Nagłówki pojawiają się stale. Za każdym razem, gdy na rynek wchodzi nowy model hybrydowy lub przechodzi on niewielką aktualizację, prasa jest podekscytowana ułamkowym wzrostem wydajności. To szum marketingowy. Czyste i proste. Ale nie przewracaj oczami. Jeśli chodzi o oszczędzanie energii i redukcję emisji, każda najmniejsza poprawa naprawdę ma znaczenie. Matematyka nie kłamie.
W międzyczasie, podczas gdy branża była zajęta polerowaniem chromu i dostrajaniem map paliwa, niemiecki inżynier dr Hüttlin pracował w cieniu. Jego zespół w Innomot AG pracował nad tym, zanim hybrydy przeszły od „efektywnej technologii” przez „fajną funkcję” do „nudnego standardu”. Ich wynik jest tak dziwny, że przypomina science fiction. To jest kulisty aluminiowy silnik. Piłka. Który napędza Twój samochód.
Debiut Kugelmotora
Miało to miejsce na głównej scenie podczas Salonu Samochodowego w Genewie w marcu 2011 r. Podczas gdy inne stoiska pokazywały kable do ładowania i akumulatory, na wyświetlaczu doktora Hüttlina pojawił się błyszczący, kulisty blok silnika. To przyciągnęło tłumy. Ludzie chcieli wiedzieć, w jaki sposób kula może w ogóle działać jako silnik spalinowy.
Podstawy naukowe stojące za kulistym silnikiem Hüttlin wydają się solidne, nawet jeśli jego kształt przeczy normalnej logice motoryzacyjnej.
W tym miejscu musimy odłożyć na bok sceptycyzm. Kula nie ma tłoków. Brak wału korbowego. Nie ma wałków rozrządu. To radykalne odejście od silnika spalinowego (ICE), którego używamy od ponad wieku. Ale jeśli przyjąć założenie, że okrągły silnik jest opłacalny, statystyki są zaskakująco imponujące. Urządzenie, często nazywane kugelmotor, ma wypełnić lukę pomiędzy pojazdami całkowicie elektrycznymi (EV) a tradycyjnymi samochodami benzynowymi w sposób, którego nikt nie przewidywał.
Dlaczego generatory zwiększające zasięg są ważne
Głównym problemem wczesnych pojazdów elektrycznych nie był tylko skład chemiczny akumulatorów. To była infrastruktura. Nie można było podłączyć się do ładowania wszędzie. Nie mogłeś zatankować w trzy minuty. Stworzyło to „lęk przed zasięgiem”. Strach, że Twój samochód zatrzyma się na odludziu.
Generator przedłużający zasięg rozwiązuje ten problem. Jest to mały generator na pokładzie, który ładuje akumulator podczas jazdy. Jadąc na napędzie elektrycznym, zyskujesz zerową emisję spalin. Otrzymujesz natychmiastowy moment obrotowy. Ale masz także zapasowy silnik benzynowy, który włącza się, gdy poziom naładowania akumulatora jest niski.
Silnik Hüttlin został zaprojektowany jako idealny generator zwiększający zasięg. Poprawia typową wydajność hybryd. Jest lżejszy. Spala paliwo czyściej. Zmniejsza Twój wpływ na środowisko o milę. Eliminując strach przed utknięciem w tarapatach, może zmusić rynek do zaakceptowania samochodów elektrycznych na własnych warunkach.
Jak działa konstrukcja sferyczna
Większość silników jest liniowa. Tłoki poruszają się w górę i w dół. Korbowody przekształcają ten ruch w obrót. To powoduje wibracje. Straty mechaniczne. Ciepły.
Silnik Hüttlin przyjmuje inne podejście. Wirnik obraca się wewnątrz kulistej komory. Nie ma części posuwisto-zwrotnych. Oznacza to mniejsze tarcie. Mniejsza waga. Spalanie zachodzi w bardziej kontrolowany i ciągły sposób.
