В настоящей статье проведен анализ существующих конструктивных решений, используемых при создании транспортной энергоустановки на базе свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания. Определена оптимальная кинематическая схема энергоустановки, наиболее эффективная конструкция теплового двигателя и нагружающего устройства, а также предъявлены требования к вспомогательным системам и агрегатам.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, кривошипно-шатунный механизм, свободнопоршневой двигатель, энергоустановка, линейный генератор
Введение
Основным источником энергии как на автомобильном транспорте, так и в малой энергетики в настоящее время остаются тепловые двигатели, основным конструктивным узлом в которых является кривошипно-шатунный механизм (КШМ). Устойчивую позицию этим двигателям обеспечивают распространенность используемого топлива, преимущественно нефтяного происхождения, высокая технологичность конструкции и, как следствие, доступная стоимость изготовления, относительно не высокие эксплуатационные расходы, ресурсные параметры, а также относительно неплохие показатели энергоэффективности и экологичности. Однако, для достижения высоких удельных мощностных показателей, хорошей топливной экономичности и низкого уровня выбросов вредных веществ с отработавшими газами все современные тепловые двигатели, основанные на кинематике КШМ, вынуждены использовать в своем составе большое количество сложных и дорогостоящих систем, в основе которых лежат как механические узлы и агрегаты, так и мехатронные и микропроцессорные системы, действия которых направлены на повышение эффективности термодинамического цикла двигателя [1, 2, 3, 4]. Стоит отметить, что чем более совершенными и отточенными являются рабочие процессы в конкретном двигателе, т. е. чем выше показатели его топливной экономичности и ниже концентрация вредных веществ в отработавших газах, тем выше его себестоимость и, следовательно, дороже его обслуживание и ремонт, причем это вызвано не только более высокой стоимостью запасных частей и расходных материалов, но и необходимостью привлечения высококвалифицированного персонала для проведения регламентных работ.
Современные тепловые двигатели вплотную приближаются к границе своего технического совершенства, а применяемые конструктивные и прочие мероприятия, становясь все более изощреннее, в конструктивном смысле, и дороже, приносят все менее ощутимый эффект. Вполне обоснованно можно предположить, что в ближайшие десятилетия дальнейшее совершенствование традиционных тепловых двигателей будет уже экономически нецелесообразно, т. к. будет пройден тот рубеж, при переходе через который стоимость изготовления, а также дальнейшей эксплуатации и обслуживания превысят экономическую выгоду от снижения расхода топлива, которую смогут обеспечить внедряемые технические решения, а единственным стимулом, оправдывающим усложнение конструкции двигателей и энергоустановок в целом, будет снижение эмиссии вредных веществ.
Все это предопределяет необходимость поиска свежих идей в области создания альтернативных конструкторских решений и новых типов двигателей, которые позволят поднять показатели тепловых двигателей на новую ступень, при этом сохранив рациональность их использования в автотранспортных средствах и малой энергетике.
Одним из таких решений, набирающим популярность в последнее десятилетие, является использование свободнопоршневых кинематических схем в тепловых двигателях, позволяющих получать механическую энергию, произведенную в результате сжигания топлива, непосредственно с рабочего поршня. Причины возобновления интереса научной общественности к данному направлению кроются в ряде преимуществ, которыми обладают свободнопоршневые (СП) тепловые двигатели в сравнении с традиционными двигателями, у которых тепловая энергия передается от поршня через кривошипно-шатунный механизм на вращающийся коленчатый вал двигателя. В частности, можно отметить, что свободнопоршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) превосходят кривошипно-шатунные аналоги по материалоемкости, технологичности и стоимости изготовления, массогабаритным параметрам, ресурсу, показателям удельного эффективного расхода топлива при низких требованиях, предъявляемых к используемому топливу, а также по уровню эмиссии вредных веществ [5]. Все эти преимущества в основном объясняются более высоким эффективным КПД таких двигателей, в частности, вследствие меньших механических потерь, а также простотой конструкции, потенциально лучшей уравновешенностью двигателя и возможностью обеспечения изменяемой степени сжатия.
В ходе проведения исследований одной из поставленных задач являлось формирование технического облика автотранспортной энергоустановки на базе СП ДВС.
Обзор ианализ существующих конструктивных решений
Очевидно, что на транспорте СП ДВС целесообразнее использовать в составе гибридной энергоустановки [6], а также в роли основной составляющей «увеличителя пробега» (в переводе с англ. «range extender») электромобилей [7] совместно с линейным генератором для выработки электроэнергии, которая в последствии должна использоваться для привода автомобиля и питания бортовых систем, а не в качестве движителя транспортного средства. В ходе сравнения существующих видов и концепций энергоустановок на базе СП ДВС, основанного на анализе современных научно-технических источников, были сделаны следующие выводы:
1) Наиболее предпочтительным по энергетическим показателям для СП ДВС является двухтактный рабочий процесс. Применение четырехтактного рабочего процесса для СП ДВС нецелесообразно в виду значительного снижения эффективности за счет большего числа преобразований энергии для реализации четырех рабочих тактов, а так же в связи с проблемами, связанными с неравномерностью работы установки, усложнения конструкции двигателя и потенциального увеличения его стоимости.
2) Важным вопросом при создании СП ДВС является выбор кинематической схемы с точки зрения количества, вида связи и взаимного направления перемещения рабочих поршней.
Применение компоновок с отдельной камерой сгорания для каждого рабочего поршня, в т. ч. одноцилиндровых или двух цилиндровых конструкций, но с жестко связанными поршнями, осложняется за счет неуравновешенности сил инерции, вследствие чего при работе двигателя будут возникать повышенные вибрации. Использование данных кинематических схем возможно при модульном подходе в создании энергоустановок, предусматривающим наличие четного числа СП ДВС, работающих в противофазе, и тем самым обеспечивающих взаимное уравновешивание, однако в данном случае могут возникнуть сложности с обеспечением их синхронизации.
Наиболее оптимальной кинематической схемой для СП ДВС, представленной на рисунке 1, является конструкция с двумя противоположно движущимися поршнями, объединенными общим цилиндром.
Рис. 1. Кинематическая схема СП ДВС с противоположно движущимися поршнями
Применение такого технического решения позволяет избавиться от вибраций за счет компенсации инерционных нагрузок при сохранении приемлемых массогабаритных показателей.
3) В качестве нагружающего устройства для СП ДВС в транспортной энергоустановке наиболее подходят асинхронные линейные машины на постоянных магнитах из редкоземельных металлов [8] за счет простоты конструкции, высокой эффективности, низкого уровня тепловых потерь, хороших динамических показателей и высокой точности позиционирования. Учитывая вышеописанную схему СП ДВС, основанную на двух противоположно движущихся поршнях, очевидно, что конструкция энергоустановки должна включать в себя две линейные электромашины, подвижные части которых жестко связаны с рабочими поршнями.
4) Результаты динамического анализа [9] показали, что для оптимизации энергоэффективных и массогабаритных показателей в состав энергоустановки на базе СП ДВС целесообразно ввести пневматические пружины, поршни которых жестко связаны с рабочими поршнями СП ДВС и подвижными частями электромашин (см. рисунок 2), выполняющие роль, во-первых, накопителей кинетической энергии, необходимой для возврата поршней в верхнюю мертвую точку для сжатия свежего заряда на каждом последующем такте, а во-вторых, дополнительного источника механической энергии для обеспечения работы линейных электрических машин в режиме генератора на всех тактах работы СП ДВС. Такой подход позволяет существенно минимизировать размеры подвижных частей линейных электромашин при значительном снижении инерционных нагрузок в системе.
Рис. 2. Схема энергоустановки на базе СП ДВС
Стоит отметить, что при выборе геометрических параметров пневмопружин необходимо искать компромисс между диаметром поршней и рабочим давлением. Увеличение диаметра, безусловно, позволяет понизить величину рабочего давления внутри пневмопружин, тем самым снижая требования к конструкционным параметрам их деталям, однако негативно сказывается на габаритных показателях энергоустановки в целом. Применение дополнительного жидкостного охлаждения позволяет нивелировать негативное влияние повышенного давления за счет понижения рабочей температуры в пневмопружинах.
