Свободнопоршневой двигатель
Свободнопоршневой двигатель — линейный, «безкривошипный» двигатель внутреннего сгорания , в котором движение поршня не управляется коленчатым валом , а определяется взаимодействием сил газов камеры сгорания , устройством отбоя (например, поршень в закрытый баллон) и нагрузочное устройство (например, газовый компрессор или линейный генератор переменного тока ).
Целью всех таких поршневых двигателей является выработка энергии. В свободнопоршневом двигателе эта мощность не передается на коленчатый вал, а вместо этого извлекается либо за счет давления выхлопных газов, приводящего в движение турбину, либо за счет приведения в действие линейной нагрузки, такой как воздушный компрессор для получения пневматической энергии, либо за счет включения линейного генератора переменного тока непосредственно в двигатель . поршни для производства электроэнергии.
Базовая конфигурация свободнопоршневых двигателей широко известна как однопоршневые, двухпоршневые или оппозитные поршни , в зависимости от количества цилиндров сгорания. Свободнопоршневой двигатель обычно ограничивается двухтактным принципом работы, поскольку рабочий ход требуется в каждом возвратно-поступательном цикле. Однако версия с разделенным циклом четырехтактная была запатентована, GB2480461 (A), опубликованная 23 ноября 2011 г. [1]
Первое поколение
[ редактировать ]
Современный свободнопоршневой двигатель был предложен Р.П. Пескара. [2] Первоначальное применение представляло собой однопоршневой воздушный компрессор . Пескара основал Технологическое бюро Пескара для разработки свободнопоршневых двигателей, а Роберт Хубер был техническим директором Бюро с 1924 по 1962 год. [3]
Концепция двигателя вызывала большой интерес в период 1930–1960 годов, и был разработан ряд коммерчески доступных агрегатов. Эти свободнопоршневые двигатели первого поколения без исключения представляли собой оппозитные поршневые двигатели, в которых два поршня были механически связаны для обеспечения симметричного движения. Свободнопоршневые двигатели обеспечивали некоторые преимущества перед традиционными технологиями, включая компактность и отсутствие вибрации.
Воздушные компрессоры
[ редактировать ]Первое успешное применение концепции свободнопоршневого двигателя было в воздушных компрессорах. В этих двигателях цилиндры воздушного компрессора были соединены с движущимися поршнями, часто в многоступенчатой конфигурации. Некоторые из этих двигателей использовали воздух, оставшийся в цилиндрах компрессора, для возврата поршня, тем самым устраняя необходимость в устройстве отскока.
Свободнопоршневые воздушные компрессоры использовались, в частности, в ВМС Германии и обладали такими преимуществами, как высокая эффективность, компактность, низкий уровень шума и вибрации. [4]
Газовые генераторы
[ редактировать ]После успеха воздушного компрессора со свободным поршнем ряд промышленных исследовательских групп начали разработку газопоршневых генераторов со свободным поршнем. В этих двигателях нет нагрузочного устройства, связанного с самим двигателем, а мощность извлекается из выхлопной турбины. Таким образом, вращательное движение турбины может приводить в движение насос, пропеллер, генератор или другое устройство.
В такой схеме единственной нагрузкой на двигатель является наддув входящего воздуха, хотя теоретически часть этого воздуха при желании можно отвести для использования в качестве источника сжатого воздуха. Такая модификация позволит свободнопоршневому двигателю при использовании в сочетании с вышеупомянутой турбиной с приводом от выхлопных газов обеспечивать как тяговую мощность (от выходного вала турбины), так и сжатый воздух по требованию.
Был разработан ряд свободнопоршневых газогенераторов, и такие агрегаты широко использовались в крупномасштабных приложениях, таких как стационарные и морские электростанции. [5] Были предприняты попытки использовать свободнопоршневые газогенераторы для движения транспортных средств (например, в газотурбинных локомотивах ), но безуспешно. [6] [7]
Современные приложения
[ редактировать ]Современные применения концепции свободнопоршневого двигателя включают гидравлические двигатели, предназначенные для внедорожных транспортных средств, и генераторы со свободнопоршневыми двигателями, предназначенные для использования в гибридных электромобилях.
