Mazdas fem decennier långa, i stort sett meningslösa ansträngningar på uppdrag av rotationsmotorn visar hur svårt det är att lossa den konventionella kolvmotorn. Ändå fortsätter nya koncept att dyka upp, särskilt med tanke på branschens obevekliga strävan efter effektivitet. De flesta av dessa gör det aldrig förbi designen—eller till och med krita—scenen. Men här är en design som är väl i utveckling och visar stort löfte.

det är Achates motsatt kolv (OP) motor, en prototyp som visades i en Ford F-150 pickup på 2018 Detroit auto show. Den motorn hade tre långa cylindrar i rad, med en vevaxel under och en annan ovanför cylinderraden. Ett par motsatta kolvar fram och tillbaka i varje cylinder, var och en ansluten till sin egen vevaxel.

hur det fungerar

motorn är en kolvport tvåtakts, vilket innebär att den inte har några ventiler. Istället öppnas portar i cylindrarnas väggar när kolvarna är längst ner i sina slag. De nedre portarna är intagen och överdelarna är avgaserna, och avgaserna leder intaget med cirka 10 grader för att säkerställa att avgaserna öppnas först. När båda är öppna blåser en kompressor frisk luft in i cylindern i ena änden för att tvinga avgaserna ut den andra änden. Sedan börjar kolvarna röra sig mot varandra, täcker båda portarna och komprimerar luften. Bränsle injiceras direkt i cylindern när kolvarna nära slutet av sin resa. Således finns det inga inlopps-och avgaslag som i en konventionell fyrtaktsmotor—endast kompressions-och effektslag. Det är förmodligen lättare att förstå genom att titta på den här animationen, som tillhandahålls av tillverkaren.

den grundläggande layouten för Achates-motorn har funnits under en tid. Den tyska Luftwaffe började använda liknande Junkers Jumo motsatta kolvdieslar i stora flygplan 1932. En större Fairbanks-Morse motsatt kolvdiesel drivs de flesta amerikanska marinens ubåtar under andra världskriget och ger fortfarande reservkraft på moderna kärnkraftsuber.

Making an Old Idea New

Achates har tagit denna grundläggande design och förbättrat förbränningsegenskaperna, samtidigt som det ger möjlighet att skräddarsy motorns drift för att matcha olika förhållanden och bränslen. Mycket av utvecklingen har fokuserat på dieselversioner, men företaget arbetar också med bensinversioner utan tändstift—konceptet HCCI (Homogenic Charge Compression Ignition) som många utvecklar men ingen har perfekterat.

teorin föreslår att en motsatt kolvmotor har en effektivitetsfördel eftersom det inte finns några cylinderhuvuden går mindre värme förlorad för kylsystemet. Tänk på en konventionell förbränningskammare där ytorna består av en kolvkrona, en kort cylindrisk omkrets och ett cylinderhuvud. I OP-designen kommer varje par cylindrar ihop, så huvuden elimineras.dessutom, eftersom varje kolvs förbränningskammare ansluter till en annan, är den resulterande kammaren tjockare och mindre som en tunn skiva. Achates ökar denna fördel genom att använda en stroke så mycket som 1,3 gånger så länge som hålet. Achates formar Försiktigt kolvkronorna för att ge virvel och tumla till insugningsladdningen för att främja snabb och stabil förbränning.

två motsatta direktinsprutare-var och en levererar flera noggrant tidsbestämda sprutor-uppnår en grundlig fördelning av bränsle för att bränna det mesta av luften och för att begränsa partikelbildning. Ett kompressionsförhållande på cirka 18,0:1 för bensinkompressionständning (GCI)-versionen och lite mindre för diesel säkerställer ett bra expansionsförhållande för att extrahera maximal mekanisk energi från varje förbränningshändelse.

