12 технологии, които ще променят автомобилите

За последните 130 години двигателите не са се променили много. Все още разчитаме основно на двигателя с вътрешно горене, който използва хидровъглеродно гориво за създаването на контролирани експлозии, задвижващи бутала и колянов вал. Досега всичко това се е доказало като практично, достъпно и ефективно решение, което буквално движи света напред. В бъдеще обаче се очакват някои промени. Ето някои от тях.

48-волтова електрическа инсталация

Една от ключовите технологии, които ще помогнат на двигателя с вътрешно горене да стане по-ефективен, е 48-волтовата електрическа система. Повечето модерни двигатели задвижват алтернатора, водната помпа, маслената помпа и климатичния компресор с помощта на ремък или директно, което означава, че периферните компоненти работят перманентно. Стандартната 12-волтова електрическа система има максимална мощност от 2 до 3 кВ електроенергия. Проблемът е, че цялата електроника, с която днешните автомобили са натъпкани, се нуждае от много ток. Ситуацията допълнително ще се влоши с навлизането на автономните системи, които ще наложат използването на 48-волтова инсталация, способна да генерира 10 кВ електроенергия.

48-волтова задвижваща система: “умерен хибрид”

Ранните инженерни опити с т.нар. “умерени хибриди”, основно от General Motors, не бяха приети особено радушно от потенциалните клиенти. С комбинирането на по-нисковолтови батерии и по-слаби мотори от тези, които Toyota вгражда в Prius, например, новите системи не са толкова ефективни, а цената им е почти същата. Сега инженерите очакват появата на по-развити 48-волтови задвижващи системи, които ще променят изцяло класа на “умерените хибриди”. Очаква се те да бъдат със 70% по-ефективни спрямо хибридната система на Toyota и да струват 30% от нейната стойност.

Напредничава система за деактивиране на цилиндрите

В наши дни все повече автомобили разполагат със система за деактивиране на част от цилиндрите на двигателя, която понижава разхода на гориво и повишава ефективността. В близко бъдеще се очаква системите да продължат своето развитие и да се сдобият с допълнителни сензори и по-прецизни алгоритми за управление, което допълнително ще увеличи ползите от употребата им.

Хибриди с горивна клетка

В последните две десетилетия анализатори твърдят, че технологията за задвижване с водородна горивна клетка ще излезе на масовия пазар в рамките на 10 години. Факт е, че вече на пазара има няколко модела, използващи такава система, но също така е факт, че масовото навлизане на пазара все още не се е случило. Засега технологията е скъпа, а инфраструктурата за зареждане е неразвита. Едно потенциално решение на проблема бе представено от Ford преди близо 10 години с концепта Airstream, който използва plug-in хибридна система заедно с водородната горивна клетка, постигайки по-добър баланс между практичност и цена. Предизвикателството се крие в това, че горивните клетки са най-ефективни, когато разгръщат постоянен поток от мощност. Те се нуждаят от батерия или кондензатор, който да играе ролята на буфер и да поеме изискванията на ежедневното шофиране. Използването на горивна клетка като средство за увеличаване на максималния пробег, потенциално може да доведе до по-висока ефективност при нула вредни емисии. Това изглежда е известно на Mercedes-Benz, които наскоро обявиха, че през 2017 г. ще представят plug-in версия на кросоувъра GLC с горивна клетка. Моделът ще се казва GLC F-Cell.

Съвместими резервоари за съхраняване на водород

Освен високата цена на горивните клетки и липсата на инфраструктура за зареждането им, другият основен проблем при технологията е съхраняването на водородното гориво. Досега автомобилите с горивна клетка имаха обемисти бутилки, издържащи налягане от 670 бара. От няколко години американската Агенция за напредничави енергийни разработки финансира нови проекти за съвместими системи за съхранения на компресиран природен газ. Една от тях може да бъде адаптирана за съхранение на водород. тя е разработена от стартъп компанията Volute и се състои от серия малки бутилки, свързани помежду си и опаковани една върху друга. По този начин инженерите постигат по-компактни размери, отколкото ако ползват един или два големи резервоара, което пък прави системата по-практична за вграждане в малки коли и в необичайни пространства.

Силициево-анодни батерии

Електрическите автомобили с батерии са почти толкова стари, колкото автомобила като цяло. За съжаление, дори с технологичния скок от последните десетилетия, енергийната наситеност в батериите отстъпва в сравнение с течните фосилни горива. Така например, тежащата 435 кг 60-киловатчасова батерия на бъдещия Chevrolet Bolt, съхранява същото количество енергия, колкото едва 6.8 литра бензин. Инженерите и учените не се отказват да търсят решение, като в последно време най-удачното такова се свързва със силициевите аноди в батерията. Силицият може да абсорбира много повече електрони, отколкото никелът, магнезият и кобалтът, използвани в сегашните акумулатори. За съжаление обаче, поемането на всички тези заредени частици, кара електродът да се подува, което означава, че в чистия си вид силициевите аноди са неподходящи за използване в автомобил. Така или иначе, компании като Nissan разработват разновидности на силиция, които могат да увеличат капацитета на сегашните батерии с от 10 до 40% в следващите 5 до 10 години.