5) Особое внимание при создании энергоустановок с СП ДВС необходимо уделить вопросу организации газообмена в двигателе. Процесс газообмена в свободнопоршневом двигателе целесообразнее осуществлять по двухтактной схеме через впускные и выпускные окна, поэтому рассмотрим подробнее различные методы организации продувки для данного типа двигателей и определим оптимальный из них.
Для свободнопоршневого двигателя аналогом кривошипно-камерной продувки является запоршневое пространство. Применение продувки посредством запоршневого пространства осложняется тем, что в нём должна осуществляться смазка цилиндропоршневой группы, при этом часть масла неизбежно будет попадать в рабочий цилиндр двигателя вместе с продувочным воздухом и сгорать вместе с топливовоздушной смесью, что негативно повлияет на экологические показатели СП ДВС. Другим вариантом газообмена является установка дополнительной продувочной камеры, которая будет обеспечивать продувку, но ее наличие будет увеличивать габаритные размеры двигателя. Оба указанные варианты имеют недостаток, свойственный всем классическим двухтактным двигателям, который заключается в том, что при газообмене кривошипно-камерной продувкой возникают проблемы с высоким процентом остаточных газов, кроме того, такая продувка не позволяет эффективно применять наддув.
Улучшение процесса газообмена может быть обеспечено за счет применения выпускных клапанов в системе газообмена двигателя по аналогу прямоточно-клапанной продувки цилиндра. Применение такой схемы позволяет управлять моментом закрытия выпускного клапана, что позволяет избежать выброса топливовоздушной смеси в выпускной коллектор, тем самым снизить расход топлива, а также позволяет эффективно использовать системы наддува и повысить мощность. Однако, применение клапанов в системе газообмена свободнопоршневого двигателя затруднено отсутствием вращающихся узлов, необходимых для привода кулачкового механизма, и невозможно без использования отдельных приводных агрегатов. Современный уровень развития электротехники и систем управления позволяет применить индивидуальный электромагнитный привод клапанов, но стоит учитывать, что его интеграция в двигатель принесет и ряд недостатков, к которым, например, можно отнести большие энергозатраты на электропривод и проблему обеспечения безударной посадки клапана в седло.
Учитывая тот факт, что концепция свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания не предусматривает наличие вращающихся элементов, которые могли бы обеспечить привод механизма газораспределения аналогично традиционным двигателям с КШМ, наиболее технологичным способом организации газообмена остается использование прямоточно-щелевой продувкой, схема которой представлена на рисунке 3. В данной схеме один поршень перекрывает выпускные окна, а второй продувочные.
Рис. 3. Прямоточно-щелевая схема газообмена в СП ДВС с противоположно движущимися поршнями
Применение прямоточно-щелевой продувки, предусматривающей наличие системы наддува, компрессора или продувочного насоса, позволяет производить качественную продувку цилиндра, за счет чего снижается коэффициент остаточных газов и повышается эффективность двигателя. Естественно, такая схема не лишена недостатков. Одним из них является снижение действительной степени сжатия за счет расположения окон возле НМТ, что обязательно должно учитываться при моделировании процессов в СП ДВС. Также стоит отметить, что данная концепция газообмена существенно ограничит возможность регулирования процесса наполнения свежим зарядом и отвода отработавших газов в ходе работы двигателя, однако, учитывая специфику применения СП ДВС для работы в составе автомобильной энергоустановки, которой характерны квазистационарные режимы, это техническое решение позволит достичь требуемых энергоэффективных показателей двигателя при значительном упрощении его конструкции и повышении надежности. Для повышения эффективных показателей СП ДВС целесообразно организовать продувку посредством турбокомпрессора, приводимого кинетической энергией отработавших газов.
6) Рассматривая проблему организации смазки в СП ДВС, можно отметить, что применение в свободнопоршневых двигателях смазки путем разбавления топлива маслом, характерной для двухтактных двигателей, неэффективно, так как это возможно только при использовании продувки запоршневым пространством, кроме того такая организация смазки приводит к росту концентрации вредных веществ, выбрасываемых двигателем в атмосферу. Стоит также отметить снижение потребительских и эксплуатационных показателей ДВС с описанной организацией системы смазки вследствие необходимости подготовки бензо-масляной смеси в процессе каждой заправки топливом.
Применение классической комбинированной системы смазки, характерной для четырехтактных двигателей, в свободнопоршневом двигателе осложнено наличием в зоне хода компрессионных и маслосъемных (в некоторых случаях) колец органов газообмена, поэтому разработка системы смазки требует особого внимания. Одним из перспективных на сегодняшний день технических решений, позволяющих повысить экономические, экологические и ресурсные показатели ДВС, является совместное использование комбинированной системы смазки пониженной производительности и твердых смазочных покрытий, наносимых на детали трения [10, 11].
7) При создании энергоустановок на базе СП ДВС, учитывая характер тепловыделения в таких двигателях, которым свойственны большая скорость и величина тепловыделения в сравнении с кривошипно-шатунными ДВС (см. рисунок 4), вопрос правильной организации охлаждения деталей двигателя играет важное место. Ситуацию усугубляет также необходимость минимизации массы всех подвижных частей двигателя, в т. ч. рабочих поршней, в угоду снижения инерционных нагрузок, что предъявляет повышенные требования к отводу тепла от нагревающихся деталей, учитывая повышенную теплонапряженность двухтактного двигателя.
Для свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания в составе энергоустановки предпочтительно использование жидкостной системы охлаждения с регулируемой производительностью и независимым электроприводом, которая позволит точно регулировать температурный режим двигателя вне зависимости от параметров окружающей среды, а также даст возможность в перспективе повысить энергоэффективность энергоустановки в целом путем реализации различных мероприятий по утилизации тепловой энергии, в том числе отводимой в систему охлаждения [13, 14, 15] и с отработавшими газами [16, 17, 18], в том числе, используемыми в системе рециркуляции отработавших газов.
Рис. 4. График скорости тепловыделения [12]: 1 — свободнопоршневой двигатель; 2 — обычный дизельный двигатель
8) Учитывая целесообразность реализации двухтактного рабочего цикла в СП ДВС, для обеспечения в нем лучшей топливной экономичности и высоких экологических показателей необходимо использовать систему непосредственного впрыска топлива, которая позволит обеспечить точное дозирование цикловой подачи топлива и исключить выброс топлива в выпускной коллектор в процессе продувки цилиндра.
Выводы
В настоящей статье проведен сравнительный анализ конструктивных параметров основных элементов и сформирован технический облик транспортной энергоустановки на базе свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания. Объединение предложенных технических решений позволит обеспечить оптимальное сочетание экологических, энергоэффективных и многих эксплуатационных показателей при интеграции свободнопоршневого двигателя в состав транспортного средства.
Статья подготовлена в рамках проведения НИР по теме «Разработка научных основ и практических способов совершенствования показателей свободнопоршневых тепловых двигателей для транспортных и стационарных энергоустановок» в рамках стипендии Президента Российской Федерации для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики, регистрационный номер СП-264.2015.1 при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
Литература:1. Хрипач Н. А., Лежнев Л. Ю., Папкин Б. А., Шустров Ф. А., Татарников А. П., Тингаев Н. В. Анализ конструкций, обеспечивающих максимальную термодинамическую эффективность поршневых двигателей//Известия МГТУ «МАМИ». Научный рецензируемый журнал. -М.: МГТУ «МАМИ», 2012. — № 2 (14). -Т. 1 -С. 360–367.
2. Петриченко Д. А., Хрипач Н. А., Лежнев Л. Ю., Папкин Б. А., Шустров Ф. А., Татарников А. П. Использование многопараметрической нейросетевой модели управления энергоустановками на базе двигателя внутреннего сгорания. Известия Московского государственного технического университета МАМИ. 2012. Т. 1. № 1. — 81 с.
