Что, если бы вам сказали, что когда-нибудь под капотом вашего автомобиля будет стоять одноцилиндровый двигатель мощностью 100 л.?
Скорее всего, вы, вероятно, подумаете, что это что-то из научно-фантастического фильма, или что это какая-то обширная концепция, которая все еще находится в десятилетиях от реальности.
Не так, по словам Мэтью Райли, генерального директора и главного научного сотрудника компании Grail Engine Technologies из Канзаса. Он говорит, что двухтактный двигатель Grail его компании может появиться в автомобилях потребителей в течение двух-пяти лет. В феврале 2012 года, после трех лет разработки, компания создала свой первый рабочий прототип, и крупные автомобильные компании, такие как Honda и Ford, уже проявили интерес.
Райли говорит, что двигатель Grail может быть на 50 процентов дешевле в производстве, при этом он может похвастаться на 30 процентов большей экономией топлива по сравнению с существующими двигателями, и он может быть гибким в отношении того, на каком топливе он работает. По его словам, он имеет широкий спектр возможных применений. Он также не имеет проблем с загрязнением окружающей среды и надежностью, характерных для большинства других двухтактных двигателей.
«Это изменит то, как все работает», - сказал Райли, ученый с более чем 20-летним опытом разработки экспериментальных двигателей. «Идея исходит из мысли, что должен быть лучший способ сделать двухтактные, потому что они более производительны».
Что делает Grail Engine таким удивительным? Интересно, что для выполнения своей работы он не полагается на какую-то одну прорывную технологию. Двигатель использует множество современных передовых технологий двигателей и объединяет их все в одном пакете. «Все это проверенные технологии, которые использовались в прошлом», - сказал Райли.
По сути, это очень высокотехнологичный двухтактный двигатель, использующий наддув, непосредственный впрыск и другие технологии для впечатляющей мощности и экономичности. Это также пионер в том, что компания называет «воспламенением от сжатия с полугомогенным зарядом». Чуть позже мы расскажем, что все это значит.
В этой статье мы узнаем все о том, как работает Grail Engine, и рассмотрим, как его можно будет использовать в самом ближайшем будущем.
Основы
Прежде чем мы узнаем о Grail Engine, давайте сначала определим некоторые концепции, лежащие в его основе, чтобы мы могли полностью понять, как он работает.
Двухтактный двигатель: В отличие от большинства современных автомобильных и мотоциклетных двигателей, двигатель Грааля является двухтактным двигателем. В транспортных средствах чаще встречаются четырехтактные двигатели. Вот что это означает: в четырехтактном двигателе есть четыре фазы процесса внутреннего сгорания, которые заставляют автомобиль двигаться: впуск воздуха и топлива, сжатие этих компонентов, воспламенение воздуха и топлива, которое заставляет двигатель двигаться. поршень вниз и выпуск выхлопных газов.
Однако двухтактный двигатель выполняет тот же процесс всего за два шага. Ступени впуска и выпуска объединены вместе, как и стадии сжатия и воспламенения. Двухтактные двигатели легче и мощнее; но они не так экономичны, они имеют тенденцию ломаться чаще, и они также производят много выхлопных газов, потому что масло и топливо смешиваются вместе в процессе сгорания. Вот почему двухтактные двигатели обычно используются только в небольших транспортных средствах для отдыха и садовой технике.
Прямой впрыск: DI - горячая новинка, когда дело доходит до технологий двигателей. Это стало обычным явлением в двигателях с высокими характеристиками, и оно начинает находить применение во все большем количестве повседневных автомобилей. В двигателе с прямым впрыском топливо распыляется непосредственно в камеру сгорания, а не смешивается с воздухом в отдельном коллекторе. Это позволяет воздушно-топливной смеси сгорать более равномерно и эффективно, что приводит к увеличению мощности и повышению экономичности.
Принудительная индукция: Даже если вы никогда не слышали о принудительной индукции, вы, вероятно, слышали о нагнетателях или турбокомпрессорах. Оба выполняют по сути одну и ту же работу: они нагнетают в двигатель больше воздуха, поэтому он горит горячее и сильнее, производя больше мощности. Grail Engine использует уникальный тип принудительной индукции (о котором мы поговорим чуть позже).
