ガソリンエンジンは電気自動車の未来でどのように生き残れるか

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内燃機関がすぐに完全になくなるわけではありません。 特定の輸送タスクや動作環境では、バッテリーや水素を動力源とする電気推進には適していません。 150 年にわたる研究開発により、内燃機関の効率は大幅に向上しました。エンジニアたちは、有害な排出物をさらに減らしながら、燃料分子からさらに多くの仕事を引き出すことを約束する追加のトリックをたくさん用意しています。 ここでは、私たちが注目しているほんの一部を、複雑さと実装コストの順にリストします。

15:1 以上の圧縮で動作するようにエンジンを設計できるだけで、熱力学的効率と出力密度が大幅に向上し、エンジンのさらなる小型化が可能になります。 それには高オクタン価の燃料が必要であり、リサーチオクタン価 (RON) 98 がスイートスポットを表し、それを超えると燃料の生産/精製により多くのエネルギーが消費され、油井からホイールまでのエネルギー/CO2 のメリットが減少します。

エンジンは、400 分の 1 マイルでの加速やデービス ダムまでの大型トレーラーの牽引など、最悪のシナリオに対応できるサイズになっています。 気筒休止は、いくつかの気筒がデービスダムで激しく動作し、他の気筒は何もしないようにすることで、それほど極端ではない運転状況での効率を向上させます。 ダイナミック フューエル マネジメントは、GM の 5.3 リッターおよび 6.2 リッター V-8 エンジンの一部またはすべてのシリンダーを停止し、EPA の燃費を 12% 近く向上させることができます。 Tula TechnologiesとEatonは現在、長距離ディーゼルエンジン向けに同様のシステムを提案している。このシステムでは、触媒の点火を維持するために必要な排気温度を維持することで、燃料効率の見返りが小さい（1.5～4.0パーセント）ことで莫大なNOx配当が得られる。

エンジンの出力は吸入できる空気の量によって制限されるため、クランクシャフトを動力とするスーパーチャージャーと排気を動力とするターボチャージャーが 1 世紀以上前に開発されました。 回収されたエネルギーを使用する電動スーパーチャージャーは、特にボルボ ドライブ E およびメルセデス M256 エンジンに電力を供給します。 ターボチャージャーにモーター/ジェネレーターを追加すると、出力の遅れが解消され、巡航中のエネルギーハーベスティングが可能になります。 クランク式スーパーチャージャーの 2 つの興味深い例は、CVT を採用して需要に合わせて速度を素早く調整する Torotrak V-Charge 遠心ブロワーと、空気の需要に合わせて開閉する窓を備えた Hansen Engine Corp の Lysholm 型ブロワーです。損失を最小限に抑えながら圧力を高め、スーパーチャージャーの応答性を備えたターボ効率を実現します。

燃料が燃焼するには時間がかかるため、従来の点火プラグはピストンがすでに上向きに移動しているときに点火し、初期燃焼が逆効果になります。 より多くの混合気を同時に点火する方式は、主にダウンストロークでの燃焼を可能にする高速燃焼を約束します。 フォードは燃焼室内の複数点を点火する近赤外線レーザーを開発したが、コストと信頼性には依然として問題がある。 Transient Plasma のドロップイン スパーク プラグ交換品は、低温プラズマのシートを噴射し、超希薄混合気を迅速かつ低温で点火し、燃費を 10 ～ 15% 向上させ、NOx を劇的に削減します。 マセラティの新しい予室ツイン燃焼システムでさえ、点火促進装置として機能します。

このケーキを食べて食べるコンセプトは、節約した軽いスロットルクルージングでは高圧縮を約束し、ターボがブーストをかけている場合は低圧縮を約束します。 日産のルーブ・ゴールドバーグ複合コネクティングロッドギズモはエンジンのストロークを変化させ、圧縮を8:1から14:1の間で無限に変化させます。 私たちは日産/インフィニティの VC ターボのパフォーマンスと燃費に圧倒されており、FEV の偏心コンロッドの方がシンプルでうまく機能するのではないかと考えています。 クランクシャフトを介して供給される油圧がピストンエンドの偏心ベアリングを回転させ、ストロークをより狭い範囲、たとえば 8:1 から 12:1 まで変化させ、燃料消費量の 5% の低下を約束します。

ガソリン排出量を考慮したディーゼルの効率！ これは、圧縮によって希薄ガソリン混合物を自然発火させようとする HCCI の二項対立の約束です。 GM、メルセデス、ヒュンダイはいずれも有望な HCCI プログラムを持っていましたが、HCCI を量産化したのはマツダだけです。 ある意味。 SkyactivX は点火プラグを使用することがありますが、北米での販売には依然として高すぎると考えられています。 ノーチラス エンジニアリングは、メイン ピストンの上部に小さなピストンを配置し、ストロークの上部で独自の小さな高圧縮シリンダーに入り、圧縮点火を開始する HCCI コンセプトを提案しました。 ただし、同社が OEM 契約を締結しているかどうかは知りません。

