Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из Free-поршня )
Перейти к навигации Перейти к поиску
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 отбирается либо за счет давления выхлопных газов, приводящего в действие турбину, либо за счет 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. [1]

Первое поколение [ править ]

Современный свободнопоршневой двигатель был предложен Р.П. Пескара [2], а первоначальным применением был однопоршневой воздушный компрессор . Пескара основал бюро Technique Pescara для разработки двигателей со свободным поршнем, а Роберт Хубер был техническим директором бюро с 1924 по 1962 год [3].

Концепция двигателя вызвала большой интерес в период 1930-1960 годов, и был разработан ряд имеющихся в продаже агрегатов. Эти двигатели со свободным поршнем первого поколения 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.

Воздушные компрессоры [ править ]

Первым успешным применением концепции двигателя со свободным поршнем были 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, в ВМС Германии и обладали преимуществами высокой эффективности, компактности и низкого уровня шума и вибрации. [4]

Генераторы газа [ править ]

После успеха воздушного компрессора со свободным поршнем ряд промышленных исследовательских групп приступили к разработке газогенераторов со свободным поршнем. В этих двигателях нет нагрузочного устройства, связанного 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. [5] Были предприняты попытки использовать газогенераторы со свободным поршнем для движения транспортных средств (например, в газотурбинных локомотивах ), но безуспешно. [6] [7]

Современные приложения [ править ]

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.

Гидравлический [ править ]

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. [8] [9]

Генераторы [ править ]

Основная статья: Свободнопоршневой линейный генератор

Линейные генераторы со свободным поршнем, которые устраняют необходимость в тяжелом коленчатом валу с электрическими катушками в поршне и стенках цилиндра, исследуются множеством исследовательских групп для использования в гибридных электромобилях в качестве расширителей диапазона . Первый генератор со свободным поршнем был запатентован в 1934 году. [10] Примеры включают двигатель Штельцера и силовой агрегат со свободным поршнем, произведенный Pempek Systems [4] на основе патента Германии. [11] Один поршень со свободным поршнем линейного генератора была продемонстрирована в 2013 году в немецком аэрокосмическом центре (Deutsches Zentrum für Luft- унд Raumfahrt; DLR). [12]

Эти двигатели в основном двухпоршневые, что дает компактный агрегат с высокой удельной мощностью. Проблема с этой конструкцией состоит в том, чтобы найти электродвигатель с достаточно малым весом. Сообщалось о проблемах управления в виде значительных межцикловых изменений для двухпоршневых двигателей. [13] [14]

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 в цилиндре, 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. [15]

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). [16]

Особенности [ править ]

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 и эффективное сгорание топлива, 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 придают 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 обширную оптимизацию работы, более высокую эффективность при частичной нагрузке и возможную работу с несколькими видами топлива. Они улучшаются за счет изменения момента впрыска топлива и фаз газораспределения за счет 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 меньше обслуживания и 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 и гомогенного заряда (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 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.

Преимущества [ править ]

Потенциальные преимущества концепции свободного поршня включают:

  • Простая конструкция с небольшим количеством движущихся частей обеспечивает компактный двигатель с низкими затратами на техническое обслуживание и меньшими потерями на трение.
  • Гибкость эксплуатации за счет переменной степени сжатия позволяет оптимизировать работу для всех рабочих условий и работы с несколькими видами топлива. Свободнопоршневой двигатель также хорошо подходит для работы в режиме воспламенения от сжатия с однородным зарядом (HCCI). [17]
  • Высокая скорость поршня вокруг верхней мертвой точки (ВМТ) и быстрое расширение рабочего хода улучшают смешивание топлива с воздухом и сокращают время, доступное для потерь при теплопередаче и образования зависящих от температуры выбросов, таких как оксиды азота (NOx). [18] [19]

Проблемы [ править ]

Основная проблема для свободнопоршневых двигателей - это управление двигателем, которое можно сказать полностью решенным только для однопоршневых гидравлических свободнопоршневых двигателей. Такие вопросы, как влияние изменений от цикла к циклу 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 гидроусилителя рулевого управления и устройства защиты от загрязнения, может быть захвачено турбиной, расположенной в потоке выхлопных газов.

Противоположный поршневой двигатель [ править ]

Большинство двигателей со свободным поршнем относятся к типу оппозитно- поршневых двигателей с одной центральной камерой сгорания. Разновидностью является оппозитно-поршневой двигатель, который имеет две отдельные камеры сгорания. Примером может служить двигатель Штельцера .