3. Лежнев Л. Ю. Улучшение топливно-экономических и экологических показателей ДВС в составе комбинированных энергетических установок автотранспортных средств. Дисс. на соиск. Ученой степени канд. техн. наук — М: НАМИ, (2005) — 134с.
4. Лежнев Л. Ю., Иванов Д. А. Способы повышения энергоэффективных показателей двигателей с внешним подводом теплоты, работающих в составе установок автономного энергоснабжения//Современные проблемы науки и образования. 2013. № 5; URL: www.science-education.ru/111–10139.
5. Шустров Ф. А. и др. Оценка эффективности использования свободнопоршневых тепловых двигателей в составе транспортных и стационарных энергоустановок. / Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. № 10–3. С. 449–453.
6. Лежнев Л. Ю., Минкин И. М. АТС с комбинированной энергетической установкой//Автомобильная промышленность. 2003. — № 11 — С. 15–17.
7. Эйдинов А. А., Каменев В. Ф., Лежнев Л. Ю. Электромобили и автомобили с КЭУ//Автомобильная промышленность. 2002, № 11.
8. Goncharov V. I., Ezhov E. V., Chirkin V. G., Shirinsky S. V., Petrichenko D. A. Linear Alternator with Reciprocating Mover: Review of Designs and Machine Types. Biosciences Biotechnology Research Asia, 2015, Vol. 12(Spl. Edn. 2), pp. 409–418.
9. Petrichenko D., Tatarnikov A., Papkin I. Approach to Electromagnetic Control of the Extreme Positions of a Piston in a Free Piston Generator. Modern Applied Science. Vol. 9, No. 1, 2015, pp. 119–128.
10. Nikolay Khripach, Leonid Lesnevskiy, Maxim Lyahovetskiy, Alexander Troshin. Potential of Microarc Oxidation for Implementation of Dry Friction and Boundary Lubrication Modes in Free-piston Internal Combustion Engines. International Journal of Applied Engineering Research ISSN 0973–4562 Volume 10, Number 20 (2015), pp 40956–40964.
11. L. N. Lesnevskiy, L. Yu. Lezhnev, M. A. Lyakhovetskiy,A. E. Troshin, P. V. Gavrilov, and A. M. Ushakov. Inorganic Solid Lubricating Coatings for Heat Engines and Power Plants. Journal of Machinery Manufacture and Reliability, 2015, Vol. 44, No. 5, pp. 455–463.
12. R. Mikalsen, A. P. Roskilly «A Review of Free-Piston Engine History and Applications», Applied Thermal Engineering, Vol. 27, № 14–15, 2007.
13. Nikolay Anatolyevich Khripach, Viktor Sergeyevich Korotkov and Igor Arkadyevich Papkin. Thermoelectric cooling system for internal combustion engine. Part 1: development of the technical aspects. International Journal of Applied Engineering Research, ISSN 0973–4562, Volume 11, Number 15 (2016), pp 8547–8552.
14. Nikolay Anatolyevich Khripach, Denis Alekseevich Ivanov and Igor Arkadyevich Papkin. Thermoelectric Cooling System for Internal Combustion Engine Part 2: Experimental Studies. International Journal of Applied Engineering Research ISSN 0973–4562 Volume 11, Number 15 (2016), pp 8540–8546.
15. Boris Arkadyevich Papkin, Nikolay Anatolyevich Khripach, Viktor Sergeevich Korotkov and Denis Alekseevich Ivanov. Thermoelectric generator for a vehicle engine cooling system research and development. International Journal of Applied Engineering Research ISSN 0973–4562 Volume 11, Number 15 (2016), pp 8557–8564.
16. Khripach N., Papkin B., Korotkov V. Thermoelectric generators of motor vehicle powertrains, problems and prospects. Life Sci J 2014;11(12):503–507.
17. Nikolay Anatolyevich Khripach, Boris Arkadyevich Papkin, Viktor Sergeevich Korotkov and Dmitriy Vladimirovich Zaletov. Study of the Influence of Heat Exchanger Body Design Parameters on the Performance of a Thermoelectric Generator for Automotive Internal Combustion Engine. BIOSCIENCES BIOTECHNOLOGY RESEARCH ASIA, September 2015. Vol. 12(Spl. Edn. 2), pp. 677–689.
18. NikolayAnatolyevichKhripach, BorisArkadyevichPapkin, ViktorSergeevichKorotkov, AlexanderSergeevichNekrasovandDmitriyVladimirovichZaletov. Effect of a Thermoelectric Generator on the Fuel Economy of a Vehicle Operating in a Real-world Environment. BIOSCIENCES BIOTECHNOLOGY RESEARCH ASIA, September 2015. Vol. 12(Spl. Edn. 2), pp. 375–386.
Основные термины (генерируются автоматически): свободнопоршневой двигатель, двигатель, внутреннее сгорание, баз СП, показатель, кривошипно-шатунный механизм, транспортная энергоустановка, создание энергоустановок, поршень, Российская Федерация.
moluch.ru
Оценка удельной мощности свободнопоршневого двигателя Стирлинга
Переводчик: Илья Духанин, май 2016 год
Seon-Young Kim (Сеон-Янг Ким)
Sunpower, Inc., Athens, Ohio, 45701
David M. Berchowitz (Дэвид М.Берховиц)
Global Cooling Manufacturing, Inc., Athens, Ohio, 45701
4th International Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit (IECEC)
26 — 29 June 2006, San Diego, California
NASA предпринимает усилия для создания систем преобразования энергии высокой мощности для использования в космосе, и его требования сосредоточены на высоком КПД и малой массе. В этой статье представлены предварительные разработки и оценки удельной мощности свободнопоршневых двигателей Стирлинга с высоким КПД с выходной электрической мощностью 5, 10 и 25 кВт.
В каждой компоновочной схеме рассмотрены несколько конфигураций двигателей: одноцилиндровая и двухцилиндровая оппозитная схемы бета и трёх-, четырёх- и шестицилиндровые схема альфа. Критический фактор получения высокой удельной мощности связан с оптимизацией удельной мощности генератора переменного тока. Показана сильная функциональная зависимость от амплитуды поршня. Определено, что монококовые оребренные головки являются компромиссными при температурных градиентах и стенках под давлением. Эти температурные градиенты становятся значительными при уровне мощности выше 2 кВт. Показана ступенчатая поршневая альфа-компоновка с тремя цилиндрами, имеющая предпочтительную динамику для высокого КПД и хорошей удельной мощности.
1. Вступление
Свободнопоршневые двигатели Стирлинга (СПДС) обладают высоким потенциалом для применения в области космической энергетики благодаря не только своему высокому КПД, низкой массе и длительному сроку эксплуатации, но также и из-за их приспособления к различным тепловым источникам: солнечному излучению, радиоизотопным и ядерным реакторам. В 1989 г. вышел отчёт MTI [1] по изучению двигателей мощностью от 25 и до 150 кВт. Второй отчёт MTI [2] описывал программу разработки СПДС мощностью 50 кВт с 1988 по 1993 г. Кроме того, в течение многих десятилетий в НАСА проводились исследования по использованию атомной энергии для применения на поверхности Луны и Марса. Как предполагается, лунная миссия будет реализована в начале 2020-х годов, и ожидается, что на начальных этапах строительства требования к мощности для населённых людьми станций и баз на поверхности планеты будут находиться в диапазоне от 25 до 100 кВт. По мере того, как база станет полностью рабочей, дальнейшие требования электрической мощности могут достигать 1 MBт [7]. Для успешного использования в космосе требуется, чтобы СПДС имел высокий КПД, поскольку, вполне вероятно, он будет присоединен к массивному реактору и радиатору.
Удельная мощность СПДС также вызывает озабоченность в связи со связанными сложностями при транспортировке тяжёлых деталей в космос.
