Свободнопоршневой линейный генератор
Линейный генератор со свободным поршнем ( FPLG ) использует химическую энергию топлива для движения магнитов через статор и преобразует это линейное движение в электрическую энергию. Благодаря своей универсальности, малому весу и высокой эффективности его можно использовать в широком спектре применений, хотя он представляет особый интерес для индустрии мобильности в качестве расширителя запаса хода для электромобилей.
Описание
[ редактировать ]Линейные генераторы свободнопоршневых двигателей можно разделить на 3 подсистемы: [1] [2]
- Одна (или более) реакционная секция с одним или двумя противоположными поршнями.
- Один (или несколько) линейный электрический генератор, состоящий из статической части (статора) и подвижной части (магнитов), соединенных с шатуном.
- Один (или несколько) возвратный узел для толкания поршня назад из-за отсутствия коленчатого вала (обычно пневматическая пружина или противодействующая секция)
FPLG имеет множество потенциальных преимуществ по сравнению с традиционным электрогенератором, работающим на двигателе внутреннего сгорания. Одним из основных преимуществ FPLG является отсутствие коленчатого вала . Это приводит к созданию меньшего и более легкого генератора с меньшим количеством деталей. Это также позволяет изменять степени сжатия и расширения, что дает возможность работать с разными видами топлива.
Линейный генератор также позволяет контролировать силу сопротивления и, следовательно, лучше контролировать движение поршня и реакцию. Суммарный КПД (в том числе механический и генераторный) свободнопоршневых линейных генераторов может быть существенно выше, чем у обычных двигателей внутреннего сгорания, и сравним с топливными элементами.
Разработка
[ редактировать ]
Первые патенты на линейные генераторы со свободным поршнем датируются примерно 1940 годом, однако в последние десятилетия, особенно после разработки редкоземельных магнитов и силовой электроники, в этой области работало множество различных исследовательских групп. [3] [4] К ним относятся:
- Либертин ЛПЭ, Великобритания. [5] [6]
- Университет Западной Вирджинии (WVU), США. [5]
- Технологический университет Чалмерса, Швеция. [5]
- Электрический генератор, Понтус Остенберг, США – 1943 г.
- Свободно-поршневой двигатель, Ван Блариган, Сандийская национальная лаборатория, США. [7] - С 1995 года
- Aquarius Engines, Израиль. [8]
- Проект свободнопоршневого двигателя, Университет Ньюкасла, Великобритания [9] - С 1999 года.
- Шанхайский университет Цзяотун, Китай. [10]
- Свободнопоршневой линейный генератор, Немецкий аэрокосмический центр (DLR), Германия - с 2002 г. [11]
- Блок питания свободного поршня (FP3), Pempek Systems, Австралия – 2003 г. [12]
- Свободнопоршневой преобразователь энергии, KTH Electrical Engineering, Швеция – 2006 г. [13]
- Двигатель линейного сгорания, Чешский технический университет – 2004 г. [14]
- Интегрированная энергетическая система линейного генератора внутреннего сгорания, Сюй Нанкин, Китай – 2010 г.
- micromer ag (Швейцария) – 2012 г. [15]
- Линейный генератор со свободнопоршневым двигателем, Toyota , Япония - 2014 г. [16]
Хотя у этой технологии существует множество названий и сокращений, термины «Линейный генератор со свободным поршнем» и «FPLG» особенно относятся к проекту Немецкого аэрокосмического центра.
Операция
[ редактировать ]Линейный генератор со свободным поршнем обычно состоит из трех подсистем: камеры сгорания, линейного генератора и возвратного узла (обычно газовой пружины), которые соединены через шатун.
В камере сгорания воспламеняется смесь топлива и воздуха, увеличивая давление и вынуждая подвижные части (шатун, линейный генератор и поршни) двигаться в направлении газовой пружины. Газовая пружина сжимается, и пока поршень находится вблизи нижней мертвой точки (НМТ), в камеру сгорания впрыскиваются свежий воздух и топливо, вытесняя выхлопные газы.
Газовая пружина толкает узел движущихся частей обратно в верхнюю мертвую точку (ВМТ), сжимая впрыскиваемую смесь воздуха и топлива, и цикл повторяется. Это работает аналогично двухтактному двигателю , однако это не единственная возможная конфигурация.
Линейный генератор может генерировать силу, противодействующую движению, не только при расширении, но и при сжатии. Величина и профиль силы влияют на движение поршня, а также на общую эффективность.
Вариации
[ редактировать ]FPLG был разработан во многих различных конфигурациях, но для большинства применений, особенно в автомобильной промышленности, основное внимание уделялось двум противоположным поршням в одном цилиндре с одной камерой сгорания с газовой пружиной на конце каждого цилиндра. Это уравновешивает силы и снижает вибрацию и шум. В простейшем случае второй блок является просто зеркалом первого, без функциональной связи с первым. В качестве альтернативы можно использовать одну камеру сгорания или газовую пружину, что обеспечивает более компактную конструкцию и упрощает синхронизацию между поршнями.
Газовая пружина и камера сгорания могут быть размещены на концах шатунов или использовать один и тот же поршень, используя противоположные стороны для уменьшения пространства.