To nie tylko sztuczka. Sprawność cieplna jest wyższa niż w przypadku tradycyjnych silników. Emisja spalin jest niższa. A ponieważ jest tak kompaktowy, można go sparować z dużym akumulatorem, nie zajmując miejsca w bagażniku ani nie dodając niepotrzebnego ciężaru do podwozia.
Stan technologii hybrydowej
Jesteśmy w punkcie zwrotnym. Hybrydy sprzedają się dobrze. Samochody elektryczne sprzedają się dobrze. Ale oba mają wady. Hybrydy nadal opierają się na benzynie. Pojazdy elektryczne w dalszym ciągu korzystają z nielicznych sieci ładowania. Silnik Hüttlin oferuje środkową ścieżkę. To rozwiązanie wykorzystujące energię odnawialną, które nie wymaga zmiany nawyków jazdy.
Czy ktoś spodziewał się, że kulka zastąpi tłok? Prawdopodobnie nie. Ale jeśli fizyka się utrzyma, może to być brakujące ogniwo w masowej adaptacji elektryfikacji. Silnik zadebiutował w 2011 roku. Rozwój był powolny. Sceptycyzm jest wysoki. Ale jest potencjał.
Jeśli technologia ta będzie się skalować, definicja „hybrydy” ulegnie zmianie. To już nie będzie kompromis. To będzie doskonała opcja. Pytanie brzmi, czy Innomot AG może to zrobić
Większość ludzi zobaczyłaby silnik sferyczny i założyłaby, że to rekwizyt z filmu, w którym budżet naukowy został odrzucony. Wygląda śmiesznie. Wygląda na niestabilnego. Mam wrażenie, że rozpadnie się przy najlżejszym dotknięciu tłoka.
Jednak dr Hüttlin nie zaprojektował sferycznego silnika Hüttlin do pracy samodzielnej. Zaprojektował go jako generator zwiększający zasięg.
To rozróżnienie ma znaczenie. Generator zwiększający zasięg nie jest głównym układem napędowym w hybrydzie. To jest generator zapasowy. Włącza się, gdy poziom naładowania akumulatora spadnie poniżej pewnego progu, obracając generator, aby zwrócić elektrony do silnika elektrycznego. To właśnie ta konstrukcja odróżnia pojazd hybrydowy typu plug-in (PHEV) od pojazdu w pełni elektrycznego (EV). Bez tego jesteś przywiązany do ładowarki. Dzięki niemu zyskujesz rezerwę mocy.
Strach przed niskim poziomem naładowania akumulatora (lęk dotyczący zasięgu) jest największą barierą na drodze do wprowadzenia pojazdów elektrycznych. Aby rozwiązać ten problem, stworzono silnik sferyczny Hüttlin, którego geometria wymyka się tradycyjnej inżynierii samochodowej.
Jak tradycyjne generatory działają, aby zwiększyć zasięg
Aby zrozumieć, dlaczego piłka jest lepsza od bloku, musimy przyjrzeć się temu, czego obecnie używamy. Wczesne hybrydy opierały się na silnikach spalinowych (ICE). Silnik benzynowy obraca wał. Wał ten napędza generator. Generator produkuje prąd. Energia elektryczna napędza koła.
To nieskuteczne. Występuje tarcie. Występują straty ciepła. Występują wibracje.
Nowoczesne hybrydy udoskonaliły ten proces. Niektórzy z nich traktują priorytetowo oszczędność paliwa, wyłączając silnik benzynowy tak często, jak to możliwe. Inne utrzymują stałą, optymalną prędkość, aby zmaksymalizować moc wyjściową generatora. Większość nadal używa tłoków i wałów korbowych, ponieważ technologia jest tania i dobrze poznana.
Ale ten projekt jest uciążliwy. Wymaga układu chłodzenia. Potrzebuje wymiany oleju. Jest ciężka.
Doktor Hüttlin spojrzał na to i zastanawiał się: dlaczego generator musi wyglądać jak silnik samochodowy?