Фирма Sunpower провела множество проектов по программе NASA SBIR (Small Business Innovative Research – инновационные исследования малого бизнеса), включающие свободнопоршневые преобразователи Стирлинга электрической мощностью 35 Вт [3] и 80 Вт [4], а также разрабатывает «Advanced Stirling Converter» (ASC – усовершенствованный преобразователь Стирлинга) [5, 8] по трехгодичной программе NASA. Характеристики производительности, основанные на недавних экспериментах с аппаратурой и анализе [6], показывают, что достигаются значительно более высокие показатели по сравнению с предыдущими исследованиями. В феврале 2006 года фирма Sunpower совместно с фирмой Global Looking начали проводить исследования СПДС большой мощности по программе NASA (SBIR) Фаза 1. Целью программы является дать предварительную конструкторскую информацию по СПДС с высокой удельной мощностью для применения в космосе. С этой целью были исследованы различные конфигурации свободнопоршневых двигателей, включая так называемый альфа-компоновку. Для заданного уровня мощности альфа-компоновка имеет преимущества вследствие наличия множества меньших цилиндров, имеющих более тонкие стенки, большего отношения площади поверхности к объему, а также из-за наличия только одной подвижной на цилиндр.
В этой статье представлены некоторые предварительные схемы и оценки удельной мощности СПДС с высоким КПД для выходной электрической мощности 5, 10 и 25 кВт. Для каждой схемы были рассмотрены несколько конфигураций двигателей: одноцилиндровые и двухцилиндровые оппозитные бета-схемы, а также многоцилиндровые альфа-схемы (три, четыре и шесть цилиндров). Ступенчатая поршневая альфа-компоновка с тремя цилиндрами, имеющая предпочтительную динамику для высокого КПД и хорошей удельной мощности
Альфа-конфигурация с тремя ступенчатыми поршнями, предложенная доктором Берковицем, была найдена наиболее предпочтительной при отличной динамике КПД и хорошей удельной мощности.
2. Требования к системе и некоторые моменты конструкции двигателей
Как уже упоминалось, ожидается, что требуемая электрическая мощность для лунной станции будет не менее 25 кВт. Основываясь на исследованиях различных электрических систем с атомным реактором, максимальная температура нагрева головки принималась равной 1050 К, являющейся максимально допустимой для суперсплава конструкции двигателя Стирлинга. При использовании в космосе температура отводимого теплоты оптимизируется из условия минимума удельной массы радиатора, что приводит к температуре намного большей, чем температура для наземных систем. Основываясь на предыдущем исследовании, температура отвода теплоты в 500 К считается приемлемой для допустимой массы радиатора [7].
Массы реактора и радиатора настолько определяют массу и размер системы, что это становится критичным для СПДС, обладающим высоким КПД. Фактически, удельная мощность двигателя является вторичным важным фактором. Поэтому возникает вопрос: какова должна быть удельная масса при максимально возможном КПД?
С целью решения этой задачи, были исследованы несколько уровней мощности двигателей и конфигураций, чтобы попытаться оценить зависимость между размером, уровнем мощности и конфигурацией. Были исследованы три уровня электрической мощности: 5, 10 и 25 кВт для пяти различных физических конфигураций, а именно, одинарная бета-конфигурация, двойная оппозитная бета-конфигурация и трёх- четырёх- и шестицилиндровые альфа-конфигурация. Одинарная бета-конфигурация мощностью 25 кВт была исключена, так как такое же исследование уже проводилось MTI [1] и послужило точкой для сравнения. Температуры нагревателя и охладителя были приняты равными 1050 К и 500 К, как и принималось в исследовании NASA [7] для жаростойкого реактора, имевшего большее отношение температур, чем у реактора (850 К/460 К) из нержавеющей стали. Рабочим газом был гелий, а давление наддува и рабочая частота определялись в зависимости от динамики термодинамического цикла и оптимизации генератора. В таблице 1 представлены основные конструктивные параметры двигателей.
| Таблица 1: Основные конструктивные параметры двигателей | ||||||
| Наименование параметра | Ед. изм. | Виды конфигураций | ||||
| Одинарная бета | Двойная оппозитная бета | Многоцилиндровые альфа | ||||
| Количество цилиндров | 1 | 2 | 3 | 4 | 6 | |
| Мощность | кВт | 5, 10 | 5, 10,25 | ← | ||
| Th | K | 1050 | ← | ← | ||
| Tc | K | 500 | ← | ← | ||
| Давление* | Бар | 45 | 36~48 | 36~48 | 28~48 | 26~43,5 |
| Рабочая частота* | Гц | 65~70 | 65~70 | 50~60 | 60 | 60~65 |
| *Определено при обеспечении условия, что подрессоренная масса больше массы магнита. Эти параметры не являются произвольными. | ||||||
3. Конструкции схем двигателей
А. Конфигурация теплообменника двигателя.
Обычно предполагается, что нагреватели будут изготовлены из трубок, а охладители будут изготовлены в виде трубчато-оболочечной конструкции. Количество трубок на головках колеблется от 120 до 270, что меньше по сравнению с более, чем 1000 у SPED (Space Power Demonstrator Engine – демонстрационный космический двигатель), разработанного MTI [2]. Однако, в случае четырёх- и шестицилиндрового двигателей электрической мощностью 5 кВт двигателя, а также шестицилиндрового двигателя электрической мощностью 10 кВт предполагается оребрённая монококовая конструкция. Использование оребрённых монококовых головок очень затруднительно при температурных градиентах от первичных поверхностей теплопередачи в высокоэнергетических областях применения. Расчёты показывают то, что характеристика эффективности монококовых устройств начинает падать сразу после уровня входной тепловой мощности 3 кВт, а при мощности 6 кВт становятся серьёзно пониженной.
Таким образом, в исследование включаются монококовые головки для случаев, когда принимаемый тепловой поток достаточно низок (то есть, четырех- и шестицилиндровая схемы электрической мощностью 5 кВт и шестицилиндровая схема электрической мощностью 10 кВт). Конечно, такие решения, как головки типа «морская звезда», предложенные MTI [2], будут расширять применяемость монококовых головок, но подобные решения выходят за рамки этого исследования.
Все рассмотренные здесь конструкции имеют регенератор из фольги, размещаемый в виде кольца вокруг поршня. Ожидается, что предлагаемый регенератор из фольги обладает более высокой надёжностью и приемлемой тепловой характеристикой. Для нагревательных трубок предлагается использовать сплав Inconel 718, а для охладителя и регенератора – нержавеющую сталь.
Б. Крышка-головка двигателя и сосуд для давления
В качестве материалов для головки приняты сплавы Mar-M-247 или Udimet-720. Inconel 625 принят в качестве материала для ёмкости под давлением, так как он превосходит по отношение допустимого напряжения к плотности нержавеющую сталь.
В. Термодинамика
Все оценки производительности были сделаны, используя сопряженные линейные термодинамические и динамические вычисления посредством SAUCE (запатентованная программа свободнопоршневого моделирования). При оценке были учтены все известные потери в механизмах. Они включали в себя перетекание между вытеснителем и поршнем, усилие газового подшипника, гистерезис газа, внутренние потери на теплопроводность, работа генератора вне резонанса и т.д. Расчёты были нормированы по множеству устройств, и обычно предсказывали фактическую производительность с 5-10 процентной точностью.
Г. Динамика
В каждом случае была рассчитана свободнопоршневая динамика. Это необходимо для определения допустимой для поршня подпружиненной массы, которая должна больше массы магнита, чтобы разместить дополнительную массу конструкции поршня (смотри Дополнение). Для упрощения сравнений, подпружиненная масса вычисляется только от эффекта газовой пружины термодинамического цикла.
В расчете не рассматривалось дополнительное подпружинивание от механической, магнитной или отдельной газовой пружин. Подпружиненная масса устанавливается на некотором определенном значении над массой магнита, так что может быть рассчитана дополнительная конструкционная масса поршня. Конечно, это не точно, однако это должно дать подходящую начальную точку для подробной конструкции. В случае вытеснителей, можно допустить то, что масса узла вытеснитель-пружина будет масштабироваться, соответственно отношению диаметра вытеснителя к 1 Вт электрической энергии Sunpower FPSE (аналогично предполагалось для узла вытеснитель-пружина).