Гидравлический
[ редактировать ]Эти двигатели обычно относятся к однопоршневому типу, при этом гидравлический цилиндр действует как устройство нагрузки и отбоя с использованием гидравлической системы управления. Это обеспечивает агрегату высокую эксплуатационную гибкость. Сообщается об превосходных характеристиках при частичной нагрузке. [8] [9]
Генераторы
[ редактировать ]Линейные генераторы со свободным поршнем , которые исключают тяжелый коленчатый вал с электрическими катушками в стенках поршня и цилиндра, исследуются несколькими исследовательскими группами для использования в гибридных электромобилях в качестве расширителей запаса хода . Первый генератор со свободным поршнем был запатентован в 1934 году. [10] Примеры включают двигатель Stelzer и силовой агрегат со свободным поршнем, изготовленный компанией Pempek Systems [4] на основе немецкого патента. [11] Однопоршневой свободнопоршневой линейный генератор был продемонстрирован в 2013 году в Немецком аэрокосмическом центре (Немецкий аэрокосмический центр; DLR). [12]
Эти двигатели в основном относятся к двухпоршневому типу, что обеспечивает компактность и высокое соотношение мощности к весу . Задача этой конструкции состоит в том, чтобы найти электродвигатель с достаточно малым весом. Сообщалось о проблемах с управлением в виде высоких изменений от цикла к циклу для двухпоршневых двигателей. [13] [14]
В июне 2014 года Toyota анонсировала прототип линейного генератора со свободным поршневым двигателем (FPEG). Когда поршень движется вниз во время рабочего хода, он проходит через обмотки цилиндра, генерируя импульс трехфазного переменного тока. Поршень вырабатывает электричество при обоих ходах, уменьшая потери поршня. Генератор работает по двухтактному циклу с использованием выпускных тарельчатых клапанов с гидравлическим управлением , прямого впрыска бензина и клапанов с электронным управлением. Двигатель легко модифицируется для работы на различных видах топлива, включая водород, природный газ, этанол, бензин и дизельное топливо. Двухцилиндровый FPEG по своей сути сбалансирован. [15]
Toyota заявляет, что показатель теплового КПД при непрерывном использовании составляет 42%, что значительно превышает сегодняшний средний показатель в 25–30%. Toyota продемонстрировала агрегат длиной 24 дюйма и диаметром 2,5 дюйма мощностью 15 л.с. (более 11 кВт). [16]
Функции
[ редактировать ]Эксплуатационные характеристики свободнопоршневых двигателей отличаются от характеристик обычных двигателей с коленчатым валом. Основное отличие заключается в том, что в двигателе со свободным поршнем движение поршня не ограничивается коленчатым валом, что приводит к потенциально ценной функции переменной степени сжатия. Однако это также представляет собой проблему управления, поскольку положение мертвых точек необходимо точно контролировать, чтобы обеспечить воспламенение топлива и эффективное сгорание, а также избежать чрезмерного давления в цилиндре или, что еще хуже, удара поршня о головку цилиндра. . Свободнопоршневой двигатель имеет ряд уникальных особенностей, некоторые из которых дают ему потенциальные преимущества, а некоторые представляют собой проблемы, которые необходимо преодолеть, чтобы свободнопоршневой двигатель стал реальной альтернативой традиционной технологии.
Поскольку движение поршня между конечными точками механически не ограничено кривошипно-шатунным механизмом, двигатель со свободным поршнем обладает ценной особенностью переменной степени сжатия, которая может обеспечить обширную оптимизацию работы, более высокую эффективность частичной нагрузки и возможность работы на нескольких видах топлива. Они усиливаются за счет изменения момента впрыска топлива и фаз газораспределения посредством соответствующих методов управления.
Переменная длина хода достигается за счет правильной схемы управления частотой, такой как управление PPM (импульсно-паузовая модуляция) [1], при котором движение поршня приостанавливается в точке НМТ с использованием управляемого гидравлического цилиндра в качестве устройства отскока. Таким образом, частотой можно управлять, применяя паузу между моментом достижения поршнем НМТ и высвобождением энергии сжатия для следующего хода.
Поскольку здесь меньше движущихся частей, потери на трение и производственные затраты снижаются. Таким образом, простая и компактная конструкция требует меньшего обслуживания, что увеличивает срок службы.