överlägsen rensning är nyckeln

den hemliga såsen för att göra detta arbete är förmågan att styra rensningen i motorn. Superladdaren, som ger lågtrycksluft för att rensa cylindrarna, har en tvåhastighetsdrift och kan också kringgås. Denna flexibilitet gör att cylindern kan vara mindre än helt rensad under vissa förhållanden. Till exempel, under en kallstart, lämnar partiell rensning massor av förbränningsprodukter från föregående cykel (intern avgasåtercirkulation ) i cylindern. Det höjer förbränningstemperaturen och ger en varmare avgasström för att få katalysatorerna upp till driftstemperatur.

en sådan varmare förbränningsmiljö hjälper också förbränning vid låg varvtal och under lätta belastningar, vilket har varit ett problemområde för konventionella HCCI-motorer. Vid tomgång är till exempel den kvarhållna avgasen cirka 50 procent. Vid högre effektutgångar rensas cylindern mer fullständigt för att hålla toppförbränningstemperaturerna nere, vilket begränsar kväveoxidutsläppen (NOx). Även om motorn också har en turboladdare för att ta över från överladdaren vid högre belastningar och för att förbättra effektiviteten, fungerar motorn inte med mycket boosttryck. Istället låter tvåtaktsdesignen, med dubbelt så många kraftslag per varv, motorn matcha konventionell motoreffekt utan mycket boost, även när den minskas med 20 till 30 procent i förskjutning.

Även om det inte finns någon konventionell valvetrain i denna motor, liknar den totala friktionen en konventionell motor på grund av den andra vevaxeln, den robusta kugghjulet som förbinder de två vevarna och behovet av att driva överladdaren. Vikt är också ungefär jämförbar. Motorn är högre än en konventionell motor, men genom att luta den passar den vanligtvis under befintliga huvar.

effektivare än en Prius?

Achates hävdar att GCI-versionen av denna motor kommer att uppnå en toppeffektivitet på 44 procent. Det är bara 10 procent bättre än den 40 procent effektivitet som Atkinson-cykelmotorn hävdar i den nuvarande Toyota Prius, men Larry Fromm, Achates vice vd för affärsutveckling, säger att Achates-motorn levererar den effektiviteten över mycket bredare varvtal och belastning än Prius-motorn. Till exempel sägs Achates GCI-motorn i Ford F-150 uppnå 30 procent bättre bränsleekonomi på EPA-cykeln än Fords mest effektiva bensinmotor, 2,7-liters EcoBoost V-6. Det skulle innebära en kombinerad rating på cirka 29 mpg—eller 4 mpg högre än Fords 3.0-liters diesel V-6 i den bakre körversionen av den lastbilen.

Ford

tyvärr är det inte troligt att vi ser en Achates-motor under huven på bilen.

en bil eller lastbil i några år. Achates har inga planer på att bygga motorer själv men avser att licensiera sin teknik till etablerade tillverkare. Det har redan ett förhållande med Fairbanks-Morse, som använder Achates-tekniken på en 12-cylindrig, 24-kolv, 5000 HK, 95 000 pund stationär diesel som används för kraftproduktion. Fairbanks-Morse hävdar en termisk effektivitet på 50 procent.

Achates arbetar också med Cummins för att utveckla en 1000 hk motsatt kolvmotor för att driva stridsfordon för US Army. Fromm säger att företaget är i samtal med flera stora biltillverkare som är intresserade av GCI-versionen. Men med inget konkret ännu, och med de långa utvecklings-och testtiderna som nya motorer genomgår, kommer vi inte att se en Achates-motor på vägen på minst fem år.

fordonsapplikationer kan inkludera Plug-in hybrider

om du tror att elbilar då kommer att ha eliminerat behovet av förbränningsmotorer av något slag, tänk igen. Om motorns effektivitet realiseras i produktionen kan det vara enklare och billigare att uppnå federala bränsleekonomiska standarder 2025 med Achates-designen än genom att använda elektrifiering. Och, Fromm påpekar, motsatta kolvmotorer är i sig släta, så en encylindrig, tvåkolvsversion kan göra en idealisk räckviddsförlängare för en PHEV, särskilt eftersom den kan göras till ett platt paket som ligger under en bagage eller säte. Endast tiden kommer att visa om Achates har knäckt koden för motsatta kolvmotorer i bilar och lastbilar.