Wie die Grail Engine funktioniert

Der Gralsmotor. Weitere Bilder von Motoren. Mit freundlicher Genehmigung von Grail Engine Technologies

Was wäre, wenn Ihnen gesagt würde, dass Ihr Auto eines Tages einen Einzylindermotor unter der Motorhaube haben könnte, der 100 PS hat, 42,5 Kilometer pro Liter (100 Meilen pro Gallone) erreicht und mit jeder Art von Kraftstoff betrieben werden kann?

Die Chancen stehen gut, dass Sie wahrscheinlich denken, dass dies etwas aus einem Science-Fiction-Film ist oder dass es sich um ein weit entferntes Konzept handelt, das noch Jahrzehnte von der Realität entfernt ist.

Nicht so laut Matthew Riley, CEO und Chief Research Scientist bei Grail Engine Technologies in Kansas. Er sagt, dass der Zweitakt-Grail-Motor seines Unternehmens innerhalb von zwei bis fünf Jahren in den Autos der Verbraucher sein könnte. Im Februar 2012, nach dreijähriger Entwicklungszeit, stellte das Unternehmen seinen ersten funktionierenden Prototyp auf, und große Automobilunternehmen wie Honda und Ford haben bereits Interesse gezeigt.

Laut Riley könnte der Bau des Grail-Motors 50 Prozent billiger sein, während der Kraftstoffverbrauch gegenüber aktuellen Motoren um 30 Prozent gesenkt wird, und es ist flexibel, mit welchem ​​Kraftstoff er betrieben wird. Es hat eine Vielzahl von möglichen Anwendungen, sagte er. Es hat auch nicht die Verschmutzungs- und Zuverlässigkeitsprobleme, die bei den meisten anderen Zweitaktmotoren auftreten.

"Es wird die Art und Weise verändern, wie die Dinge funktionieren", sagte Riley, ein Wissenschaftler mit mehr als 20 Jahren Erfahrung in der Entwicklung experimenteller Motoren. "Die Idee kommt von dem Gedanken, dass es einen besseren Weg geben muss, um zwei Schläge zu machen, weil sie eine bessere Leistung erbringen."

Was macht die Grail Engine so erstaunlich? Interessanterweise ist keine einzige bahnbrechende Technologie erforderlich, um die Aufgabe zu erledigen. Der Motor nutzt eine Vielzahl aktueller, modernster Motorentechnologien und fasst sie alle in einem Paket zusammen. "Es ist alles bewährte Technologie, die in der Vergangenheit verwendet wurde", sagte Riley.

Im Wesentlichen handelt es sich um einen High-Tech-Zweitaktmotor, der Zwangsansaugung, Direkteinspritzung und andere Technologien für beeindruckende Leistung und Effizienz verwendet. Es ist auch ein Pionier in dem, was das Unternehmen "semi-homogen geladene Selbstzündung" nennt. Wir werden gleich darauf eingehen, was das alles bedeutet.

In diesem Artikel erfahren Sie alles über die Funktionsweise der Grail Engine und wie sie in naher Zukunft eingesetzt werden kann.

Inhalt

1. Die Grundlagen
2. Grail Engine Design
3. Grail Engine Funktionen
4. Vorteile von Grail Engines
5. Grail Engine-Anwendungen
6. Anmerkung des Verfassers

Bevor wir uns mit der Grail Engine vertraut machen, definieren wir zunächst einige der dahinter stehenden Konzepte, damit wir vollständig verstehen können, wie sie funktioniert.

Zweitaktmotor:: Im Gegensatz zu den meisten modernen Auto- und Motorradmotoren ist der Grail-Motor ein Zweitaktmotor. In Fahrzeugen ist es üblicher, Viertaktmotoren zu finden. Das bedeutet Folgendes: Bei einem Viertaktmotor besteht der Verbrennungsprozess aus vier Phasen, in denen sich ein Fahrzeug bewegt - der Ansaugung von Luft und Kraftstoff, die Verdichtung dieser Inhaltsstoffe, die Zündung von Luft und Kraftstoff, die die Kraft ausüben den Kolben nach unten und die Freisetzung von Abgas.

