Kolben mit Noppen wie Golfbälle könnten die Dieselleistung und Effizienz verbessern

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Während die Welt versucht, auf Elektrofahrzeuge umzusteigen, sind schwere Diesel-Lkw wie der Ford F-250 immer noch der letzte Schrei für diejenigen, die große Aufgaben erledigen (oder so aussehen wollen wie sie). Viele LKW-Besitzer sind immer auf der Suche nach einer Möglichkeit, mehr Leistung zu erzielen, den Kraftstoffverbrauch zu senken und sogar die Partikelemissionen zu reduzieren, um die Kosten für das Auffüllen ihrer DEF-Tanks (Diesel Exhaust Fluid) zu senken. Deshalb sind die Behauptungen, die Speed ​​of Air (SoA) über ihre Kolben macht, für diejenigen, die ihre Motoren überholen möchten, so verlockend. Aber funktionieren diese Grübchen tatsächlich? Sie haben uns die Daten geschickt, um uns zu zeigen, dass es sich nicht nur um eine Show handelt.

Die Grübchen eines Golfballs haben eine Daseinsberechtigung: Sie bilden eine Grenzluftschicht, die den Luftwiderstand verringert, indem sie Turbulenzen an der Oberfläche des Balls erzeugen. Dies erklärt zwar nicht vollständig, wie ein Golfball seine Höhe erhöhen kann (das ist dem Magnus-Effekt einer sich in einer Flüssigkeit drehenden Kugel zu verdanken), aber er verliert dank der durch die Grübchen erzeugten Turbulenzen nicht so viel Geschwindigkeit durch den Luftwiderstand . Diese turbulente Schicht verzögert die Ablösung der Luft auf der Rückseite (relativ zu seiner Flugrichtung) des Golfballs und verringert die Größe des widerstandserzeugenden Wirbels im Vergleich zum glatten Ball.

Natürlich sagen Sie sich wahrscheinlich: „Ja, großartig, aber ein Kolben ist keine Kugel.“ Wenn es darum geht, wie Flüssigkeiten wirken (und die Luft, die Sie und Ihr Motor atmen, sind Flüssigkeiten), spielt die Bildung einer Grenzschicht in Ihrer Brennkammer immer noch eine entscheidende Rolle, insbesondere wenn es darum geht, den Kraftstoff mit der Luft in Schwebe zu halten. Wenn Sie in der Brennkammer eine gut befestigte Grenzschicht erzeugen können, bleiben die Luft- und Kraftstoffladung länger in der Schwebe. Dies trägt auch dazu bei, dass die Flammenfront weiter durch die Ladung vordringt, was dazu führt, dass mehr Luft-Kraftstoff-Gemisch verwendet wird, um den Kolben nach unten zu drücken, während er sich im Zylinder ausdehnt. Wenn das Luft-Kraftstoff-Gemisch nicht vollständig verbrennen kann, kommt es zu Kohlenstoffablagerungen in der Brennkammer, den Ventilen und dem Kolben.

Dies war eine der Methoden, mit denen Speed ​​of Air feststellte, ob ihre Vertiefungen in der Brennkammer funktionierten. „Während der frühen Testphase“, sagte Chris Parkhurst, CEO und Geschäftsführer von Speed ​​of Air, „nutzte SoA verschiedene Fließbanktechniken, um Kraftstoffwaschbereiche auf den Kolbenböden zu bestimmen, die durch übermäßige Kohlenstoffablagerungen angezeigt wurden.“ Dimpling war auch nicht unbedingt der erste auf ihrer Liste. Sie probierten viele andere Texturierungstechniken aus, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch länger in Schwebe zu halten, stellten jedoch fest, dass die golfballähnliche Vertiefung des Kolbens am besten funktionierte. Heute verlassen sie sich auf rechnergestützte Fluiddynamik (CFD), um ihre Konstruktionen für PowerStroke-, Duramax- und Cummins-Motorkolben für mittelschwere Fahrzeuge besser zu optimieren. Eine weitere Designverbesserung dieser Kolben sind Druckentlastungsschlitze, die in die Böden dieser Kolben eingearbeitet sind. „Sie werden auf unsere Kolbenkonstruktionen angewendet, um den Druck im Muldenbereich zu entlasten und die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu beschleunigen“, sagte Parkhurst, und diese Einschnitte führen dazu, dass der Motor sogar im Vergleich zur OE-Kolbenkonstruktion leiser läuft.