Kulisty design: forma ponad tradycją
W silniku sferycznym Hüttlin rezygnuje się z wału korbowego. Odmawia bloku cylindrów. Używa kuli.
Koncepcja jest prosta. Kula obraca się wewnątrz ciała. Po obróceniu działa zarówno jako silnik, jak i generator. Nie ma tłoków poruszających się w górę i w dół. Nie ma wzajemnej masy do zrównoważenia. Ruch jest czysto obrotowy.
Stwarza to kilka bezpośrednich korzyści dla generatora w postaci zwiększenia zasięgu:
- Kompaktowy: Silnik jest samowystarczalny. Nie potrzebuje zewnętrznych połączeń.
- Lekki: Mniej ruchomych części oznacza mniej metalu.
- Gładkość: Brak eksplozji. Brak wibracji. Tylko obrót.
- Koszt: Łatwiejszy w produkcji, jeśli można rozwiązać problem z uszczelnieniem.
Celem Hüttlina było stworzenie urządzenia, które byłoby lekkie, kompaktowe i tanie. Nie jest to wysokowydajny zespół napędowy, ale niezawodne urządzenie pomocnicze. Generator nie powinien zajmować miejsca, aby zwiększyć rezerwę mocy. Nie powinien obciążać podwozia. Powinien po prostu tam stać, cicho nucić i utrzymywać baterię przy życiu.
Dlaczego kula?
Krytycy nazywają to dziwacznym. Inżynierowie nazywają to powrotem do pierwszych zasad.
Tradycyjne silniki są nieefektywne, ponieważ przekształcają ruch translacyjny w ruch obrotowy. Podczas tej przemiany traci się energię. Konstrukcja sferyczna pomija etap transformacji. Początkowo ma charakter rotacyjny.
„Sferyczny silnik Hüttlin odzwierciedla ideę, że generator nie powinien marnować zasobów hybrydy na zwiększenie zasięgu.”
To nie jest nowy pomysł. Teorie dotyczące sferycznych silników odrzutowych powstają od dziesięcioleci. Jednak iteracja Hüttlin jest jedną z niewielu, w których odeszliśmy od tablic suchościeralnych do funkcjonalnych prototypów. Projekt rzuca wyzwanie ustalonym normom: jak zagęścić obracającą się kulę? Jak sobie poradzić z upałem? Jak kontrolować moment obrotowy?
To są trudne pytania. Jednak potencjalną korzyścią jest to, że generator zwiększający zasięg zmieści się w mniejszej obudowie, będzie mniej ważyć i będzie miał mniej punktów awarii niż standardowy silnik mikrobenzynowy.
Kompromisy
Podróż nie zawsze przebiega gładko. Kulista konstrukcja stwarza nowe przeszkody inżynieryjne. Uszczelnienie obracającej się kuli względem nieruchomego ciała jest trudne. Wzorce zużycia łożysk baryłkowych są złożone. I choć teoria jest czysta, rzeczywistość związana z precyzją produkcji może być kosztowna.
Alternatywą jest jednak utrzymanie status quo. Silniki tłokowe są ciężkie. Są hałaśliwe. Nawet wtedy uwalniają zanieczyszczenia
Pomińmy wstępną dyskusję na temat hybrydowych macierzy dystrybucji mocy. To rozprasza. Aby naprawdę zrozumieć, co robi silnik Hüttlin, pomyśl o nim jak o samodzielnym silniku spalinowym. Wyobraź sobie tylko moc wyjściową. To, gdzie ta energia trafi po opuszczeniu bloku, nie jest istotne dla zrozumienia samego mechanizmu. Mechanika jest już skomplikowana, nie ma potrzeby komplikować tego martwiąc się o skrzynię biegów.