Ein Zweitaktmotor führt diesen Vorgang jedoch in nur zwei Schritten aus. Die Einlass- und Auslassschritte werden zusammen kombiniert, ebenso wie die Kompressions- und Zündschritte. Zweitaktmotoren sind leichter und leistungsstärker; Sie sind jedoch nicht so sparsam im Kraftstoffverbrauch, brechen häufiger ab und produzieren auch viel Abgas, da sich Öl und Kraftstoff während des Verbrennungsprozesses vermischen. Aus diesem Grund werden Zweitaktmotoren üblicherweise nur in kleinen Freizeitfahrzeugen und Gartengeräten eingesetzt.

Direkte Injektion:: DI ist das heiße neue Kind auf dem Block, wenn es um Motorentechnologien geht. Es ist ein allgemeines Merkmal von Leistungsmotoren geworden und findet zunehmend Eingang in immer mehr Alltagsautos. Bei einem DI-Motor wird Kraftstoff direkt in den Brennraum gesprüht, anstatt sich in einem separaten Verteiler mit der Luft zu vermischen. Dadurch kann das Luft / Kraftstoff-Gemisch gleichmäßiger und effizienter verbrennen, was zu einer höheren Leistung und einer besseren Wirtschaftlichkeit führt.

Erzwungene Induktion: Selbst wenn Sie noch nie von erzwungener Induktion gehört haben, haben Sie wahrscheinlich von Ladern oder Turboladern gehört. Beide erledigen im Wesentlichen die gleiche Aufgabe: Sie drücken mehr Luft in den Motor, damit dieser heißer und härter brennt und mehr Leistung erzeugt. Die Grail Engine verwendet eine einzigartige Art der erzwungenen Induktion (auf die wir gleich noch eingehen werden)..

Erzwungene semihomogene geladene Kompressionszündung: Auch als FS-HCCI bekannt, ist dies eine Technologie, nach der Autohersteller seit Jahren suchen, sagte Riley. Dieser Prozess komprimiert Luft und Kraftstoff bis zu einem Punkt, an dem sie ohne Funkenzündung fast von selbst verbrennen (ähnlich wie bei einem Dieselmotor). Und wenn sich das Luft / Kraftstoff-Gemisch entzündet, verbrennt der gesamte Kraftstoff in der Kammer gleichzeitig und liefert einen viel besseren Wirkungsgrad. Das bedeutet mehr Leistung und weniger Kraftstoffverbrauch [Quelle: Green Car Congress].

Die Grail Engine Mit freundlicher Genehmigung von Grail Engine Technologies

Mit nur 500 Kubikzentimetern ist der Grail-Motor recht klein - etwa ein Viertel der Motorgröße eines typischen Economy-Autos.

Auf den ersten Blick sieht der Prototyp des Unternehmens wie ein gewöhnlicher Zweitaktmotor aus, bis Sie das große, nach oben gerichtete Einlassventil bemerken, das sich aus der Mitte des Kolbens löst. Das hat eine wichtige Funktion, die wir gleich untersuchen werden - der Grail-Motor nutzt den Luftdruck viel stärker als ein normaler Verbrennungsmotor. Der Motor besteht aus:

• Ein Zylinder und ein Kolben
• Ein einzelnes Auslassventil oben am Zylinder, das nach Abschluss des Verbrennungsprozesses Abgase ablässt
• Drei Zündkerzen, ebenfalls oben am Zylinder. Diese erzeugen den "Funken", der die Zündung antreibt (die meisten Automotoren haben eine Zündkerze pro Zylinder).
• Eine "Vorkompressionskammer", in der sich ein Membranventil befindet, eine Komponente, die dafür sorgt, dass Frischluft in einer Richtung in den Motor strömt (Reedventile sind bei Zweitaktmotoren ein häufiger Bestandteil).
• Ein einziges Einlassventil, das Luft und Kraftstoff ansaugt, befindet sich im Kolben
• Zwei Entlüftungsöffnungen zum Kolben und zwei Kolbenansaugöffnungen
• Ein kleines Kurbelgehäuse, das die Kolbenbewegung in eine Radbewegung umwandelt

[Quelle: Grail Engine Technologies]

Die Grail Engine Mit freundlicher Genehmigung von Grail Engine Technologies

Wie jeder Verbrennungsmotor verbrennt der Grail-Motor Luft und Kraftstoff und nutzt die resultierende Explosion, um einen Kolben auf und ab zu drücken, um die Bewegung anzutreiben. Aber es ist die Art und Weise, wie der Grail-Motor es macht, die ihn so einzigartig macht.

