Войти
Свободнопоршневой двигатель, используемый в качестве газогенератора для привода турбины. Свободно-поршневой двигатель представляет собой линейный, «crankless» двигатель внутреннего сгорания, в котором движение поршня не контролируются с помощью коленчатого вала, но определяется взаимодействием сил из камеры сгорания газов, отскок устройства (например, поршень в закрытый цилиндр) и нагрузочное устройство (например, газовый компрессор или линейный генератор переменного тока ).
Назначение всех таких поршневых двигателей - выработка энергии. В двигателе со свободным поршнем эта мощность не передается на коленчатый вал, а вместо этого извлекается либо за счет давления выхлопных газов, приводящего в действие турбину, либо за счет привода линейной нагрузки, такой как воздушный компрессор для пневматической энергии, либо путем включения линейного генератора переменного тока непосредственно в поршни для выработки 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 каждый продольный цикл. Однако четырехтактная версия с разделенным циклом была запатентована, GB2480461 (A) опубликован 23.11.2011.
Рисунок 1 из US1657641 Современный свободнопоршневой двигатель был предложен Р.П. Пескара, а первоначальным применением был однопоршневой воздушный компрессор. Пескара основал Bureau Technique Pescara для разработки двигателей со свободным поршнем, а Роберт Хубер был техническим директором бюро с 1924 по 1962 год.
Концепция двигателя вызвала большой интерес в период 1930-1960 годов, и был разработан ряд серийно выпускаемых агрегатов. Эти двигатели первого поколения со свободным поршнем были без исключения двигателями с оппозитными поршнями, в которых два поршня были механически связаны для обеспечения симметричного движения. Свободнопоршневые двигатели обладали некоторыми преимуществами по сравнению с традиционными технологиями, включая компактность и отсутствие вибрации.
Первым успешным применением концепции свободнопоршневого двигателя стали воздушные компрессоры. 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, среди прочего, ВМС Германии и обладали преимуществами высокой эффективности, компактности и низкого уровня шума и вибрации.
После успеха воздушного компрессора со свободным поршнем ряд промышленных исследовательских групп приступили к разработке газогенераторов со свободным поршнем. В этих двигателях нет нагрузочного устройства, соединенного с самим двигателем, но мощность отбирается от выхлопной турбины. (Единственная нагрузка для двигателя - это наддув всасываемого воздуха.)
Был разработан ряд газогенераторов со свободным поршнем, и такие агрегаты широко использовались в крупномасштабных приложениях, таких как стационарные и морские силовые установки. Были предприняты попытки использовать газогенераторы со свободным поршнем для приведения в движение транспортных средств (например, в газотурбинных локомотивах ), но безуспешно.
Современные применения концепции двигателя со свободным поршнем включают гидравлические двигатели, предназначенные для внедорожников, и генераторы двигателей с свободным поршнем, предназначенные для использования с гибридными электромобилями.
Эти двигатели обычно являются однопоршневыми, в которых гидравлический цилиндр действует как устройство нагрузки и отскока с помощью гидравлической системы управления. Это дает устройству высокую эксплуатационную гибкость. Сообщается об отличных характеристиках при частичной нагрузке.
Линейные генераторы со свободным поршнем, которые устраняют тяжелый коленчатый вал с электрическими катушками в поршне и стенках цилиндра, исследуются несколькими исследовательскими группами для использования в гибридных электромобилях в качестве расширителей диапазона. Первый генератор со свободным поршнем был запатентован в 1934 году. Примеры включают двигатель Stelzer и силовой агрегат Free Piston Power Pack, изготовленные Pempek Systems [4] на основе немецкого патента. Один поршня со свободным поршнем линейного генератора был продемонстрирован в 2013 г. Германского аэрокосмического центра (Deutsches Zentrum für Luft- унд Raumfahrt; DLR).
Эти двигатели в основном двухпоршневые, что дает компактный агрегат с высоким соотношением мощности к массе. Проблема с этой конструкцией состоит в том, чтобы найти электродвигатель с достаточно малым весом. Сообщалось о проблемах с управлением в виде значительных межцикловых колебаний для двухпоршневых двигателей.
В июне 2014 года Toyota анонсировала прототип линейного генератора со свободнопоршневым двигателем (FPEG). Когда поршень движется вниз во время рабочего хода, он проходит через обмотки цилиндра, генерируя импульс трехфазного переменного тока. Поршень вырабатывает электроэнергию при обоих тактах, уменьшая мертвые потери поршня. Генератор работает по двухтактному циклу с использованием гидравлически активируемых тарельчатых клапанов, 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.