Ошибки в оценке общей массы конструкции узлов вытеснителя и поршня являются, вероятно, незначительными, поскольку они составляют малую долю общей массы системы. Более важным является факт, что достаточно бесспорно, что определенная рабочая частота достижима, поскольку это дает эффект первого порядка массы системы. Это гарантия того, что пытаются дать динамические вычисления.
Продолжение Оценка удельной мощности свободнопоршневого двигателя Стирлинга (часть 2)
centaurproject.com
Новейшие коммерческие разработки свободнопоршневых двигателей для применения в автомобилях (часть1)
Перевод Илья Духанин, июнь 2016г.
Recent commercial free-piston engine developments for automotive applications
M. Razali Hanipaha, b*, R. Mikalsen a, A.P. Roskilly a
aSir Joseph Swan Centre for Energy Research, Newcastle University, Newcastle upon Tyne, NE1 7RU, United Kingdom
bFaculty of Mechanical Engineering, Universiti Malaysia Pahang, 26600, Pekan, Pahang, Malaysia
*Corresponding author. Email:
Аннотация
В последние годы активно исследуются свободнопоршневые двигатели, однако в коммерческой области они пока ещё не имеют успеха. В статье проведен обзор известных современных коммерческих разработок систем со свободнопоршневыми двигателями, особенно имеющих целью применение в тяговом тракте гибридных электрических транспортных средств, что обсуждается в свете опубликованных исследований. Обращаясь к новейшим публикациям и, в особенности, к патентным документам ведущих промышленных изготовителей, знакомясь с менее широко известным коммерческим исследованием, излагаются усилия по свободнопоршневым двигателям. В дальнейшем в этих публикациях показаны главные технические проблемы, которые встают перед исследователями этой технологии.
1. Вступление
Свободнопоршневые двигатели являются многообещающей альтернативой традиционным двигателям для гибридных транспортных средств или внедорожных транспортных средств с гидравлическим приводом [1-3]. Такие двигатели появились в середине 20 века в качестве газогенераторов и воздушных компрессоров, показывая в целом преимущественные характеристики [1]. В последние годы свободнопоршневые двигатели начали исследоваться множеством групп по всему миру, как с академической стороны, так и с возможностью практического использования. Одним из ключевых движущих мотивов этих исследовательских усилий является, вероятно, потенциал свободнопоршневых двигателей в создании компактных и эффективных мощных электрических генераторов для гибридных транспортных средств.
Как генератор электрической энергии свободнопоршневой двигатель имеет некоторые потенциальные преимущества над традиционными двигателями с коленчато-шатунным механизмом: они механически проще, имеют более компактную конструкцию, благодаря встроенному генератору и единственному подвижному компоненту. С другой стороны, традиционные генераторы имеют коленчато-шатунный механизм, маховик и механические соединения. Отсутствие коленчато-шатунного механизма будет значительно снижать потери на трение, поскольку нет бокового биения поршня, возникающего в результате преобразования линейного движения во вращательное, а также за счёт меньшего числа деталей, что означает уменьшение контактного трения во всей системе. Кроме того, такая «без-кривошипная» работа делает такт расширения более быстрым, что снижает потери от теплопередачи тепла в цилиндре [4]. К тому же может быть реализована переменная степень сжатия для требуемого управления нагрузкой, что может позволить свободнопоршневому двигателю работать в оптимальном диапазоне циклической скорости для максимального КПД. Эти преимущества могут дать эффективный первичный привод с пониженными вредными выбросами для применения в гибридных транспортных средствах [5-8].
Концепция свободнопоршневого двигателя представляет значительный академический интерес. Множество групп сообщают об исследованиях различных аспектов этой технологии (см., например, обзор Mikalsen и Roskilly [1]). Примеры совсем недавних исследований свободнопоршневого двигателя включают работы по гидравлическим [9-11] и электрическим свободнопоршневым двигателям [12-15], выполненные группами Пекинского института технологии, работы Национального Университета науки и технологии Тайваня [16], Университета Джиао Тонг Шанхая [17], Университета Тянжина [18], Прикладного института науки и технологии Кореи [19], Стэнфордского университета [20], Наньджинского университета [21], Университета технологий Петронас [22,23] и Университета Ньюксла [4, 24-30].
Однако сообщения о проводимых коммерческих разработках свободнопоршневых двигателей довольно редки, хотя и известно, что многие крупные автомобильные концерны вовлечены в такого рода исследования, например: участие Volvo в финансируемом ЕС проекте «Свободнопоршневого преобразователя энергии», Lotus Engineering в проекте «Свободнопоршневого преобразователя энергии с нулевым ограничением», финансируемым Британским советом инженерных и физических наук и научно-исследовательской работы (EPSRC). Одной из причин скудного количества сообщаемых коммерческих исследований свободнопоршневого двигателя может состоять в различных целях между академическими и коммерческими исследовательскими группами. Академические исследователи естественно стараются наиболее широко распространять свои результаты, в то время как коммерческие участники имеют тенденцию защитить подробности свою коммерческую интеллектуальную собственность засекречиванием или патентованием.
В этой статье ставится цель дать определение и обзор некоторых современных разработок систем свободнопоршневого двигателя, особенно с целью применения в тяговых трактах гибридных транспортных средств. Анализ очерчивает большой объем опубликованной патентной информации от основных коммерческих участников. Это позволяет нам идентифицировать те концепции свободнопоршневого двигателя, которые наиболее близки к коммерческой стадии. Кроме того, патентные документы, вероятно, касаются тех аспектов, которые представляют наиболее важные технические проблемы концепции свободнопоршневого двигателя. Следовательно эти материалы могут служить индикатором того, как эти разработчики смотрят на ключевые проблемы, чтобы решить их и сделать эту технологию коммерчески жизнеспособной.
2. Современное развитие свободнопоршневых двигателей
Представленные здесь данные основаны на обзоре современных патентов и патентных заявок основных автомобильных производителей, занимающихся технологией свободнопоршневого двигателя (СПД). Примечательно, что современный интерес к этой технологии для применения в автомобилях сосредоточен почти исключительно на СПД с гидравлическим насосом и СПД с электрическим генератором в противоположность области применения в воздушных компрессорах и газогенераторах, которые были в центре внимания в ранних разработках [1].
Данные для этого обзора были получены посредством патентного поиска по Международной патентной классификации по классу FO2B71 и с помощью использованиям ключевых слов. Таким образом на основе результатов поиска определялся верхний список патентных заявок, а также по этому набору данных проводились некоторые прямые поиски для имен известных компаний. Используя эту стратегию, для нас стало возможно широко охватить патенты по СПД, исключая какую-либо ошибку, основанную на законных именах субъектов права, а также прямо идентифицируя коммерческих участников рынка, известных по участию в исследовательских проектах по СПД.
2.1 General Motors
Современные патентные заявки от General Motors [31,32] описывали оппозитные поршневые концепции, работающие по двухтактному циклу в конфигурации, представленной на рис. 1.
![Рис. 1. Оппозитно-поршневой тип свободнопоршневого генератора (FPLA) [31,32]](/800/600/http/centaurproject.com/wp-content/uploads/Ris.-1.-Oppozitno-porshnevoy-tip-svobodnoporshnevogo-generatora-FPLA-3132-1024x477.jpg)
Рис. 1. Оппозитно-поршневой тип свободнопоршневого генератора (FPLA) [31,32].
Следует отметить, что эта концепция очень похожа на первое поколение свободнопоршневых компрессоров и газогенераторов [1], таких как газогенератор Sigma GS-34, показанный на рис. 2, однако отличается тем, что не предусматривается механизм синхронизации. Выходная электрическая мощность достигается за счёт интегрированной электрической машины с постоянными магнитами, встроенными в поршни и катушек обмоток, смонтированных в корпусе цилиндров.