Wenn sich der Kolben nach oben bewegt, wird darunter ein Vakuum erzeugt, das Frischluft durch ein Einweg-Membranventil ansaugt. Luft füllt dann drei Kammern - die Vorkompressionskammer, die Entlüftungsöffnungen zum Kolben und die Kolbenansaugöffnungen.

Wenn der Kolben die Spitze seines Fahrwegs erreicht, erfolgt die Zündung dank der drei Zündkerzen. Dadurch wird der Kolben nach unten gedrückt, wodurch die im Kurbelgehäuse eingeschlossene Luft bis zu diesem Punkt komprimiert wird.

Wenn der Kolben den unteren Totpunkt erreicht, öffnet sich das Auslassventil und der Auslass entlüftet den Zylinder, wenn Druckluft über die Entlüftung zum Kolben und die Kolbeneinlassöffnungen in die Brennkammer eintritt, wie oben über ein Einwegventil im Kolben angegeben.

Die komprimierte Frischluft wirbelt wirbelartig nach oben, evakuiert die Abgasflasche und füllt die Flasche mit Frischluft auf. Sobald das Auslassventil schließt, wird Kraftstoff direkt in die Kammer eingespritzt und gemischt. Das Gemisch aus Luft und Kraftstoff wird von den drei Zündkerzen komprimiert und gezündet. Dadurch entsteht eine Explosion, die den Kolben nach unten drückt und Bewegung für den nächsten Zyklus erzeugt.

Scheint ziemlich einfach, oder? Insgesamt sieht der Grail-Motor einem gewöhnlichen Zweitaktmotor sehr ähnlich, außer dass hier Druckluft eine viel größere Rolle spielt. Aber auch hier spielen einige einzigartige Faktoren eine Rolle. Zum einen sagt Riley, dass die Wirbelmischung von Druckluft und Kraftstoff das effizienteste Luft / Kraftstoff-Zerstäubungsgemisch ist, das für eine optimale Verbrennung erhalten werden kann. Darüber hinaus habe kein anderer Motor eine Konstruktion mit erzwungener Ansaugung von Druckluft, die in den Brennraum gelangt, während gleichzeitig die Oberseite des Kolbens luftgekühlt werde, um die Emissionen zu senken.

Schließlich erzeugen die drei Zündkerzen eine schnelle Explosionsblüte, die dazu beiträgt, eine "erzwungene halbhomogene geladene Selbstzündung" oder FS-HCCI zu erzeugen. Dieser Prozess komprimiert Luft und Kraftstoff bis zu einem Punkt, an dem sie fast von selbst verbrennen (ohne Funken). Und wenn sie verbrennen, verbrennt der gesamte verbleibende Kraftstoff in der Kammer gleichzeitig - und liefert so einen viel besseren Wirkungsgrad. Dies führt zu mehr Leistung und besserem Kraftstoffverbrauch [Quellen: Green Car Congress, Wojdyla].

Die Grail Engine Mit freundlicher Genehmigung von Grail Engine Technologies

Der Grail Engine hat also eine sehr effiziente Form der Verbrennung. Es ist leicht, kostengünstig und produziert für seine Größe viel Strom. Wie bereits erwähnt, kann der 500-cm³-Prototyp 100 PS bei 42,5 km / h (100 Meilen pro Gallone) produzieren. Aber was kann es sonst noch tun??

Riley sagte, dass der Grail-Motor viele der Nachteile beseitigt, die normalerweise bei einem typischen Zweitaktmotor auftreten. Zum einen vermischen sich Öl und Kraftstoff hier nie, so dass es kein Rauchproblem gibt. Es ist auch sehr leise und vibrationsarm, sagte er.

Da der Motor jederzeit von frischer Druckluft durchströmt wird, ist es kein Problem, kühl zu bleiben. Die Fähigkeit, die Brennkammer gleichmäßig kühl zu halten, macht FS-HCCI möglich, sagte Riley. Dies erhöht den thermischen Wirkungsgrad und verringert die Stickoxidemissionen. Es ist auch nicht nur auf einen einzelnen Zylinder beschränkt. Die Grail Engine ist modular aufgebaut, so dass mehrere aneinander gereiht werden können, um einen Mehrzylindermotor zu schaffen [Quelle: Wojdyla].