Сам линейный генератор также имеет множество различных конфигураций и форм. Он может быть выполнен в виде круглой трубы, цилиндра или даже плоской пластины, чтобы уменьшить центр тяжести и/или улучшить отвод тепла.
Большая универсальность линейного генератора со свободным поршнем обусловлена отсутствием коленчатого вала, что устраняет большие насосные потери и дает двигателю дополнительную степень свободы. Сгорание может быть двухтактным или четырехтактным двигателем . Однако четырехтактный двигатель требует гораздо более высокого промежуточного запаса энергии, инерции вращения коленчатого вала, чтобы продвигать поршень через четыре такта. В отсутствие коленчатого вала пневматическая пружина должна была бы приводить поршень в движение через такты впуска, сжатия и выпуска. Отсюда и причина, по которой большая часть текущих исследований сосредоточена на двухтактном цикле.
Возможны несколько вариантов горения:
- Искровое зажигание ( Отто )
- Воспламенение от сжатия ( дизель )
- Компрессионное воспламенение гомогенного заряда ( HCCI )
Исследование ДЛР
[ редактировать ]Институт концепций транспортных средств Немецкого аэрокосмического центра в настоящее время разрабатывает FPLG (или Freikolbenlineargenerator - FKLG) с 2002 года и опубликовал несколько статей по этой теме. [1] [2] [17] [18]
В течение первых нескольких лет исследований теоретическая основа и три подсистемы разрабатывались отдельно. В 2013 году была построена и успешно эксплуатировалась первая полноценная система. [19]
Немецкий центр в настоящее время разрабатывает вторую версию всей системы, в которой будут использоваться два противоположных цилиндра для снижения вибрации и шума, что делает ее жизнеспособной для автомобильной промышленности.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Поль, Свен-Эрик (2007). Линейный генератор со свободным поршнем - теоретические соображения всей системы и экспериментальные исследования подсистемы газовой пружины . Гамбург: Университет Гельмута Шмидта.
- ^ Jump up to: а б Феррари, Корнелиус (2012). Разработка и исследование свободнопоршневого линейного генератора с особым учетом подсистемы двигателя внутреннего сгорания на новом полностью регулируемом испытательном стенде . Штутгарт: Штутгартский университет.
- ^ Р. Микалсен; А. П. Роскилли. «Обзор истории и применения свободнопоршневых двигателей» (PDF) .
- ^ Косака, Х.; Акита, Т.; Мория, К.; Гото, С.; и др. (2014). «Разработка системы линейного генератора со свободным поршневым двигателем. Часть 1. Исследование фундаментальных характеристик» . Серия технических документов SAE . Том. 1. САЭ Интернэшнл. дои : 10.4271/2014-01-1203 .
- ^ Jump up to: а б с «Технология свободного поршня Libertine LPE, ориентированная на выработку электроэнергии, утилизацию отработанного тепла и электромобили с увеличенным запасом хода; технико-экономическое обоснование совместно с PETRONAS» .
- ^ "Дом" . libertine.co.uk .
- ^ Ван Блариган, Питер (2001). «УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ» (PDF) .
- ^ «PSA оценивает свободнопоршневой линейный генератор Aquarius Engines для увеличения запаса хода» .
- ^ Центр энергетических исследований сэра Джозефа Свона (21 июля 2016 г.), Технология расширения диапазона свободнопоршневых двигателей , получено 10 сентября 2016 г.
- ^ «Моделирование генераторной установки со свободным поршнем для гибридных применений» .
- ^ Исследователи DLR представляют новый вид расширителя запаса хода для электромобилей.
- ^ Картер, Дуглас; Векнер, Эдвард (2003). «Аксессуар Free Piston Power Pack: устойчивая энергия для гибридных электромобилей» . САЭ международный . Серия технических документов SAE. 1 . САЭ. дои : 10.4271/2003-01-3277 .
- ^ Ханссон, Йорген (2006). «Анализ и управление гибридным транспортным средством с приводом от свободнопоршневого преобразователя энергии» . Портал Королевского технического университета .
- ^ «Двигатель линейного сгорания» . Линейный двигатель внутреннего сгорания . 2004.
- ^ BEETRON: Переход к устойчивому производству электроэнергии
- ^ «Toyota разрабатывает высокоэффективный двигатель внутреннего сгорания без коленчатого вала со свободным поршнем… для электромобилей» . Экстремальные технологии.
- ^ Кок, Ф.; Хааг Дж. и Фридрих Х. (2013). Линейный генератор со свободным поршнем — разработка инновационного, компактного и высокоэффективного модуля расширения диапазона . САЭ Интернешнл.
- ^ Кок, Ф. (2015). Управление и регулирование линейного генератора со свободным поршнем - разработка метода и концепции управления работой преобразователя энергии нового типа . Штутгарт: Немецкий аэрокосмический центр.
- ^ «Команда DLR разрабатывает демонстрационный образец линейного генератора со свободным поршнем в качестве расширителя запаса хода для электромобилей» . Конгресс зеленых автомобилей . 20 февраля 2013 г.