Toyota заявляет, что при непрерывном использовании рейтинг термической эффективности составляет 42%, что значительно превышает сегодняшнее среднее значение 25-30%. Toyota продемонстрировала агрегат длиной 24 дюйма и диаметром 2,5 дюйма мощностью 15 л.с. (более 11 кВт).
Рабочие характеристики свободно-поршневых двигателей отличаются от характеристик обычных двигателей с коленчатым валом. Основное различие связано с тем, что движение поршня не ограничивается коленчатым валом в двигателе со свободным поршнем, что приводит к потенциально ценной особенности переменной степени сжатия. Однако это также представляет собой проблему управления, поскольку положение мертвых точек необходимо точно контролировать, чтобы обеспечить зажигание топлива и эффективное сгорание, а также избежать чрезмерного давления в цилиндре или, что еще хуже, удара поршня о головку блока цилиндров.. Свободнопоршневой двигатель имеет ряд уникальных особенностей, некоторые из которых дают ему потенциальные преимущества, а некоторые представляют проблемы, которые необходимо преодолеть, чтобы двигатель со свободным поршнем стал реальной альтернативой традиционной технологии.
Поскольку движение поршня между конечными точками механически не ограничивается кривошипно-шатунным механизмом, двигатель со свободным поршнем имеет ценную особенность переменной степени сжатия, которая может обеспечить широкую оптимизацию работы, более высокую эффективность при частичной нагрузке и возможную работу с несколькими видами топлива. Они улучшаются за счет изменения времени впрыска топлива и фаз газораспределения с помощью надлежащих методов управления.
Переменная длина хода достигается за счет правильной схемы управления частотой, такой как управление PPM (импульсной паузой) [1], в котором движение поршня приостанавливается на BDC с использованием управляемого гидравлического цилиндра в качестве устройства отскока. Таким образом, частоту можно регулировать, применяя паузу между моментом достижения поршнем НМТ и высвобождением энергии сжатия для следующего хода.
Благодаря меньшему количеству движущихся частей снижаются потери на трение и стоимость изготовления. Таким образом, простая и компактная конструкция требует меньшего количества обслуживания, что увеличивает срок службы.
Чисто линейное движение приводит к очень низким боковым нагрузкам на поршень, следовательно, меньшим требованиям к смазке поршня.
Процесс сгорания в свободнопоршневом двигателе хорошо подходит для режима воспламенения от сжатия с однородным зарядом (HCCI), в котором предварительно смешанный заряд сжимается и самовоспламеняется, что приводит к очень быстрому сгоранию, а также к более низким требованиям к точному контролю момента зажигания. Кроме того, высокая эффективность достигается за счет почти постоянного объема сжигания и возможности сжигать бедные смеси для снижения температуры газа и, следовательно, некоторых типов выбросов.
При параллельной работе нескольких двигателей можно уменьшить вибрацию из-за проблем с балансировкой, но для этого требуется точный контроль скорости вращения двигателя. Другой возможностью является применение противовесов, что приводит к более сложной конструкции, увеличению размера и веса двигателя и дополнительным потерям на трение.
При отсутствии накопителя энергии, такого как маховик в обычных двигателях, он не сможет управлять двигателем на несколько оборотов. Следовательно, если двигатель не может создать достаточную компрессию или если другие факторы влияют на впрыск / зажигание и сгорание, двигатель может остановиться. Это приводит к пропускам зажигания и необходимости точного контроля скорости.
Потенциальные преимущества концепции свободного поршня включают:
Основная проблема для двигателя со свободным поршнем - это управление двигателем, которое можно сказать полностью решено только для однопоршневых гидравлических двигателей со свободным поршнем. Такие вопросы, как влияние межцикловых изменений на процесс сгорания и характеристики двигателя во время переходного режима 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 вспомогательных устройств автомобильных двигателей, таких как генераторы переменного тока, компрессоры кондиционеров, насосы рулевого управления с гидроусилителем и устройства защиты от загрязнения, может быть захвачено турбиной, расположенной в потоке выхлопных газов.
Большинство двигателей со свободным поршнем относятся к типу оппозитно- поршневых двигателей с единственной центральной камерой сгорания. Разновидностью является оппозитно-поршневой двигатель, который имеет две отдельные камеры сгорания. Примером может служить двигатель Штельцера.
В 21 веке исследования двигателей со свободным поршнем продолжаются, и во многих странах были опубликованы патенты. В Великобритании Ньюкаслский университет занимается исследованиями двигателей со свободным поршнем.
Новый тип свободнопоршневого двигателя, линейный генератор со свободным поршнем, разрабатывается немецким аэрокосмическим центром.
В дополнение к этим прототипам исследователи из Университета Западной Вирджинии в США работают над разработкой прототипа одноцилиндрового свободнопоршневого двигателя с механическими пружинами и рабочей частотой 90 Гц.