В то время как первое поколение свободнопоршневых двигателей использовало механическую синхронизацию, это решение GM имеет цель использовать буферные камеры и электрическое торможение для синхронизации и управления обоими поршнями [31]. Для встроенных в поршни постоянных магнитов должна обеспечиваться оптимальная температура путём наличия прослойки воздуха от продувочной камеры вокруг поршней. Ход поршня может управляться электрическим торможением, а также регулированием давления в буферной камере.
![Рис. 2. Схема свободнопоршневого газогенератора GS-34 [1] (см. также London и Oppenheim [33], Flynn [34] и Huber [35])](/800/600/http/centaurproject.com/wp-content/uploads/Ris.-2.-Shema-svobodnoporshnevogo-gazogeneratora-GS-34-1-sm.-takzhe-London-i-Oppenheim-33-Flynn-34-i-Huber-35.jpg)
Рис. 2. Схема свободнопоршневого газогенератора GS-34 [1] (см. также London и Oppenheim [33], Flynn [34] и Huber [35]).
Как сообщалось различными исследователями, отсутствие маховика стало одной из главных проблем при запуске и работе свободнопоршневого генератора для свободнопоршневой конструкции из спаренных поршней [1, 21, 22, 36]. Причина состоит в том, что имеющееся прямое влияние сгорания в одном цилиндре будет изменять профиль движения на следующем цикле и, следовательно, процесс сжатия в другом цилиндре. Таким образом, во время работы могут получаться изменения степени сжатия, что может привести к нестабильной работе или даже к пропуску воспламенения.
Заявка на патент от Holmes [37] представляет концепцию решения этого вопроса при помощи «электрического маховика». В системе, показанной на рис. 3, линейная машина (свободнопоршневой двигатель) электрически соединена с помощью двух комплектов катушек к вращающейся машине (в середине) и к батарейному источнику питания через преобразователь. Дополнительно, двигатель с переменной скоростью может быть механически связан через редуктор с вращающейся машиной, а также электрически связан со всей системой через два набора катушек, как описано в патенте.
Поршень сделан из ферромагнитного материала. Принцип работы системы может быть описан следующим образом (для первой камеры сгорания). Во время запуска батарея питает пусковым током (), который двигает поршень возвратно-поступательно и обеспечивает вращение вращающейся машины, чтобы получить для нескольких циклов достаточную энергию инерции. Когда в цилиндре номер один достигаются необходимые условия, впрыскивается топливо и воспламеняется для сгорания. При воспламенении питающий ток выключается, в то время как поршень движется ко второму цилиндру, индуцируется первый ток (I1) в первой катушке. На протяжении всего хода I1 будет поддерживать работу вращающейся машины, чья инерция вращения индуцирует второй ток I2 в четвёртой катушке. Второй ток используется для точного позиционирования поршня во второй камере сгорания посредством второй катушки. Затем, когда происходит второе сгорание, это индуцирует генераторный ток Ig для работы цикла. Этот ток может быть использован для зарядки батареи и привода внешних нагрузок.
![Рис. 3 Работа системы с электрическим маховиком (двигатель с регулируемой скоростью не показан) [37]](/800/600/http/centaurproject.com/wp-content/uploads/Ris.-3-Rabota-sistemyi-s-e`lektricheskim-mahovikom-dvigatel-s-reguliruemoy-skorostyu-ne-pokazan-37-1024x701.jpg)
Рис. 3 Работа системы с электрическим маховиком (двигатель с регулируемой скоростью не показан) [37].
Благодаря этой конструкции две машины (то есть линейная и вращающаяся) будут попадать в режим синхронной работы, и, следовательно, в случае если свободнопоршневой двигатель отстаёт или обгоняет, то инерция вращения вращающейся машины будет производить тормозящую или ускоряющую силу посредством катушек. Это может тогда снизить или сбалансировать изменения от цикла к циклу, для того чтобы достичь устойчивой работы, а также предотвратить пропуски воспламенения. Следовательно, в принципе это устройство может функционировать как «электрический маховик», который так или иначе отсутствует в свободнопоршневом генераторе.
Хотя в этой заявке на патент описывается свободнопоршневой генератор с двойной камерой сгорания, в то же время в поздних патентах [31, 32] описанных прежде, показан тип с оппозитными поршнями, этот метод может быть, в принципе, использован для любого типа свободнопоршневого двигателя.
Продолжение Новейшие коммерческие разработки свободнопоршневых двигателей для применения в автомобилях(часть2)
centaurproject.com
УДК 628.51 Проектирование комбинированного глушителя шума энергетических установок Нестеров Н. С., студент Россия, 105005, г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, кафедра «Экология и промышленная безопасность»
6-я я Международная конференция Энергоэффективность в жилищно-коммунальном хозяйстве и промышленности, АДСОРБЦИОННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА И ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ
Пресс-релиз 28 сентября 2011 BMW продолжает борьбу за снижение вредных выбросов Даже очень эффективный двигатель внутреннего сгорания может преобразовать только около одной трети энергии топлива в механическую
Принцип действия: Винтовые насосы Перекачивание жидкости происходит за счёт перемещения её вдоль оси винта в камере, образованной винтовыми канавками и поверхностью корпуса. Винты, входя винтовыми выступами
.. УКРАИНА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР АЛТЕК - 8026 Предназначен для преобразования в электрическую энергию промышленных тепловых отходов, отходов тепла от тепловых машин (двигателей внутреннего сгорания,
Паровинтовые установки (ПВУ) AES AUSTRO ENERGY SYSTEMS AG 1 Паровинтовые установки Паровинтовые установки (ПВУ) от Austro Energy Systems Int. AG ведущие в мире системы роторно-паровых двигателей в целях
Санкт-Петербург. Издательство Политехнического университета -(147)/01 Научно-технические ведомости СПбГПУ НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ Министерство образования и науки РФ Санкт-Петербургский государственный политехнический
Газотурбинные установки Газотурбинные установки ГТУ имеют единичную электрическую мощность от двадцати киловатт (микротурбины) и до нескольких десятков мегаватт это классические газовые турбины Г Т У Газотурбинные
Тема 8 Второе начало термодинамики. Тепловые машины. Цикл Карно.. Теоремы Карно. К.п.д. цикла Карно.. Различные формулировки второго начала термодинамики.. еосуществимость вечных двигателей.. Тепловые
Занятие 8. Термодинамика Вариант 4... Как изменяется внутренняя энергия идеального газа при повышении его температуры?. Увеличивается. Уменьшается. Не изменяется 4. Это не связанные величины 4... Давление
УДК 62-176.2 Зайнуллин Р.Р. к.ф.-м.н., старший преподаватель кафедры ПЭС Гафуров А.М. инженер I категории УНИР ФГБОУ ВО «КГЭУ» Россия, г. Казань ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ БИНАРНОГО ЦИКЛА В СОСТАВЕ КОНДЕНСАЦИОННОЙ
УДК 62-176.2 Гафуров А.М. инженер I категории УНИР ФГБОУ ВО «КГЭУ» Зайнуллин Р.Р. к.ф.-м.н., старший преподаватель кафедры ПЭС ФГБОУ ВО «КГЭУ» Россия, г. Казань ВОЗМОЖНОСТИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
5 6 7 8 Аннотация Тема выпускной работы: «Проект Микро ТЭЦ на основе твердотопливного котла и двигателя Стирлинга». В данной выпускной работе были рассчитаны: мощность свободнопоршневого двигателя Стирлинга
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Модуль
Ветроэнергетическая установка. Область техники, к которой относится изобретение. Ветроэнергетическая установка служит для преобразования энергии ветра в механическую энергию. Уровень техники Известно множество
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ (19) RU (11) (1) МПК F02G /02 (06.01) 167 3 (13) U1 R U 1 6 7 3 3 U 1 ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ (12) ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ (21)(22) Заявка:
Механизм- система искусственно соединенных элементарных тел (звеньев), в которой при заданном движении одного или нескольких звеньев, все остальные звенья движутся определенным образом. Рычажные механизмы-
Насос гидравлическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии двигателя в гидравлическую энергию перекачиваемой жидкости. Основные особенности насосов объемного действия: 1. Наличие
AUSTRO ENERGY SYSTEMS INT. AG, E-Mail: [email protected], www.aes-int.com 1 О компании Компания «Austro Energy Systems Int. AG» уже более 12 лет является ведущим производителем когенерационных тепло электростанций
Осипов М. 10 «4» класс Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе
УДК 621.314.21 НОВОЕ ПОКОЛЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ С.В. Елкин, Л.С. Араратьян В системах электроснабжения, как правило, применяют масляные трансформаторы (МТ). Сухие трансформаторы (СТ) используются только
1 МКТ и термодинамика. Графики и формулы Ответами к заданиям являются слово, словосочетание, число или последовательность слов, чисел. Запишите ответ без пробелов, запятых и других дополнительных символов.