Чисто линейное движение приводит к очень низким боковым нагрузкам на поршень и, следовательно, к меньшим требованиям к смазке поршня.
Процесс сгорания в свободнопоршневом двигателе хорошо подходит для режима воспламенения от сжатия гомогенного заряда (HCCI), в котором предварительно смешанный заряд сжимается и самовоспламеняется, что приводит к очень быстрому сгоранию, а также к меньшим требованиям к точному регулированию угла опережения зажигания. Кроме того, высокая эффективность достигается за счет практически постоянного объема сгорания и возможности сжигания бедных смесей для снижения температуры газа и, следовательно, некоторых видов выбросов.
Параллельная работа нескольких двигателей позволяет снизить вибрацию, возникающую из-за проблем с балансировкой, но для этого требуется точный контроль частоты вращения двигателя. Другая возможность — применение противовесов, что приводит к усложнению конструкции, увеличению габаритов и массы двигателя и дополнительным потерям на трение.
Из-за отсутствия устройства накопления кинетической энергии, такого как маховик в обычных двигателях, свободнопоршневые двигатели более подвержены остановке, вызванной незначительными изменениями времени или давления в цикле двигателя. Требуется точный контроль скорости и времени, поскольку, если двигатель не может создать достаточную компрессию или если другие факторы влияют на впрыск/зажигание и сгорание, двигатель может пропустить зажигание или остановиться.
Преимущества
[ редактировать ]Потенциальные преимущества концепции свободного поршня включают в себя:
- Простая конструкция с небольшим количеством движущихся частей, обеспечивающая компактный двигатель с низкими затратами на техническое обслуживание и меньшими потерями на трение.
- Эксплуатационная гибкость благодаря переменной степени сжатия позволяет оптимизировать работу для всех условий эксплуатации и работы на нескольких видах топлива. Свободнопоршневой двигатель также хорошо подходит для работы в режиме воспламенения от сжатия однородного заряда (HCCI). [17]
- Высокая скорость поршня вокруг верхней мертвой точки (ВМТ) и быстрое расширение рабочего хода улучшают смешивание топлива с воздухом и сокращают время, необходимое для потерь при теплопередаче и образования зависимых от температуры выбросов, таких как оксиды азота (NOx). [18] [19]
Проблемы
[ редактировать ]Основной проблемой для свободнопоршневого двигателя является управление двигателем, которое, можно сказать, полностью решено только для однопоршневых гидравлических свободнопоршневых двигателей. Такие вопросы, как влияние изменений от цикла к циклу на процесс сгорания и производительность двигателя во время переходной работы в двухпоршневых двигателях, являются темами, требующими дальнейшего изучения. К двигателям с коленчатым валом можно подключать традиционные аксессуары, такие как генератор переменного тока, масляный насос, топливный насос, систему охлаждения, стартер и т. д.
Вращательное движение для вращения обычных аксессуаров автомобильного двигателя, таких как генераторы переменного тока, компрессоры кондиционеров, насосы гидроусилителя рулевого управления и устройства защиты от загрязнения, может быть получено от турбины, расположенной в потоке выхлопных газов.
Оппозитный поршневой двигатель
[ редактировать ]Большинство двигателей со свободным поршнем относятся к оппозитному поршневому типу с одной центральной камерой сгорания. Разновидностью является двигатель с противоположным поршнем , который имеет две отдельные камеры сгорания. Примером является двигатель Стельцера .
Последние события
[ редактировать ]В 21 веке исследования свободнопоршневых двигателей продолжаются, и во многих странах были опубликованы патенты. В Великобритании Университет Ньюкасла проводит исследования свободнопоршневых двигателей. [20]
новый тип свободнопоршневого двигателя — линейный генератор со свободным поршнем . Немецкий аэрокосмический центр разрабатывает [21]
Помимо этих прототипов, исследователи из Университета Западной Вирджинии в США работают над разработкой прототипа одноцилиндрового свободнопоршневого двигателя с механическими пружинами с рабочей частотой 90 Гц. [22]
См. также
[ редактировать ]- Холодильник с импульсной трубкой : аналогичные устройства со свободным поршнем, используемые для охлаждения.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Espacenet — Оригинальный документ» .
- ^ Пескара Р.П., Мотор-компрессор, патент США 1657641, 1928 г ..