Последние события [ править ]

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. [20]

Немецкий аэрокосмический центр разрабатывает новый тип двигателя со свободным поршнем, линейный генератор со свободным поршнем . [21]

В дополнение к этим прототипам исследователи из Университета Западной Вирджинии в США работают над разработкой прототипа одноцилиндрового свободнопоршневого двигателя с механическими пружинами с рабочей частотой 90 Гц. [22]

Ссылки [ править ]

  1. ^ http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/originalDocument?CC=GB&NR=2480461A&KC=A&FT=D&ND=3&date=20111123&DB=&locale=en_EP
  2. ^ Пескары Р.П., двигатель компрессора аппарат, патент США 1657641, 1928 .
  3. ^ «История» . freikolben.ch . Архивировано из оригинала на 2012-04-22 . Проверено 27 марта 2015 .
  4. ^ Toutant, WT (1952). "Свободнопоршневой воздушный компрессор Worthington – Junkers". Журнал Американского общества морских инженеров (64): 583–594.
  5. ↑ Лондон А. Л., Оппенгейм А. К., Развитие двигателя со свободным поршнем - Текущее состояние и аспекты дизайна, Транзакции ASME 1952: 74: 1349–1361 .
  6. ^ Андервуд А.Ф., ВДМ 4-4 «» HYPREX «» двигатель - Концепция двигателя свободно-поршневой для использованияавтомобилях, SAE Сделки 1957: 65: 377-391 .
  7. ^ Фрей Д. Н. и др., Автомобильный газотурбинный двигатель со свободным поршнем, SAE Transactions 1957: 65: 628–634 .
  8. ^ Achten PAJдр лошадиные силы с мозгом:. Конструкция свободных поршневого двигателя Chiron, SAE Бумага 2000-01-2545, 2000 .
  9. ^ Бруннер Х. и др., Renaissance einer Kolbenmachine, Antriebstechnik 2005: 4: 66–70 .
  10. ^ П. Остенберг. Электрический генератор. Патент США 2362151 A - 1959 г.
  11. ^ Willimczik W. Hubkolbenmaschine mit elektrischem Triebwerk, insbesondere Hubkolben-Lineargenerator, WP113 593, 1974
  12. ^ Проф. Д-р инж. Хорст Э. Фридрих, Немецкий аэрокосмический центр (DLR), [1] , 19 февраля 2013 г.
  13. ^ Кларк Н. и др., Моделирование и разработка линейного двигателя, Proc. Весенняя конференция ASME, Отдел двигателей внутреннего сгорания, 1998: 30: 49–57 .
  14. ^ Тикканен С. и др., Первые циклы двойного гидравлического свободного поршневого двигателя, SAE Paper 2000–01–2546, 2000 .
  15. ^ BioAge Media. «Toyota Central R & разработка линейного генератора со свободнопоршневым двигателем; создание блоков с несколькими FPEG для электромобилей» . greencarcongress.com .
  16. ^ Cammisa, Джейсон (30 июня 2014). «Нет коленчатого вала - нет проблем: двигатель Toyota со свободным поршнем великолепен». Дорога и трек.
  17. ^ Ван Блариган П. Усовершенствованный электрический генератор внутреннего сгорания
  18. ^ Микалсен Р., Роскилли А.П. Разработка и моделирование двухтактного двигателя с воспламенением от сжатия со свободным поршнем для выработки электроэнергии. Прикладная теплотехника, том 28, выпуски 5-6, страницы 589-600, 2008 г. [2]
  19. ^ Микалсен Р., Роскилли А.П. Вычислительное исследование сгорания в дизельном двигателе со свободным поршнем. Applied Energy, том 86, выпуски 7-8, страницы 1136-1143, 2009 г. [3]
  20. ^ http://www.free-piston.eu/
  21. ^ Исследователи DLR представили новый вид расширителя диапазона для электромобилей
  22. ^ Бэйд, Мехар, Найджел Н. Кларк, Мэтью С. Робинсон и Парвиз Фамури. «Параметрическое исследование характеристик горения и теплопередачи колеблющегося генератора переменного тока с линейным двигателем». Журнал Combustion 2018 (2018).

Источники [ править ]

  • 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 [ править ]

  • Исследователи DLR представили новый вид расширителей запаса хода для электромобилей
  • Обширная домашняя страница о свободных поршневых двигателях
  • Innas BV
  • Ньюкаслский университет
  • Компрессор со свободнопоршневым двигателем Университета Вандербильта
  • «Двигатель завтрашнего дня - заработает сегодня». Popular Science , сентябрь 1957 г., стр. 138–141 / 294, подробная статья / вырезка по дизельным двигателям со свободным поршнем.