УДК 62-176.2 Гафуров А.М. инженер I категории УНИР ФГБОУ ВО «КГЭУ» Зайнуллин Р.Р. к.ф.-м.н., старший преподаватель кафедры ПЭС ФГБОУ ВО «КГЭУ» Россия, г. Казань ВОЗМОЖНОСТИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ МИНИ-ТЭЦ Мусин Р.И. 1, Юрик Е.А. 2 магистрант 1, к.т.н., доцент 2 кафедра тепловых двигателей и теплофизики, Калужский филиал Московского государственного технического университета
docplayer.ru
Изобретение относится к двигателестроению, а именно к свободнопоршневым двигателям, и может быть использовано в качестве двигателя для привода тихоходных поршневых насосов без промежуточных преобразований движения, а также для привода любых потребителей от вращающегося приводного вала с использованием в качестве источника энергии энергии как высоко-, так и низкопотенциальных газовых сред. В свободнопоршневом двигателе, содержащем основание, на котором установлен цилиндр, внутри которого размещен поршень, впускные и выпускные клапаны с механизмами их привода, согласно изобретению цилиндр закреплен на основании с возможностью качания в вертикальной плоскости относительно центра его продольной оси, на обоих концах цилиндра расположены головки с впускными и выпускными клапанами, к которым посредством гибких магистралей подведена рабочая среда. Изобретение позволяет упростить передачу мощности потребителям без использования промежуточных сред и механизмов соответственно с большей надежностью и более высоким КПД, а также использовать в качестве источника энергии энергию низкопотенциальных газовых сред. 3 з.п. ф-лы, 1 ил. 
Изобретение относится к двигателестроению, преимущественно к конструкциям двигателей, предназначенных для непосредственного привода тихоходных поршневых насосов, например "качалок" в нефтедобывающей промышленности, и позволяет использовать низкопотенциальные газовые среды в качестве источников энергии, например сброс давления после паровых или газовых турбин, отработанные выхлопные газы стационарных двигателей внутреннего сгорания и т.п. Описываемый свободнопоршневой двигатель позволяет также снимать полезную мощность с вращающегося вала.
Известны свободнопоршневые двигатели, которые преимущественно преобразуют химическую энергию топлива в механическую энергию по принципу работы двигателей внутреннего сгорания, например /см. патент №2066383, F02В 71/04/, где передача мощности от поршней осуществлена рабочей жидкостью или магнитным полем /см. патент №2046966, F02В 71/04/.
Известные двигатели работают по принципу двигателей внутреннего сгорания и не обеспечивают возможности использования энергии низкопотенциальной газовой среды. Для передачи мощности от поршней используется промежуточная среда (жидкость, магнитное поле), что ведет к снижению коэффициента полезного действия и усложнению конструкции, причем в случае использования известных двигателей для привода поршневых насосов вновь необходим механизм преобразования в возвратно-поступательное движение поршня насоса, что усложняет конструкцию и снижает общий коэффициент полезного действия.
Целью изобретения является упрощение конструкции двигателя, особенно для привода поршневых тихоходных насосов, а также обеспечение возможности работы двигателя на энергии низкопотенциальной газовой среды.
Свободнопоршневой двигатель содержит основание, на котором установлен цилиндр с расположенным внутри него свободным массивным поршнем. Цилиндр закреплен на основании посредством жестко прикрепленной к нему оси качания с возможностью качания в вертикальной плоскости относительно центра продольной оси цилиндра. На обоих концах цилиндра закреплены головки с впускными и выпускными клапанами, к впускным клапанам которых посредством гибких магистралей подведена рабочая среда. В случае использования описываемого двигателя для привода тихоходных поршневых насосов цилиндр двигателя посредством шарнира непосредственно соединен со штангой механизма привода этого насоса. В случае снятия мощности с вращающегося приводного вала ось качания цилиндра соединена с этим валом посредством обгонных муфт правого и левого вращения, причем одна из них непосредственно передает вращение на приводной вал, а вторая для изменения направления вращения - через зубчатые передачи. Механизм привода клапанов закрывает выпускной клапан той головки, к которой в данный момент подходит поршень, обеспечивая условие безударной о головку остановки поршня, то есть кинетическая энергия движущегося поршня расходуется на сжатие оставшейся в цилиндре газовой среды, давление которой в момент остановки поршня может превысить давление во впускной магистрали. Под действием сжатой газовой среды поршень меняет направление своего движения на противоположное, и, как только давления между поршнем и головкой и во впускной магистрали выравняются, механизм привода клапанов откроет впускной клапан данной головки и выпускной клапан противоположной головки.
На чертеже представлена схема описываемого свободнопоршневого двигателя.
Свободнопоршневой двигатель содержит основание 1, на котором на оси качания 2 жестко закреплен цилиндр 3 с расположенным внутри него массивным поршнем 4. С обеих сторон цилиндр 3 закрыт головками 5, в которых установлены впускные 6 и выпускные 7 клапаны. К головкам 5 со стороны впускных клапанов 6 подсоединены гибкие впускные магистрали 8. К цилиндру 3 посредством шарнира 9 прикреплена штанга привода 10 поршневого насоса, а ось качания 2 посредством обгонных муфт 11 правого и левого вращения соединена с приводным валом (на схеме не показан), причем одна из муфт 11 непосредственно соединена с этим валом, а вторая для изменения направления вращения соединена с ним через зубчатые передачи (на схеме но показаны).
Работает описываемый двигатель следующим образом. При подаче газообразной рабочей среды по гибким магистралям 8 под избыточным над атмосферным давлением поршень 4, преодолевая силу тяжести, начнет перемещаться к противоположной головке, выпускной клапан которой открыт, и по прохождении центром его тяжести оси качания 2 возникнет вращающий момент, который будет возрастать по мере приближения поршня к противоположной головке. Под действием этого момента цилиндр начнет поворачиваться вокруг оси качания 2. При достижении продольной осью цилиндра х-х положения, близкого к горизонтальному, механизм привода клапанов закроет впускной клапан 6 работавшей головки и поршень 4 продолжит свое движение к противоположной головке за счет расширения газов со стороны работавшей головки, а также за счет запаса кинетической энергии движущегося массивного поршня. По прохождении осью цилиндра х-х горизонтального положения к этим силам добавится и сила тяжести поршня 4. При приближении поршня 4 к неработавшей головке механизм привода клапанов закроет выпускной клапан 7 этой головки и вся энергия движущегося поршня преобразуется в энергию сжатого газа между поршнем и неработавшей головкой. В результате этого поршень остановится безударно об эту головку и изменит направление своего движения на противоположное. Как только давление между поршнем и неработавшей головкой и давление рабочей среды во впускной магистрали сравняются, механизм привода клапанов откроет впускной клапан на неработавшей головке и выпускной клапан на работавшей головке и поршень начнет перемещаться в обратном направлении, совершая также рабочий ход, причем работающей уже будет головка с открытым впускным клапаном, то есть от которой поршень начал движение. Мощность с описываемого двигателя снимается в случае его работы на привод поршневого насоса посредством штанги 10 привода насоса, соединенной с цилиндром 3 посредством шарнира 9. В случае снятия мощности с приводного вала крутящий момент на него передается с цилиндра 3 и жестко соединенную с ним ось качания 2 посредством обгонных муфт 11 правого и левого вращения, причем одна из этих муфт непосредственно соединена с этим валом, а вторая для изменения направления вращения соединена с ним посредством зубчатой передачи. При качании цилиндра 3 в одну сторону муфта 11, непосредственно связанная с приводным валом, передает крутящий момент с оси качания 2 сразу на этот вал, муфта же обратного направления свободно проскальзывает. При качании цилиндра в обратную сторону муфта, непосредственно связанная с приводным валом, проскальзывает, а муфта обратного направления вращения передает крутящий момент с оси качания 2 цилиндра 3 через зубчатую передачу, изменяющую направление вращения на обратное, на этот же приводной вал. Для снижения неравномерности вращения приводного вала на нем установлен маховик, а описываемый свободнопоршневой двигатель выполнен многоцилиндровым с общим приводным валом.