SoA schickte seine Kolben bereits 2014 auch an unabhängige Tester, wo ein SoA-Kolben bei einem Umbau eines Caterpillar 3516-Motors verwendet wurde, der in einem 793D-Muldenkipper für Newmont North America verwendet und von einem Cat-Händler umgebaut wurde. Dieser Motor wurde nach 44.842 Stunden ausgebaut und überholt, wobei die SoA-Kolben die einzige Änderung gegenüber den normalen Teilen des Motorumbaus darstellten. Von 16,30 Stunden pro Tag auf den Cat-Kolben war die Einsatzdauer dieses Motors auf 18,34 Stunden pro Tag auf den SoA-Kolben gestiegen, als er 2017 nach 915 Betriebstagen erneut zur Wartung ausgebaut wurde. Der Grund für die kürzere Zeitspanne lag darin, dass der Motorumbauer die Kopfschrauben wiederverwendete, eine Praxis, die für den Umrüster zu diesem Zeitpunkt vernünftig und vorhersehbar war.

Leider waren die wiederverwendeten Kopfschrauben der Grund, warum der Motor erneut ausgebaut wurde, wie Newmont North America in seinem Bericht feststellte: „Wäre da nicht das Risiko von Geräteausfällen und möglichen weiteren Schäden durch zusätzlichen Bruch der Kopfschrauben gewesen, wäre der Motor vertretbar.“ wäre für einen längeren, aber unbekannten Zeitraum im Dienst geblieben. Parkhurst stellte außerdem fest, dass dieser spezielle Händler diese unüberlegte Praxis eingestellt hat.

Trotz dieser Probleme mit den Zylinderkopfschrauben stellte Newmont fest, dass die Zylinderpakete, Kolben, Ringe und Laufbuchsen „auf eine beträchtliche Nutzungsdauer hindeuteten“ und dass sich auf den Kolben nur wenig Kohlenstoff ablagerte und dass sich im Vergleich zu anderen Umbauten nur sehr wenige Ablagerungen im Kurbelgehäuse ablagerten. Weitere wichtige Ergebnisse des Berichts betrafen die Abgasemissionen, deren Tests im Vergleich zum „Vergleichsmotor“ eine deutliche Reduzierung und Verbesserung zeigten. „Angesichts der Tatsache, dass nur etwa 40 Prozent (Kolbenkronenmodifikation und thermische Beschichtung) der verfügbaren SoA-Technologie angewendet wurden“, endete der Bericht, „ist die erwogene Meinung, dass eine betriebliche Verbesserung erzielt wurde, die auf die SoA-Technologie anwendbar ist.“

SoA lieferte uns auch einen Bericht des Olsen Ecologic Lab in Fullerton, Kalifornien, in dem ein serienmäßiger 5,9-Liter-Motor von Cummins mit einem verglichen wurde, bei dem nur ein Satz Speed ​​of Air-Kolben eingebaut war. In diesem Bericht gab es eine Steigerung der PS um 15,5 Prozent und eine Steigerung des Drehmoments um 15,2 Prozent. Damit ist die gute Nachricht aber noch nicht getan, denn in diesem Bericht wurde festgestellt, dass der bremsspezifische Kraftstoffverbrauch um 3,2 Prozent gesenkt wurde, die Trübung des Abgases um 77,6 Prozent reduziert wurde (was weniger Partikel bedeutet) und die NOx-Werte um 61 Prozent gesenkt wurden Die Kohlenwasserstoffe im Abgas sanken um 32,5 Prozent und der CO2-Gehalt sank um 41,4 Prozent.

