Hur Grail Engine fungerar

Grailmotorn. Se fler bilder på motorer. Med tillstånd av Grail Engine Technologies

Tänk om du fick höra att din bil någon dag skulle kunna ha en encylindrig motor under sin huva som har 100 hästkrafter, får 100 mil per gallon (42,5 kilometer per liter) och kan köra 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 ett slags långtgående koncept som fortfarande är decennier borta från verkligheten.

Inte så, enligt Matthew Riley, VD och forskningschef vid Kansas-baserade Grail Engine Technologies. Han säger att hans företags tvåtakts Grail Engine kan vara 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 kan skryta med 30 procent bättre bränsleekonomi jämfört med nuvarande motorer, och det är flexibelt vad bränslet den kör på. Det har ett brett utbud av möjliga applikationer, sade han. Det har inte heller de problem med föroreningar och tillförlitlighet som de flesta andra tvåtaktsmotorer har sett.

"Det kommer att förändra hur saker fungerar," sade 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 tvåtak eftersom de är bättre."

Vad gör Grail Engine så fantastisk? Intressant nog förlitar det sig inte på en enda banbrytande teknik för att få jobbet gjort. Motorn tar en mängd olika aktuella, banbrytande motorteknologier och sätter ihop dem alla i ett paket. "Det är allt beprövad teknologi som har använts tidigare", sade Riley.

I huvudsak är det en mycket högteknologisk tvåtaktsmotor som använder tvingad induktion, direktinsprutning och annan teknik för imponerande kraft och effektivitet. Det är också en pionjär inom vad företaget kallar "semi-homogen laddad kompressionständning." Vi täcker vad allt detta betyder på lite.

I den här artikeln kommer vi att lära oss allt om hur Grail Engine fungerar och utforska hur den kan tas i bruk inom en mycket nära framtid.

Innehåll

1. Det grundläggande
2. Grail Engine Design
3. Grailmotorfunktioner
4. Fördelarna med gralmotorer
5. Grail Engine Applications
6. Författarens anmärkning

Innan vi lär oss om Grail Engine, låt oss först definiera några av koncepten bakom den så att vi fullt ut kan förstå hur det fungerar.

Tvåtaktsmotor: Till skillnad från de flesta moderna bil- och motorcykelmotorer är Grail Engine en tvåtaktsmotor. I fordon är det vanligare att hitta fyrtaktsmotorer. Här är vad det betyder: På en fyrtaktsmotor finns det fyra faser i förbränningsprocessen som får ett fordon att röra sig - intag av luft och bränsle, komprimering av dessa ingredienser, tändning av luft och bränsle som tvingar kolven ner och frigöringen av avgasen.

En tvåtaktsmotor slutför dock samma process på bara två steg. Insugnings- och avgasstegen kombineras tillsammans, liksom kompressions- och antändningsstegen. Tvåtaktsmotorer är lättare och kraftfullare; men de är inte lika bränsleeffektiva, de tenderar att gå sönder ofta och de producerar också mycket avgaser eftersom olja och bränsle blandas samman under förbränningsprocessen. Därför används tvåtaktsmotorer vanligtvis endast i små fritidsfordon och trädgårdsutrustning.

Direkt injektion: DI är det heta nya barnet på kvarteret när det gäller motorteknologier. Det har blivit ett vanligt inslag på prestandamotorer, och det börjar hitta sin väg till fler och fler vardagliga bilar också. På en DI-motor sprutas bränsle direkt in i förbränningskammaren snarare än att blandas med luften i en separat grenrör. Detta låter luft / bränsleblandningen brinna jämnare och effektivare, vilket resulterar i ökad kraft och bättre ekonomi.

Tvungen induktion: Även om du aldrig har hört talas om tvingad induktion, har du troligtvis hört talas om superladdare eller turboladdare. Båda gör i huvudsak samma jobb: de tvingar mer luft in i motorn så att den brinner varmare och hårdare och ger mer kraft. Grail Engine använder en unik typ av tvingad induktion (som vi kommer in på bara lite).

