Tänk om du fick höra att din bil en dag skulle kunna ha en encylindrig motor under huven som har 100 hästkrafter, får 100 miles per gallon (42,5 kilometer per liter) och kan köras på alla typer av bränsle?
Oddsen är att du antagligen skulle tro att det är något ur en science fiction-film, eller att det är något slags långtgående koncept som fortfarande är decennier borta från verkligheten.
Inte så, enligt Matthew Riley, VD och chefsforskare vid Kansas-baserade Grail Engine Technologies. Han säger att hans företags tvåtakts Grail Engine kan finnas i konsumenternas bilar inom två till fem år. I februari 2012, efter tre års utveckling, etablerade företaget sin första fungerande prototyp, och stora bilföretag som Honda och Ford har redan visat intresse.
Riley säger att Grail Engine kan vara 50 procent billigare att bygga samtidigt som den har 30 procent bättre bränsleekonomi jämfört med nuvarande motorer, och den är flexibel när det gäller vilket bränsle den körs på. Det har ett brett utbud av möjliga tillämpningar, sa han. Den har inte heller de förorenings- och tillförlitlighetsproblem som man ser i de flesta andra tvåtaktsmotorer.
"Det kommer att förändra hur saker fungerar", säger Riley, en forskare med mer än 20 års erfarenhet av att utveckla experimentella motorer. "Idén kommer från tanken att det måste finnas ett bättre sätt att göra tvåtaktare eftersom de presterar bättre."
Vad gör Grail Engine så fantastisk? Intressant nog är det inte beroende av en enda banbrytande teknik för att få jobbet gjort. Motorn använder en mängd aktuella, banbrytande motorteknologier och samlar dem alla i ett paket. "Allt är beprövad teknik som har använts tidigare," sa Riley.
I huvudsak är det en mycket högteknologisk tvåtaktsmotor som använder forcerad induktion, direktinsprutning och andra teknologier för imponerande kraft och effektivitet. Det är också en pionjär inom vad företaget kallar "semi-homogen laddad kompressionständning." Vi kommer att täcka vad allt detta betyder om en liten stund.
I den här artikeln kommer vi att lära oss allt om hur Grail Engine fungerar och utforska hur den kan användas inom en mycket nära framtid.
Innehåll
Innan vi lär oss om Grail Engine, låt oss först definiera några av koncepten bakom den så att vi till fullo kan förstå hur den fungerar.
Tvåtaktsmotor : Till skillnad från de flesta moderna bil- och motorcykelmotorer är Grail Engine en tvåtaktsmotor. I fordon är det vanligare att hitta fyrtaktsmotorer. Så här betyder det:På en fyrtaktsmotor finns det fyra faser i förbränningsprocessen som får ett fordon att röra sig - intaget av luft och bränsle, komprimeringen av dessa ingredienser, antändningen av luft och bränsle som tvingar kolven ner och utsläpp av avgaser.
Men en tvåtaktsmotor slutför samma process i bara två steg. Insugs- och avgasstegen kombineras, liksom kompressions- och tändningsstegen. Tvåtaktsmotorer är lättare och kraftfullare; men de är inte lika bränslesnåla, de tenderar att gå sönder oftare och de producerar också mycket avgaser eftersom olja och bränsle blandas under förbränningsprocessen. Det är därför tvåtaktsmotorer vanligtvis endast används i små fritidsfordon och trädgårdsutrustning.
Direktinjektion : DI är den heta nya ungen på blocket när det kommer till motorteknik. Det har blivit ett vanligt inslag på prestandamotorer, och det börjar leta sig in i fler och fler vardagsbilar också. På en DI-motor sprutas bränsle direkt in i förbränningskammaren istället för att blandas med luften i ett separat grenrör. Detta låter luft/bränsleblandningen brinna jämnare och mer effektivt, vilket resulterar i ökad kraft och bättre ekonomi.
Tvingad induktion: Även om du aldrig har hört talas om forcerad induktion, har du förmodligen hört talas om kompressorer eller turboladdare. Båda gör i princip samma jobb:de tvingar in mer luft i motorn så att den brinner varmare och hårdare och producerar mer kraft. Grail Engine använder en unik typ av forcerad induktion (som vi kommer in på om en liten stund).
Tvingad halvhomogen laddad kompressionständning: Även känd som FS-HCCI, detta är en teknik som biltillverkare har jagat efter i flera år, sa Riley. Denna process komprimerar luft och bränsle till en punkt där de nästan förbränns av sig själva utan gnisttändning (liknande hur en dieselmotor fungerar). Och när luft/bränsleblandningen antänds, brinner allt bränsle i kammaren samtidigt, vilket ger mycket bättre effektivitet. Det betyder mer kraft och bättre bränsleekonomi [källa:Green Car Congress].
Med bara 500 kubikcentimeter är Grail Engine ganska liten - ungefär en fjärdedel av motorn på en typisk ekonomibil.
Vid första anblicken ser företagets prototyp ut som vilken vanlig tvåtaktsmotor som helst, tills man märker att den stora, uppåtvända insugningsventilen kommer från mitten av kolven. Det har en viktig funktion som vi ska utforska om lite - Grail Engine använder mycket mer lufttryck än en vanlig förbränningsmotor. Motorn består av:
[Källa:Grail Engine Technologies]
Som alla förbränningsmotorer bränner Grail Engine luft och bränsle och använder den resulterande explosionen för att trycka en kolv upp och ner för att driva rörelse. Men det är sättet som Grail-motorn gör det som gör den så unik.
När kolven rör sig uppåt skapas ett vakuum under den, som suger in frisk luft genom en envägs reedventil. Luft fyller sedan tre kammare -- förkompressionskammaren, ventil-till-kolv-portarna och kolv-intag-portar.