- ^ «История» . Freikolben.ch . Архивировано из оригинала 22 апреля 2012 г. Проверено 27 марта 2015 г.
- ^ Тутант, WT (1952). «Свободнопоршневой воздушный компрессор Уортингтона-Юнкерса». Журнал Американского общества военно-морских инженеров (64): 583–594.
- ^ Лондон А.Л., Оппенгейм А.К., Разработка свободнопоршневого двигателя - современное состояние и аспекты проектирования, Труды ASME 1952:74:1349–1361 .
- ^ Андервуд А.Ф., Двигатель GMR 4-4 «HYPREX» - концепция свободнопоршневого двигателя для использования в автомобилях, SAE Transactions 1957:65:377–391 .
- ^ Фрей Д.Н. и др., Автомобильный двигатель со свободным поршнем и турбиной, SAE Transactions 1957:65:628–634 .
- ^ Ахтен П.А.Дж. и др., Лошадиная сила с мозгами: конструкция свободнопоршневого двигателя Chiron, документ SAE 2000–01–2545, 2000 .
- ^ Бруннер Х. и др., Возрождение поршневой машины, Antriebstechnik 2005:4:66–70 .
- ^ П. ОСТЕНБЕРГ. Электрический генератор. Патент США 2362151 А – 1959 г.
- ^ Виллимчик В. Поршневой двигатель с электроприводом, особенно поршневой линейный генератор, WP113 593, 1974 г.
- ^ Профессор, доктор технических наук. Хорст Э. Фридрих, Немецкий аэрокосмический центр (DLR), [1] , 19 февраля 2013 г.
- ^ Кларк Н. и др., Моделирование и разработка линейного двигателя, Proc. Весенняя конференция ASME, Отдел двигателей внутреннего сгорания, 1998:30:49–57 .
- ^ Тикканен С. и др., Первые циклы двигателя с двойным гидравлическим свободным поршнем, SAE Paper 2000–01–2546, 2000 .
- ^ БиоЭйдж Медиа. «Центральный научно-исследовательский центр Toyota разрабатывает линейный генератор со свободнопоршневым двигателем; проектирует блоки с несколькими FPEG для транспортных средств с электроприводом» . greencarcongress.com .
- ^ Каммиса, Джейсон (30 июня 2014 г.). «Нет коленвала – нет проблем: двигатель Toyota со свободным поршнем великолепен». Дорога и трасса.
- ^ Ван Блариган П. Усовершенствованный электрический генератор внутреннего сгорания.
- ^ Микалсен Р., Роскилли А.П. Проектирование и моделирование двухтактного двигателя со свободным поршнем и воспламенением от сжатия для выработки электроэнергии. Прикладная теплотехника, том 28, выпуски 5–6, страницы 589–600, 2008 г. [2]
- ^ Микалсен Р., Роскилли А.П. Компьютерное исследование сгорания в свободнопоршневом дизельном двигателе. Прикладная энергетика, том 86, выпуски 7–8, страницы 1136–1143, 2009 г. [3]
- ^ "Дом" . free-piston.eu .
- ^ Исследователи DLR представляют новый вид расширителя запаса хода для электромобилей.
- ^ Баде, Мехар, Найджел Н. Кларк, Мэтью К. Робинсон и Парвиз Фамури. «Параметрическое исследование характеристик сгорания и теплопередачи генератора переменного тока линейного двигателя». Журнал сгорания 2018 (2018).
Источники
[ редактировать ]- Микалсен Р., Роскилли А.П. Обзор истории и применения свободнопоршневых двигателей. Прикладная теплотехника , Том 27, выпуски 14-15, страницы 2339-2352, 2007. [5] .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Исследователи DLR представили новый вид расширителя запаса хода для электромобилей
- Обширная домашняя страница о свободно-поршневых двигателях.
- Иннас Б.В.
- Университет Ньюкасла
- Свободный поршневой компрессор Университета Вандербильта. Архивировано 23 декабря 2010 г. в Wayback Machine.
- «Двигатель завтрашнего дня – заработает сегодня». Popular Science , сентябрь 1957 г., стр. 138–141/294, подробная статья / чертеж в разрезе свободнопоршневых дизельных двигателей.
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
