Что, если бы вам сказали, что когда-нибудь под капотом вашего автомобиля будет стоять одноцилиндровый двигатель мощностью 100 лошадиных сил, способный проехать 100 миль на галлон (42,5 километра на литр) и способный работать на любом виде топлива?
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.
Это 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 сборка Grail Engine может быть на 50 процентов дешевле, при этом экономия топлива будет на 30 процентов выше, чем у существующих двигателей, и он может быть гибким в отношении того, на каком топливе он работает. По его словам, он имеет широкий спектр возможных применений. У него также нет 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 лучше работают».
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.
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 приводит в движение двигатель. поршень вниз и выпуск выхлопных газов.
Однако двухтактный двигатель завершает тот же процесс всего за два этапа. 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 садовом оборудовании.
Прямой впрыск : DI — это горячая новинка, когда речь заходит о технологиях 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 (который мы рассмотрим чуть позже).
По словам Райли , принудительное полугомогенное воспламенение от сжатия: также известная как FS-HCCI, это технология, за которой автопроизводители гонялись в течение многих лет. 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 [источник: Green Car Congress].
Объем двигателя Grail составляет всего 500 кубических сантиметров, что составляет примерно одну четвертую 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:
[Источник: Grail Engine Technologies]
Как и любой двигатель внутреннего сгорания, двигатель Грааля сжигает воздух и топливо и использует полученный взрыв, чтобы толкать поршень вверх и вниз, приводя в движение. Но то, как это делает движок Grail, делает его таким уникальным.
Когда 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, что сжимает воздух, попавший в картер до этого момента.
Когда поршень достигает нижней мертвой точки, выпускной клапан открывается, и выхлоп выбрасывается из цилиндра, поскольку сжатый воздух поступает в камеру сгорания через вентиляционное и впускное отверстия поршня, как указано выше, через односторонний клапан, расположенный внутри поршня.
Сжатый свежий воздух закручивается вверх вихревым образом, 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 простым, не так ли? 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 серию взрывов, которые помогают создать «принудительное воспламенение от сжатия с полуоднородным 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 [источники: Green Car Congress, Wojdyla].
Таким образом, 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 километра 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 из них могут быть соединены вместе для создания многоцилиндрового двигателя [источник: Wojdyla].
Но, как любит говорить Райли: «Подождите, 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 сделать это, потому что бортовой компьютер может регулировать степень сжатия на лету, соответственно регулируя двигатель, 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.
Мы уже говорили о том, насколько мощным является двигатель Grail, и как он может похвастаться лучшей экономией топлива и эффективностью, чем обычный двухтактный двигатель. Но где его можно было использовать? Ну, где угодно, сказала Райли.
«Ее можно применять во всех сферах жизни, от автомобилей до самолетов, а также двигателей для отдыха и промышленности», — сказал он. «У нас есть большой интерес в различных областях».
Помимо автопроизводителей, Райли сказал, что интерес проявило министерство обороны, но он сказал, что не может говорить о том, что именно представляет собой этот проект. Кроме того, по его словам, из него мог бы получиться идеальный вертолетный двигатель.
В то время как текущий прототип Grail Engine 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».
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 автомобиль Grail Engine — мне это не кажется слишком надуманным.