内燃機関は多量の熱と振動を発生します。 なぜそれを蒸気パワーや熱電エネルギー、圧電エネルギーの生成に使用しないのでしょうか? BMW が提案したターボスチーマー システムや他の多くのシステムは、コストと重量の理由から放棄されました。 ソリッドステート熱電発電機は、通常は排気コンポーネントからの熱を直接電気に変換することを約束します。 （生産の実現可能性は、必要な材料の効率が現在の約5パーセントのレベルから改善されるのを待っている。）そしてデューク大学の研究者らは、電圧で膨張する圧電結晶のようなものを使用して、直接燃料噴射装置を作動させ、振動下で電力を生成することを提案している。

根本的に新しいエンジン設計は、産業上の巨大な慣性に直面します。 それにもかかわらず、いくつかの「より優れたネズミ捕り」は、独自の効果を維持しているようです。 Achates Power は最近、陸軍からさらに 500 万ドルの助成金を受け取り、3 気筒、6 対向ピストン、ツイン クランクシャフト、2 ストローク エンジン (上図) の開発を継続しています。 275 馬力と 811 lb-ft を発生する 4.9 リッターのスーパーターボチャージャー付きプロトタイプでは、その効率はフォード F シリーズの 6.7 リッター パワー ストローク ターボディーゼルを 20% 上回ったと伝えられています。 Scuderi と Primavis は、吸気/圧縮サイクルと燃焼/排気サイクルを別々のシリンダーで実行し、それぞれが異なるタスク向けに設計されたスプリットサイクル エンジンを提案しました。 これにより温度が下がります。 Scuderi は投資家との法的トラブルに遭遇し、Primavis はその小さな 2 ストローク エンジンを主に航続距離延長装置として構想しており、どちらも最近はあまりニュースになっていませんが、基礎となる科学は健全であるようです。 LiquidPiston X-1 コンセプトは「裏返しのワンケル」ロータリー エンジンで、3 つの燃焼室を備えた漠然とした三角形のハウジング内を揺動するヴァンケルのハウジングのような形状のローターを備えています。 オイルシールを固定ハウジングに取り付けることで潤滑が容易になります。 レンジエクステンダーとして現在も開発が続けられています。 さらに、アストロン・エアロスペース社の回転内燃タービンのコンセプトのように、スプリットサイクル動作、HCCI、超長膨張サイクル、その他の優れたアイデアを組み合わせた、より大きな設計の飛躍もあります。 また、現在も開発が活発に行われており、驚異的なパワー、トルク、効率性を実現しています。

バイオ燃料: グリーン エネルギーを使用して大気中から CO2 を取り出した植物から燃料を作ることは、理論的には私たちの「温室」に新たな CO2 を追加することはありません。 しかし、トウモロコシから作られた純粋なエタノールで走行することは、通常はカウントされません。トウモロコシが栽培されていた土地は、通常、トウモロコシが燃料になったり、高果糖コーンシロップになったりしても、同量の CO2 を変換しているため、正味の炭素削減は主張できません。 。 トウモロコシの茎、ススキ、またはこれまで何も栽培/収穫されたことのない場所、または栽培/収穫できなかった場所に植えられた新しい作物などのセルロース系原料から作られたバイオ燃料は重要であり、セルロース系材料やゴミさえもエタノール、メタノール、またはブタノールに変換するための多数のプロセスが存在します。 。 藻類からバイオディーゼルへのプロセスもいくつか確認されています。 悲しいことに、それらはすべて安価なガソリンと競争するには高すぎます。

直接炭素回収: 空気から CO2 を取り出し、それを水素化して炭化水素燃料を形成するいくつかのスキームが提案されています。 プロメテウス・フューエルズはCO2からガソリンを製造する計画を立てており、アウディとサンファイアの提携では、グリーン電力を使用してCO2からの炭素と水からの水素を結合させて生成される「ブルー原油」からディーゼルを製造する計画を立てている。 カナダのブリティッシュコロンビア州にあるカーボン・エンジニアリング社は、2022年までに商業規模の生産を計画している。そしてリアクトウェルLLCは、CO2を直接エタノールに変換するオークリッジ国立研究所のプロセスと、それを精製可能なバイオ原油にアップコンバートする独自のプロセスを組み合わせたいと考えている。さまざまな炭化水素燃料。