Tvingad semi-homogen laddad kompressionständning: Också känd som FS-HCCI, detta är en teknik som tillverkare har jagat efter i flera år, sade Riley. Denna process komprimerar luft och bränsle till den punkt där de nästan förbränner på egen hand utan gnisttändning (liknande hur en dieselmotor fungerar). Och när luft / bränsleblandningen antänds bränner allt bränsle i kammaren samtidigt, vilket ger mycket bättre effektivitet. Det betyder mer kraft och bättre bränsleekonomi [källa: Green Car Congress].

Grailmotorn med tillstånd av Grail Engine Technologies

Med bara 500 kubikcentimeter är Grail Engine ganska liten - ungefär en fjärdedel av storleken på motorn på en typisk ekonomibil.

Vid första anblicken ser företagets prototyp ut som en vanlig tvåtaktsmotor tills du märker att den stora, uppåtvända insugningsventilen kommer från mitten av kolven. Det har en viktig funktion som vi kommer att utforska lite om - Grail Engine använder mycket mer lufttryck än en vanlig förbränningsmotor. Motorn består av:

• En cylinder och en kolv
• En enda avgasventil överst på cylindern som släpper ut avgaser efter förbränningsprocessen är klar
• Tre tändstift, också på toppen av cylindern. Dessa skapar "gnistan" som driver tändning (De flesta bilmotorer har en tändstift per cylinder)
• En "förkomprimeringskammare" som innehåller en vassventil, en komponent som håller frisk luft att strömma in i motorn i en riktning (Reed-ventiler är en vanlig del på tvåtaktsmotorer)
• En enda inloppsventil, som drar in luft och bränsle, som finns inuti kolven
• Två ventil-till-kolv-portar och två kolv-intag-portar
• Ett litet vevhus som översätter kolvrörelse till hjulrörelse

[Källa: Grail Engine Technologies]

Grailmotorn med tillstånd av 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 så 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 vassventil. Luft fyller sedan tre kammare - förkomprimeringskammaren, ventil-till-kolvportarna och kolvintag-portarna.

När kolven når toppen av sin färdväg uppstår tändning tack vare de tre tändstifterna. Detta tvingar kolven nedåt, vilket komprimerar luften som är instängd i vevhuset upp till denna punkt.

När kolven når bottenens döda centrum öppnar avgasventilen och avgas evakuerar cylindern när tryckluft kommer in i förbränningskammaren via ventilations-till-kolven och kolvintag-portarna, som angivits ovan genom en envägsventil belägen i kolven.

Komprimerad frisk luft virvlar uppåt på ett virvelliknande sätt, evakuerar avgascylindern och fyller på cylindern med frisk luft. När avgasventilen stängs, injiceras bränsle direkt och blandas i kammaren. Blandningen av luft och bränsle komprimeras och antänds av de tre tändstifterna, vilket skapar en explosion som skjuter ner kolven och skapar rörelse för nästa cykel.

Verkar ganska enkelt, eller hur? Sammantaget verkar Grail Engine mycket lik en vanlig tvåtaktsmotor, förutom att tryckluft spelar en mycket större roll här. Men det finns några unika faktorer på jobbet här också. För det första säger Riley att virvelblandningen av tryckluft och bränsle är den mest effektiva luft / bränsleförstoftningsblandningen som kan erhållas för optimal förbränning. Dessutom säger han att ingen annan motor har en design med tvingad induktion av tryckluft som kommer in i förbränningskammaren samtidigt som luftkylning av kolvens övre del för att sänka utsläppen.

Slutligen skapar de tre tändstifterna en snabb uppblåsning av explosioner, som hjälper till att generera "tvingad semi-homogen laddad kompressionständning" eller FS-HCCI. Denna process komprimerar luft och bränsle till den punkt där de nästan förbränner på egen hand (utan gnista). Och när de förbränns, förbränner allt återstående bränsle i kammaren samtidigt - samtidigt - vilket ger mycket bättre effektivitet. Detta resulterar i mer kraft och bättre bränsleekonomi [källor: Green Car Congress, Wojdyla].