Принудительное полугомогенное воспламенение от сжатия: Также известная как FS-HCCI, эта технология, за которой автопроизводители гонялись в течение многих лет, сказал Райли. Этот процесс сжимает воздух и топливо до такой степени, что они почти сгорают сами по себе без искрового зажигания (подобно тому, как работает дизельный двигатель). А когда воздушно-топливная смесь воспламеняется, все топливо в камере сгорает одновременно, обеспечивая гораздо большую эффективность. Это означает большую мощность и лучшую экономию топлива.
Дизайн двигателя Grail
Двигатель Грааля объемом всего 500 кубических сантиметров довольно мал - примерно четверть объема двигателя типичного автомобиля эконом-класса.
На первый взгляд, прототип компании выглядит как обычный двухтактный двигатель, пока вы не заметите большой обращенный вверх впускной клапан, выходящий из центра поршня. У него есть важная функция, которую мы рассмотрим чуть позже - двигатель Grail гораздо больше использует давление воздуха, чем обычный двигатель внутреннего сгорания. Двигатель состоит из:
- Цилиндр и поршень
- Один выпускной клапан в верхней части цилиндра, который выпускает выхлопные газы после завершения процесса сгорания
- Три свечи зажигания, также в верхней части цилиндра. Они создают «искру», которая запускает зажигание (у большинства автомобильных двигателей одна свеча зажигания на цилиндр)
- «Камера предварительного сжатия», в которой находится лепестковый клапан, компонент, поддерживающий подачу свежего воздуха в двигатель в одном направлении (герконовые клапаны являются обычной деталью двухтактных двигателей)
- Единый впускной клапан, всасывающий воздух и топливо, расположенный внутри поршня
- Два вентиляционных отверстия для поршня и два впускных отверстия для поршня
- Небольшой картер двигателя, преобразующий движение поршня в движение колеса
[Источник: Grail Engine Technologies]
Функции Grail Engine
Как и любой двигатель внутреннего сгорания, двигатель Грааля сжигает воздух и топливо и использует образовавшийся взрыв, чтобы толкать поршень вверх и вниз, приводя его в движение. Но то, как это делает движок Grail, делает его таким уникальным.
Поскольку поршень движется вверх, под ним создается вакуум, который всасывает свежий воздух через односторонний язычковый клапан. Затем воздух заполняет три камеры - камеру предварительного сжатия, выпускные и поршневые порты и поршневые впускные порты.
Когда поршень достигает верхней точки своего пути, зажигание происходит благодаря трем свечам зажигания. Это толкает поршень вниз, который сжимает воздух, попавший в картер до этой точки.
Когда поршень достигает нижней мертвой точки, выпускной клапан открывается, и выхлоп выходит из цилиндра, а сжатый воздух поступает в камеру сгорания через вентиляционное и впускное отверстия поршня, как указано выше, через односторонний клапан. расположен внутри поршня.
Сжатый свежий воздух вихрем поднимается вверх, удаляя из цилиндра выхлопные газы и наполняя цилиндр свежим воздухом. Как только выпускной клапан закрывается, топливо впрыскивается и смешивается в камере. Смесь воздуха и топлива сжимается и воспламеняется тремя свечами зажигания, создавая взрыв, который толкает поршень вниз и создает движение для следующего цикла.
Кажется довольно просто, правда? В целом двигатель Grail очень похож на обычный двухтактный двигатель, за исключением того, что сжатый воздух играет здесь гораздо большую роль. Но здесь также действуют некоторые уникальные факторы. Во-первых, Райли говорит, что вихревое смешивание сжатого воздуха и топлива является наиболее эффективной смесью распыления воздуха и топлива, которая может быть получена для оптимального сгорания. Кроме того, он говорит, что ни один другой двигатель не имеет конструкции с принудительной подачей сжатого воздуха в камеру сгорания и в то же время воздушным охлаждением верхней части поршня для снижения выбросов..