Aber wie Riley gerne sagt: "Warte - es wird besser." Der Grail-Motor kann mit praktisch jeder Art von Kraftstoff betrieben werden, einschließlich Benzin, Propan, Diesel und Erdgas. Es kann auch mehr als eine Kraftstoffart gleichzeitig in separaten Tanks transportieren. Der Motor kann dies tun, weil ein Bordcomputer sein Kompressionsverhältnis im laufenden Betrieb anpassen kann und den Motor entsprechend anpasst, wenn der Fahrer einen anderen Kraftstoff verwenden möchte.

Außerdem verhindert sein Design die Kontamination von Wasserstoff, die derzeit bei Brennstoffzellenautos zu beobachten ist, und macht diese Art von Brennstoff praktikabler als je zuvor. "Dies setzt Brennstoffzellen in ein ganz neues Licht", sagte Riley.

Wir haben bereits darüber gesprochen, wie stark der Grail-Motor ist und wie er sparsamer und effizienter als ein normaler Zweitaktmotor ist. Aber wo könnte es verwendet werden? Na ja, fast überall, sagte Riley.

"Es kann auf alle Lebensbereiche angewendet werden, von Automobilen über Flugzeuge bis hin zu Freizeit- und Industriemotoren", sagte er. "Wir haben großes Interesse an verschiedenen Bereichen."

Neben den Autoherstellern sagte Riley, das Verteidigungsministerium habe Interesse bekundet, aber er könne nicht genau darüber sprechen, was dieses Projekt sei. Außerdem könnte es ein idealer Hubschraubermotor sein, sagte er.

Während der aktuelle Prototyp der Grail Engine 500 Kubikzentimeter groß ist, arbeiten die Wissenschaftler an größeren Modellen, darunter 1.000 ccm und 2,5-Liter-Motoren.

Außerdem sagt Riley, dass er und seine Mitarbeiter von dem Wunsch motiviert sind, die Welt zu einem besseren Ort zu machen, nicht reich zu werden. Ihr Ziel ist es, bestehende Automobilunternehmen dazu zu bringen, lizenzierte Versionen der Technologie zu produzieren. Er hofft, dass dies auch den Weg für eine grünere Zukunft ebnen könnte. "Wir wollen niemanden aus dem Geschäft bringen", sagte Riley. "Wir wollen den Menschen helfen. Wir wollen die Welt zum Besseren verändern."

Ich konnte nicht anders, als vom Design von Grail Engine Technologies beeindruckt zu sein. Es ist sicherlich ehrgeizig, aber es basiert auf der vorhandenen Technologie, so dass es praktikabler erscheint als einige experimentelle Motoren. Sie scheinen einen Weg gefunden zu haben, die Leistung eines Zweitaktmotors ohne Umweltverschmutzung und mit besserem Kraftstoffverbrauch als die meisten aktuellen Motoren zu erreichen. Es ist interessant, dass das Unternehmen "grüne" Motivationen zu haben scheint, anstatt nur gewinnorientiert zu sein. Vielleicht sehen wir bald ein Grail Engine-Auto - es klingt für mich nicht zu weit hergeholt.

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Quellen

• Grail Engine Technologies. "Grail Engine." (14. Februar 2012) http://www.grailengine.com/index.php
• Green Car Kongress. "Der Grail-Motor verwendet Enerpuls-Impulsstecker für die erzwungene semihomogene geladene Kompressionszündung im Konzept-Zweitaktmotor." 8. September 2009. (14. Februar 2012) http://www.greencarcongress.com/2009/09/grail-20090908.html
• Riley, Matthew. CEO von Grail Engine Technologies. Persönliches Interview. Durchführung am 13. Februar 2012.
• Wojdyla, Ben. "Grail Engine." Beliebte Mechanik. (15. Februar 2012) http://www.popularmechanics.com/cars/news/fuel-economy/6-prototype-engines-to-get-your-brain-firing-grail-engine#slide-2