Grailmotorn med tillstånd av Grail Engine Technologies

Så Grail Engine har en mycket effektiv form av förbränning. Det är lätt, billigt och producerar mycket kraft för sin storlek. Som vi sa tidigare kan 500 cc-prototypen producera 100 hästkrafter och samtidigt få 100 mil per gallon (42,5 kilometer per liter). Men vad kan det annars göra?

Riley sa att Grail Engine eliminerar många av de nackdelar som normalt sett på en typisk tvåtaktsmotor. För det första blandas aldrig olja och bränsle här, så det har inte ett rökproblem. Det är också väldigt tyst och låg på vibrationer, sade han.

Eftersom motorn har färsk, komprimerad luft som rör sig genom den hela tiden har den inga problem att hålla sig sval. Förmågan att hålla förbränningskammaren enhetligt sval är det som hjälper till att göra FS-HCCI möjligt, sade Riley. Detta ökar den termiska effektiviteten och minskar kväveoxidutsläppen. Dessutom är det inte bara begränsat till en enda cylinder. Grail Engine är modulär i designen, så flera kan strängas samman för att skapa en flercylindrig motor [källa: Wojdyla].

Men som Riley gillar att säga: "Vänta - det blir bättre." Grail Engine är konstruerad för att fungera 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 inbyggd dator kan justera sitt kompressionsförhållande i farten och justera motorn därefter när föraren vill använda ett annat bränsle.

Dessutom förhindrar dess design kontaminering av väte som för närvarande ses på bränslecellbilar, vilket gör den typen av bränsle mer genomförbar än någonsin. "Detta sätter bränsleceller i ett helt nytt ljus," sade 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? Tja, nästan var som helst, sa Riley.

"Det kan tillämpas på alla livsområden, från bilar till flygplan och fritids- och industrimotorer," sade 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 den göra en perfekt helikoptermotor, sade han.

Medan den nuvarande prototypen Grail Engine är 500 kubikcentimeter, arbetar forskarna på större modeller, inklusive 1 000 cc och 2,5-litersmotorer.

Dessutom säger Riley att han och hans anställda motiveras av en önskan att göra världen till en bättre plats, inte att bli rik. 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 göra någon av verksamheten," sade Riley. "Vi vill hjälpa människor. Vi vill förändra världen till bättre."

Jag kunde inte låta bli att bli imponerad av Grail Engine Technologies design. Det är verkligen 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 i en tvåtaktsmotor utan föroreningar och med bättre bränsleekonomi än de flesta nuvarande motorer. Det är intressant att företaget verkar ha "gröna" motivationer, snarare än att bara vara vinstdrivna. Vi kanske kommer att se en Grail Engine-bil någon gång snart - den låter inte för långt för mig.

relaterade artiklar

• 5 Nya gasmotorteknologier
• 5 alternativa bränsleidéer som aldrig gjorde det ur labbet
• Hur bilmotorer fungerar
• Hur dieselmotorer fungerar
• Hur hybridbilar fungerar
• Så fungerar direktinjektionsmotorer
• Hur tvåtaktsmotorer fungerar

källor

• Grail Engine Technologies. "Grail Engine." (14 februari 2012) http://www.grailengine.com/index.php
• Green Car Congress. "Grail Engine antar Enerpulse-pulsproppar för tvungen halvhomogen laddad kompressionständning i koncept med tvåtaktsmotor." 8 september 2009. (14 februari 2012) http://www.greencarcongress.com/2009/09/grail-20090908.html
• Riley, Matthew. VD för Grail Engine Technologies. Personlig intervju. Genomförd 13 februari 2012.
• Wojdyla, Ben. "Grail Engine." Populär mekanik. (15 februari 2012) http://www.popularmechanics.com/cars/news/fuel-economy/6-prototype-engines-to-get-your-brain-firing-grail-engine#slide-2