Наконец, три свечи зажигания создают быструю волну взрывов, которые помогают создать «принудительное воспламенение от сжатия с полугомогенным зарядом» или FS-HCCI. Этот процесс сжимает воздух и топливо до такой степени, что они почти сгорают сами по себе (без искры). И когда они сгорают, все оставшееся топливо в камере сгорает одновременно, обеспечивая гораздо большую эффективность. Это приводит к большей мощности и лучшей экономии топлива.
Преимущества Grail Engines
Итак, Двигатель Грааля имеет очень эффективную форму внутреннего сгорания. Он легкий, недорогой и производит много энергии для своего размера. Как мы уже говорили ранее, 500-кубовый прототип может производить 100 лошадиных сил при расходе 100 миль на галлон (42.5 километров на литр). Но что еще он может сделать?
Райли сказал, что двигатель Grail устраняет многие недостатки, обычно наблюдаемые в типичном двухтактном двигателе. Во-первых, здесь масло и топливо никогда не смешиваются, поэтому проблем с дымом нет. По его словам, он также очень тихий и с низким уровнем вибрации.
Поскольку через двигатель постоянно проходит свежий сжатый воздух, у него нет проблем с охлаждением. По словам Райли, способность поддерживать равномерное охлаждение камеры сгорания - это то, что делает возможным использование FS-HCCI. Это повышает тепловую эффективность и снижает выбросы оксидов азота. Кроме того, это не ограничивается одним цилиндром. Grail Engine имеет модульную конструкцию, поэтому несколько компонентов могут быть соединены вместе для создания многоцилиндрового двигателя.
Но, как любит говорить Райли: «Подождите, дальше станет лучше». Двигатель Grail предназначен для работы практически на любом виде топлива, включая бензин, пропан, дизельное топливо и природный газ. Он также может перевозить более одного вида топлива одновременно в отдельных баках. Двигатель может это делать, потому что бортовой компьютер может регулировать степень сжатия на лету, соответственно настраивая двигатель всякий раз, когда водитель хочет использовать другое топливо.
Кроме того, его конструкция предотвращает загрязнение водородом, наблюдаемое в настоящее время в автомобилях на топливных элементах, что делает этот тип топлива более доступным, чем когда-либо. «Это представляет топливные элементы в совершенно новом свете», - сказал Райли.
Приложения Grail Engine
Мы уже говорили о том, насколько мощным является двигатель Grail, и как он может похвастаться лучшей топливной экономичностью и эффективностью, чем обычный двухтактный двигатель. Но где его можно было использовать? Ну, где угодно, сказала Райли.
«Это может применяться во всех сферах жизни, от автомобилей до самолетов, а также двигателей для отдыха и промышленности», - сказал он. «У нас большой интерес к разным областям».
Кроме автопроизводителей, Райли сказал, что министерство обороны проявило интерес, но он сказал, что не может говорить о том, что именно представляет собой этот проект. Кроме того, из него мог бы получиться идеальный двигатель для вертолета, сказал он.
В то время как текущий прототип двигателя Grail имеет объем 500 кубических сантиметров, ученые работают над более крупными моделями, включая двигатели объемом 1000 куб. см и 2,5 литра.
Кроме того, Райли говорит, что им и его сотрудниками движет желание сделать мир лучше, а не разбогатеть. Их цель - заставить существующие автомобильные компании производить лицензионные версии технологии. Он надеется, что это также проложит путь к более экологичному будущему. «Мы не хотим никого разорять, - сказал Райли. «Мы хотим помогать людям. Мы хотим изменить мир к лучшему».
Примечание автора
Я не мог не быть впечатлен дизайном Grail Engine Technologies. Это, безусловно, амбициозно, но оно основано на существующих технологиях, поэтому кажется более осуществимым, чем некоторые экспериментальные двигатели. Кажется, они нашли способ получить мощность двухтактного двигателя без загрязнения окружающей среды и с большей экономией топлива, чем у большинства современных двигателей. Интересно, что у компании, кажется, есть «зеленые» мотивы, а не просто прибыль. Возможно, мы скоро увидим машину Grail Engine - мне это не кажется слишком надуманным.