Двигатели без разпределителни валове

За да преобразува топлинната енергия в механична работа, двигателят трябва да може ефективно да захранва с гориво и кислород цилиндрите, а след това да изхвърля отработените газове. Така или иначе, оптималния момент, в който всмукателните и изпускателните клапани трябва да бъдат отворени, зависи основно от оборотите и товара на двигателя. Модерните системи за променливо газоразпределение подобряват значително процеса, но все още има известни ограничения, наложени от класическите разпределителни валове. Инженерите работят усилено, за да се отърват именно от тях. В идеалния случай, всеки клапан ще се управлява от индивидуален актуатор, което ще позволи на инженерите да постигат оптимално пълнене/чистене на всеки индивидуален цилиндър. Според предварителните прогнози първите такива двигатели могат да се появят след няколко години.

Турбинни plug-in хибриди

Сегашните батерии имат сериозен потенциал в задвижващите електрически системи на автомобили и лекотоварни машини. Когато стане въпрос за по-големи камиони обаче, батериите са твърде големи и тежки, за да бъдат практични. Те биха увеличили значително теглото на тежкотоварната машина, а зареждането им би отнело цяла вечност. Компанията Wrightspeed има решение на въпроса, тъй като в последно време се занимава с оптимизирана plug-in хибридна система за камиони. Според информацията тя е способна да осигури достатъчно енергия за изминаването на 50 километра с едно зареждане, а когато това се случи, на помощ идва турбина, която зарежда батериите и увеличава пробега.

Електрически компресори

Турбокомпресорите са познати на автомобилната индустрия от десетилетия, но едва в последните години получиха сериозно освежаване под формата на системи за директно впръскване и електронно управление. Въпреки това, базовите физични закони са същите, което води до поредното ограничение. Ето защо, турбо моторите винаги ще страдат от т.нар. “турбо дупка”, която инженерите всячески се опитват да избегнат. Едно от решенията е турбината да се задвижва от електромотор, а не от отработените газове на двигателя с вътрешно горене. Тогава тя ще може да доставя необходимото налягане в точно определено време, без да зависи от външни фактори. Audi SQ7 TDI е първият сериен автомобил с електрически компресор, а в идните години очакваме още много като него.

Солидни батерии

Очаква се солидните батерии (Solid State Battery) да изместят сегашните акумулатори, които имат много ниска енергийна плътност, а електролитът в тях създава много ограничения. Освен че не е най-добрият възможен проводник, той се възпламенява лесно, което би могло да компрометира сигурността. Електроните в солидните батерии се движат по-бързо, а деградирането при тях е на практика несъществуващо. Освен това, те имат по-дълъг живот, по-ниска цена и по-голяма енергийна плътност.

Двигатели с хомогенен заряд (HCCI)

В преследването на по-висока ефективност и по-ниски нива на вредни емисии, изследователите изпробват нови технологии за вътрешно запалване, комбиниращи характеристикити на цикъла на Ото и този на дизеловите двигатели. Този принцип е известен като Homogeneous Charge Compression Ignition, като най-общо казано не използва свещ за запалването на сместта, подобно на дизеловите мотори, а разчита на топлинната енергия на гориво-въздушната смес при сгъстяване. Тестовете показват, че HCCI двигателите могат да бъдат до 15% по-ефективни от стандартните бензинови мотори, при това без сложните и скъпи системи за пречистване на отработените газове, които са характерни за дизелите. За пръв път такива двигатели показаха концерните General Motors и Daimler преди повече от 6 години, но работата по уточняването им продължава все още.

Променлива степен на сгъстяване

Когато един двигател трябва да произведе максимален въртящ момент, инженерите разчитат на възможно най-висока степен на сгъстяване. За съжаление, максималната мощност е нужна сравнително рядко в ежедневието, така че по-високата степен на сгъстяване при ниско натоварване само намалява ефективността. Решението е да се разработи система за променлива степен на сгъстяване, за да се комбинира най-доброто от двата свята. При ранните опити за разработка на такава система, инженерите използваха сложни механични системи, за да настроят движението на буталото спрямо коляновия вал. Звучи логично, но всичко това добавя килограми и увеличава триенето, а по този начин неутрализира ползите по отношение на разхода на гориво и представянето на колата. Тестовете обаче продължават, така че се очаква това да се промени.