När kolven når toppen av sin färdbana sker antändning tack vare de tre tändstiften. Detta tvingar kolven nedåt, vilket komprimerar luften som är instängd i vevhuset fram till denna punkt.
När kolven når nedre dödpunkten, öppnar avgasventilen och avgaser evakuerar cylindern när tryckluft kommer in i förbränningskammaren via ventil-till-kolv- och kolv-intagsportarna som noterats ovan genom en envägsventil placerad i kolven.
Komprimerad frisk luft virvlar uppåt på ett virvelliknande sätt, evakuerar cylindern från avgaser och fyller på cylindern med frisk luft. När avgasventilen stängs insprutas bränslet direkt och blandas i kammaren. Blandningen av luft och bränsle komprimeras och antänds av de tre tändstiften, vilket skapar en explosion som trycker ner kolven och skapar rörelse för nästa cykel.
Verkar ganska enkelt, eller hur? Sammantaget ser Grail Engine väldigt lik en vanlig tvåtaktsmotor, förutom att tryckluft spelar en mycket större roll här. Men det finns några unika faktorer som fungerar här också. För det första säger Riley att virvelblandningen av tryckluft och bränsle är den mest effektiva luft/bränslefördelningsblandningen som kan erhållas för optimal förbränning. Dessutom säger han att ingen annan motor har en design med påtvingad induktion av tryckluft som kommer in i förbränningskammaren samtidigt som den luftkyls toppen av kolven för att minska utsläppen.
Slutligen skapar de tre tändstiften en snabb blomning av explosioner, som hjälper till att generera "tvingad semi-homogen laddad kompressionständning" eller FS-HCCI. Denna process komprimerar luft och bränsle till en punkt där de nästan förbränns på egen hand (utan gnista). Och när de förbränns, förbränns allt återstående bränsle i kammaren på en gång - samtidigt - vilket ger mycket bättre effektivitet. Detta resulterar i mer kraft och bättre bränsleekonomi [källor:Green Car Congress, Wojdyla].
Så Grail Engine har en mycket effektiv form av förbränning. Den är lätt, billig och producerar mycket kraft för sin storlek. Som vi sa tidigare kan prototypen på 500 cc producera 100 hästkrafter samtidigt som den får 100 miles per gallon (42,5 kilometer per liter). Men vad mer kan det göra?
Riley sa att Grail Engine eliminerar många av nackdelarna som normalt sett på en typisk tvåtaktsmotor. För det första blandas aldrig olja och bränsle här, så det har inga rökproblem. Den är också väldigt tyst och låg på vibrationer, sa han.
Eftersom motorn hela tiden har frisk, komprimerad luft som rör sig genom den har den inga problem att hålla sig sval. Förmågan att hålla förbränningskammaren jämnt kall är det som hjälper till att göra FS-HCCI möjligt, sa Riley. Detta ökar den termiska effektiviteten och minskar utsläppen av kväveoxider. Dessutom är det inte bara begränsat till en enda cylinder. Grail Engine är modulär i design, så flera kan sättas ihop för att skapa en flercylindrig motor [källa:Wojdyla].
Men som Riley gillar att säga, "Vänta - det blir bättre." Grail Engine är designad för att drivas på praktiskt taget alla typer av bränsle, inklusive bensin, propan, diesel och naturgas. Den kan också transportera mer än en typ av bränsle samtidigt i separata tankar. Motorn kan göra det eftersom en omborddator kan justera sitt kompressionsförhållande i farten och justera motorn därefter när föraren vill använda ett annat bränsle.
Dessutom förhindrar dess design förorening av väte som för närvarande ses på bränslecellsbilar, vilket gör den typen av bränsle mer genomförbart än någonsin. "Detta sätter bränsleceller i ett helt nytt ljus," sa Riley.
Vi har redan pratat om hur potent Grail Engine är och hur den har bättre bränsleekonomi och effektivitet än en vanlig tvåtaktsmotor. Men var kan det användas? Nåväl, nästan var som helst, sa Riley.
"Det kan tillämpas på alla områden i livet, från bilar till flygplan, och fritids- och industrimotorer," sa han. "Vi har ett stort intresse för olika områden."
Förutom biltillverkare sa Riley att försvarsdepartementet har uttryckt intresse, men han sa att han inte kan prata om exakt vad det projektet är. Dessutom kan det bli en idealisk helikoptermotor, sa han.
Medan den nuvarande prototypen Grail Engine är 500 kubikcentimeter, arbetar forskarna på större modeller, inklusive 1 000 cc och 2,5-liters motorer.
Dessutom säger Riley att han och hans anställda är motiverade av en önskan att göra världen till en bättre plats, inte att bli rika. Deras mål är att få befintliga bilföretag att producera licensierade versioner av tekniken. Han hoppas att det också kan bana väg för en grönare framtid. "Vi vill inte sätta någon i konkurs," sa Riley. "Vi vill hjälpa människor. Vi vill förändra världen till det bättre."
Jag kunde inte låta bli att bli imponerad av Grail Engine Technologies design. Det är förvisso ambitiöst, men det är baserat på befintlig teknik, så det verkar mer genomförbart än vissa experimentella motorer. De verkar ha hittat ett sätt att få kraften hos en tvåtaktsmotor utan föroreningar och med bättre bränsleekonomi än de flesta nuvarande motorer. Det är intressant att företaget verkar ha "gröna" motiv, snarare än att bara vara vinstdrivna. Kanske får vi se en Grail Engine-bil någon gång snart -- det låter inte så långsökt för mig.