Wenn man bedenkt, dass es mehr Bereiche gibt, in denen Luft und Kraftstoff strömen, stellt sich die Frage: Warum sind Kolben die einzigen Artikel, die SoA mit ihrem Grübchendesign herausgebracht hat? „Unsere Patente decken jeden Raum ab, in dem Luft durch den Verbrennungsmotor (ICE) strömt, einschließlich Einlass- und Auslassöffnungen und Krümmer, Köpfe, Turbos usw.“, sagte Parkhurst. „Wir haben alles getan, was Sie an einem ICE in Bezug auf Grübchen tun können; Unsere Tests haben jedoch gezeigt, dass die Kolben beim Turbo der nächsthöheren Stufe den größten Nutzen bringen.“ Bei gewerblichen Umbauten gelten Krümmer (sowohl Einlass als auch Auslass) und Köpfe nicht als Verschleißteile wie Kolben und Turbolader. „Aus diesen beiden Gründen haben wir uns darauf konzentriert, etwas zu kommerzialisieren, das wir tatsächlich verkaufen können, ohne dass wir uns in eine bloße Maschinenwerkstatt verwandeln“, fuhr Parkhurst fort.

Das ist eine großartige Frage, die jedoch nur mit Hypothesen beantwortet werden kann. Es könnte sich um eine Kosten-Nutzen-Frage handeln, die der Ersatzteilmarkt normalerweise nicht beantworten muss. Beim Bau solcher Massenmengen sind Geschwindigkeit und Kosten große Faktoren, auch wenn beide auf individueller Ebene winzig sind. Aus diesem Grund lassen sich bei den Fahrzeugen, die Sie heute fahren, mehr Teile einrasten als anschrauben. Der zusätzliche Zeitaufwand für die Bearbeitung eines Kolbens mit diesen Merkmalen überwiegt möglicherweise die Vorteile, die ein Kolben ohne diese Merkmale mit sich bringt. Auch das ist nur eine Spekulation, aber sie liefert einen Grund dafür, warum es den Aftermarket gibt. Sie müssen nicht wie ein OEM ihre Rechnungen ausgleichen und Zeit rechtfertigen, da ihr Hauptziel darin besteht, Nischen und spezifische Märkte zu bedienen.

Einer dieser spezifischen Märkte, die SoA bedienen möchte, sind Besitzer und Betreiber kommerzieller Diesel-Lkw in Kalifornien. Für Motoren, die älter als 2010 sind (oder Fahrgestelle, die nicht mit einem neueren Motor umgerüstet wurden) und die in Schwerlastfahrzeugen mit einem Gewicht von mehr als 14.000 Pfund betrieben werden, hat Kalifornien den Betrieb und die Registrierung innerhalb des Staates verboten. Das Problem hängt mit den Emissionen dieser speziellen Motoren zusammen, aber die Emissionsverbesserungen, die SoA allein mit ihren Kolben gezeigt hat, könnten zu ihrer Rettung werden.

„Da sind wir noch in der Entwicklung und es wird wahrscheinlich mindestens 2.500 Stunden Haltbarkeitstests erfordern“, sagte Parkhurst, „aber wir werden sehen, wann wir einen Testbrief von CARB erhalten. Wir glauben, dass wir entweder CAT C- Serienmotorfamilien (9/12/15/18 Liter) oder möglicherweise zuerst die Detroit 12.7- und 14L 60-Serien. Der uns von Parkhurst beschriebene Bausatz wäre ein kompletter Bausatz, den ein Umbauer mit noch am Fahrzeugrahmen montiertem Motor durchführen kann und der nicht nur die SoA-Kolben, sondern auch einen Turbolader, einen neuen ECM-Blitz und „ein einigermaßen leichtes Substrat“ umfassen würde, sagte er sagte: „Wir sind ziemlich sicher, dass unser Substrat auf DOC beschränkt wäre und wir keinen DPF, SCR oder EGR benötigen würden. In dieser Hinsicht gibt es noch viel zu tun, aber das scheint der erreichbare Weg zu sein.“

Derzeit konzentriert sich SoA auf die Kommerzialisierung seiner mittelschweren Dieselmotorenpalette. Doch ihre Arbeit wird sich in naher Zukunft auch auf Renn- und Benzinmotoren ausweiten – alle nutzen das gleiche aerodynamische Prinzip, das einen Golfball durch die Luft fliegen lässt. Wer wusste, dass der einfache Golfball einem Verbrennungsmotor so viel zu bieten hatte?