ontwikkelen. In tegenstelling tot conventionele motoren is er geen mechanische verbinding tussen de zuiger en een krukas (vandaar de naam vrije zuiger). Omdat het ontwerp zorgt voor een betere verbranding en minder wrijving, zouden de motoren veel efficiënter kunnen zijn in het opwekken van elektriciteit dan conventionele generatoren of nieuwere brandstofceltechnologie.
Een goedkope en efficiënte manier om elektriciteit op te wekken wordt steeds belangrijker naarmate autofabrikanten elektrische voertuigen ontwikkelen met generatoren aan boord om het batterijpakket op te laden en de actieradius te vergroten. Dergelijke voertuigen, die in serie plug-in hybrides of elektrische voertuigen met een groter bereik worden genoemd, zullen vanaf eind 2010 worden verkocht. (Klik hier voor een vergelijking van verschillende hybride en elektrische voertuigen.) De eerste zal gebruik maken van generatoren op basis van conventionele motoren. Maar latere modellen kunnen brandstofcellen of andere onconventionele generatoren bevatten, zoals motoren met vrije zuigers.
Het potentieel hoge rendement van motoren met vrije zuigers geeft ze een voordeel ten opzichte van conventionele generatoren, en hun vermogen om een verscheidenheid aan brandstoffen te gebruiken is een voordeel ten opzichte van waterstofbrandstofcellen. Bovendien hebben motoren met vrije zuigers geen dure materialen nodig, zoals de platinakatalysatoren die nodig zijn in brandstofcellen, dus ze kunnen ook goedkoper zijn.
Autofabrikanten zoals GM, Lotus en Volvo zijn begonnen met het onderzoeken van de mogelijkheid om dergelijke motoren in toekomstige voertuigen te gebruiken. Ondertussen zijn de afgelopen jaren steeds meer academische onderzoeksteams begonnen met het ontwikkelen van de motoren. Tot nu toe hebben de meeste zich gericht op computersimulaties. Een uitzondering is een onderzoeksgroep bij Sandia National Laboratory onder leiding van Sandia-onderzoeker Peter Van Blarigan dat fysieke componenten van motoren met vrije zuigers heeft getest. Hij assembleert een compleet prototype van een motor met vrije zuigers, een project dat hij binnen een jaar verwacht te voltooien.
Bij conventionele verbrandingsmotoren zijn meerdere zuigers via stangen verbonden met een krukas die via de transmissie de wielen aandrijft. Bij motoren met vrije zuigers is de krukas overbodig: de zuigers zijn nergens mee verbonden. In plaats daarvan pendelen twee tegenover elkaar liggende zuigers gewoon heen en weer in een kamer. Om elektriciteit op te wekken, kunnen de zuigers worden uitgerust met rijen magneten die langs metalen spoelen pendelen om een elektrische stroom te creëren.
De experimenten van Van Blarigan suggereren dat deze motoren 50 procent efficiënt zouden kunnen zijn in het opwekken van elektriciteit - dicht bij de efficiëntie van waterstofbrandstofcellen en veel efficiënter dan conventionele generatoren. Motoren met vrije zuigers zijn deels efficiënt omdat ze minder bewegende delen hebben dan conventionele motoren. De motorconfiguratie maakt het ook praktisch om de motor zo af te stemmen dat de brandstof in een verbrandingskamer zeer snel verbrandt. Door een snellere verbranding kan de motor meer uit een bepaalde hoeveelheid brandstof halen, waardoor de efficiëntie verbetert. Het kan ook de uitstoot verbeteren.
Dankzij het ontwerp met vrije zuiger kan de motor ook onmiddellijk worden geoptimaliseerd voor verschillende brandstoffen, zoals waterstof, aardgas, ethanol, benzine en diesel. Idealiter zouden chauffeurs elke brandstof kunnen gebruiken die goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar is.
De ontwikkeling van motoren met vrije zuigers bevindt zich echter nog in een pril stadium. De vrije zuiger heeft een aantal unieke kenmerken - eenvoud en variabele compressie - die het intrigerend maken, zegt: Gary Smyth , de wetenschappelijk directeur van GM's Powertrain Systems Research Lab. Maar [ze] vormen ook een aantal uitdagingen.
Van Blarigan zegt dat een belangrijk punt van zorg het geluid van de motoren is: de snelle explosies zijn erg luid en zullen moeilijk te dempen zijn. Maar misschien is het grootste probleem de controle. Bij een conventionele motor wordt de beweging van de zuigers beperkt door de stangen en de krukas, waardoor eventuele variaties van cyclus tot cyclus worden gecompenseerd. De motor met vrije zuiger is flexibeler. Dat maakt het gebruik van verschillende brandstoffen mogelijk, maar er is een soort actief controlemechanisme nodig om ervoor te zorgen dat elke cyclus hetzelfde is: variaties kunnen leiden tot slechte prestaties en verhoogde emissies. Computers met hoge snelheid en de mogelijkheid om de beweging van de zuiger elektronisch te regelen in een generator met vrije zuigers (via de spoelen en magneten) kunnen ingenieurs helpen dit probleem op te lossen.
Of de motoren aanzienlijk goedkoper en efficiënter zullen zijn dan conventionele motoren, is onduidelijk, zegt John Heywood , een professor in werktuigbouwkunde aan het MIT. Er is genoeg ontwikkeling geweest om te zeggen dat het werkt. Maar met heel verschillende motorgeometrieën is het moeilijk om erachter te komen hoe goed het is. Is het echt beter? Naarmate het onderzoek vordert, zal het vragen moeten beantwoorden over efficiëntie, emissies, prestaties en vooral kosten, zegt Heywood.
Ondertussen worden conventionele verbrandingsmotoren steeds beter, wat het moeilijk kan maken voor het ontwerp met vrije zuiger om voet aan de grond te krijgen.