Oto podstawowe wskaźniki. Obecny prototyp wytwarza około 104 koni mechanicznych. Ta liczba nie jest najważniejsza. Najważniejsze jest skalowalność. Dr Hüttlin twierdzi, że projekt ten można skalować do praktycznie każdego zapotrzebowania na moc spełnianego przez współczesną inżynierię samochodową. Chociaż obecne modele są chłodzone cieczą, architektura obsługuje również chłodzenie powietrzem.
To w prostocie konstrukcji ukryte są zalety wydajności.
Silnik ten zawiera około 60 komponentów. Przeciętny czterocylindrowy silnik tłokowy składa się z około 250 części. Mniej części oznacza mniej potencjalnych awarii oraz łatwiejszy montaż i produkcję. To zmniejszenie złożoności zwiększa sprawność cieplną do ponad 30 procent.
Pomyśl o tym wskaźniku.
Tradycyjne silniki spalinowe pracują ze sprawnością około 20 procent. Oznacza to, że 80 procent energii ze zbiornika paliwa jest tracone w postaci strat ciepła, hałasu i tarcia. W przypadku silnika Hüttlin marnuje się mniej niż 70 procent potencjalnej mocy. Mniej spalonego paliwa. Mniej emisji. Na pompie płacisz mniej, a planeta oddycha trochę łatwiej.
Ale fizyka? Tutaj robi się ciekawie.
Wewnątrz srebrnej kuli
Dr Hüttlin nazywa ruch „kinematyką 3D”. Spala benzynę. Posiada tłoki. Ale po tych dwóch faktach wkraczasz na niezbadane terytorium.
Spójrz na prototyp. To srebrna aluminiowa kula, z której wystają rurki. Wygląda jak rekwizyt z Spaceship Earth w Epcot. Jak kula może zawierać komorę spalania?
Wewnątrz tej lekkiej kuli znajdują się kugels (kulki). Poruszają się po prowadnicach. Prowadnice te znajdują się wewnątrz dwóch tłoków na jednym łożysku. Tłoki te znajdują się wewnątrz wirnika. Wirnik ten obraca się wewnątrz zewnętrznej aluminiowej powłoki.
Kiedy wirnik się obraca, tłoki pracują w przeciwfazie. Kugle ślizgają się po prowadnicach. Ten ruch ślizgowy obraca wirnik.
Brzmi jak zbiór mylących terminów. Tłok. Wirnik. Łożysko. Mają takie same nazwy jak części, które znasz, ale ich rola jest tutaj zupełnie inna. Nie dajcie się zwieść terminologii.
Przeniesienie mocy i synchronizacja
Cewki i magnesy wewnątrz kuli wytwarzają prąd. Energia ta przekazywana jest na zewnątrz powłoki do akumulatorów. To nie są podstawowe akumulatory trakcyjne. Pełnią funkcję tymczasowych magazynów energii. Wygładzają przekazywanie mocy do skrzyni biegów.
Stamtąd energia trafia do innego silnika. Silnik ten bezpośrednio napędza koła. Brak tradycyjnej transmisji. Brak wału napędowego. Innomot AG twierdzi, że ten bezpośredni układ napędowy jest znacznie wydajniejszy niż przenoszenie mocy przez skrzynię biegów.
Dr Hüttlin spędził dziesięciolecia na doskonaleniu tej koncepcji. Patenty zgłoszono w grudniu 2010 r., poszerzając portfel obejmujący ponad 150 patentów. Innomot AG planuje udzielić licencji na tę technologię. Oznacza to, że prawdopodobnie nie zobaczysz jutro samochodu napędzanego silnikiem Hüttlin na wystawie samochodowej.
Oczekuje się, że pojazdy produkcyjne pojawią się w ciągu dwóch do pięciu lat. Technologia jest gotowa. Baza inżynieryjna jest niezawodna. Pytanie brzmi, czy jakikolwiek duży producent zaryzykowałby umieszczenie w komorze silnika srebrnej kulki, która zaprzecza wszelkim intuicyjnym założeniom dotyczącym działania silnika.
Zobaczmy.