Описываемый свободнопоршневой двигатель при собственной простоте конструкции в случае использования его на привод поршневого насоса позволяет значительно упростить передаточный механизм от поршня двигателя к поршню насоса с более высоким коэффициентом полезного действия даже по сравнению с непосредственным соединением поршней насоса и двигателя общим штоком, а также позволяет использовать для получения механической энергии энергию как высокопотенциальных, так и низкопотенциальных газовых сред, например энергию выхлопных газов стационарных двигателей внутреннего сгорания, сброс давления после паровых и газовых турбин и тому подобное с высоким коэффициентом полезного действия как по давлению, так и по температуре газовой среды, поскольку при прохождении поршня около оси качания цилиндра подача рабочей среды через впускной клапан прекращается и происходит примерно двойное расширение газа с использованием этой энергии на полезную работу.
1. Свободнопоршневой двигатель, содержащий основание, на котором установлен цилиндр, внутри которого размещен поршень, впускные и выпускные клапаны с механизмами их привода, отличающийся тем, что цилиндр закреплен на основании с возможностью качания в вертикальной плоскости относительно центра его продольной оси, на обоих концах цилиндра расположены головки с впускными и выпускными клапанами, к которым посредством гибких магистралей подведена рабочая среда.
2. Свободнопоршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что цилиндр двигателя посредством шарнира непосредственно соединен со штангой привода поршневого насоса.
3. Свободнопоршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что цилиндр жестко соединен с осью качания, которая в свою очередь соединена с приводным валом посредством обгонных муфт правого и левого вращения, причем одна из муфт непосредственно передает крутящий момент на этот вал, а вторая - через зубчатые передачи.
4. Свободнопоршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что механизм привода клапанов закрывает выпускной клапан той головки, к которой подходит поршень, обеспечивая условие безударной о головку остановке поршня, впускной же клапан этой головки открывает при равенстве давлений рабочей среды между поршнем и этой головкой и во впускной магистрали и закрывает при приближении к горизонтальному положению продольной оси цилиндра, причем одновременно с открытием впускного клапана на одной головке открывает выпускной клапан на противоположной головке.
www.freepatent.ru
Изобретение относится к энергетическим установкам и может быть использовано в автомобилестроении, тяжелом машиностроении и малой энергетике, в частности в виде вспомогательных двигателей транспортных механизмов на передвижных или переносных электростанциях, электросварочных агрегатах и др. Свободнопоршневой двигатель (Рис. 1 ) содержит, по меньшей мере, один цилиндр 1, внутри которого установлены оппозитно два поршня 2. Поршни 2 имеют компрессионные и маслосъемные кольца, соответственно, 3 и 4. Поршни 2 оппозитно закреплены на штоке 5. На торцах 6 установлены головки 7 цилиндров 1. Между торцами 6 цилиндра 1 и поршнями 2 образованы камеры сгорания 8, а между поршнями 2 — внутрипоршневая камера 8 . Внутрипоршневая камере 9 частично заполнена смазывающей жидкостью.
Свободнопоршневой двигатель содержит трубопровод подачи топливовоздушной смеси 10 и трубопровод отвода выхлопных газов 11 и систему газораспределения 12.Система газораспределения 12, в свою очередь (каждая) содержит головку 7, внутри которого установлена выполнено две полости впускная 13 и выпускная 14 и установлены впускной клапан 15 с головкой 16 и штоком 17, а в выпускной полости — выпускной клапан 18 с головкой 19 и штоком 20.. На головке 7 установлены пружины 21, которые в нормальном положении удерживают клапаны 15 и 18 в закрытом положении. На торцах штоков 17 и 20 всех клапанов 15 и 18 установлены гидротолкатели 22. Для обеспечения работы гидротолкателей 12 применена гидросистема, содержащая маслобак 23, трубопровод низкого давления 24 соединенный с гидронасосом 25, к выходу которого присоединен трубопровод высокого давления 26, гидрорампределитель 27, к выходам которого присоединены управляющие трубопроводы 28, соедиенные с гидротолкателями 22.Линейный генератор электроэнергии 29 состоит из статорной обмотки 30 установленной снаружи в центральной части цилиндра 1 и магнитов 31, установленных на промежуточном поршне 32, установленном в средней части штока 5 с относительно большим зазором. Система съема нагрузки выполнена в виде проводов 33 с присоединительными клеммами 34. Цилиндр 1 оборудован двумя свечами зажигания 35 На штоке 5 выполнена зубчатая рейка 36, с которой взамодействует зубчатое колесо 37, установленное на валу 38. На валу 38 установлен датчик положения поршней 39. В двигателе применен блок управления 40. Свечи зажигания 35 и датчик положения поршней 39 соединены электрическими связями 41 с блоком управления 40.Система охлаждения состоит из двух стенок цилиндра 1: внешней 42 и внутренней 43 с зазором 44 между ними. и трубок подвода и отвода охладителя 45 и 46.
Электрическая схема содержит электрические провода 33, соединяющие статорную обмотку 29 через присоединительные клеммы 34 и коммутатор 47 с электродвигателем 48. К коммутатору 47 присоединен аккумулятор 49.Блок управления 40 – это электронный блок, содержащий процессор и блок памяти. (На фиг. 1…4 электронная схема блока управления подробно не показана). Блок управления 40 должен обеспечивать своевременное своевременную подачу напряжения на свечи зажигания 35 и контроль режима работы свободнопоршневого двигателя, например частоты перемещения поршней 2.
Возможно применение нескольких цилиндров 1. На рис. 4 приведена схема свободнопоршневого двигателя с двумя поршнями 1. В этом случае статорные обмотки 29 соединены с коммутатором 47.Свободнопоршневой двигатель работает следующим образом (рис. 1…4).
При запуске свободнопоршневого двигателя линейный генератор электроэнергии 29 работает в двигательном режиме. Для этого из аккумулятора 48 на статорные обмотки 30 через коммутатор 47 подается ток запуска обратной полярности, по отношению к току, вырабатываемому статорной обмоткой 30. Под действием магнитных сил, возбуждаемых статорной обмоткой 30 и действующих на магниты 31, шток 5 и поршни 2 приводится в движение, совершая ход сжатия в одной из камер сгорания 8 цилиндра 1. При достижении определенной степени (при определенном положении поршня 2 фиксируемом датчиком положения поршней 39) топливо подается в трубопровод подачи топливовоздушной смеси 10 и поступает через открытый впускной клапан 15 в одну из камер сгорания 8. После чего с блока управления 43 подают напряжение на свечу 35 (фиг. 1) и начинается процесс сгорания и расширения отработанных газов, происходящий в соответствии с циклом четырехтактного двигателя. Одновременно в противоположном конце цилиндра 1 происходит процесс выхлопа и продувки. После запуска система линейного генератора 29 переключается в генераторный режим при помощи коммутатора 47 и электрический ток поступает на электродвигатель 48 и аккумулятор 49.Возможна довольно длительная работа электродвигателя (двигателей) 48 от аккумулятора 49, например, в гараже или густонаселенном районе. Это необходимо в целях обеспечения экологи окружающей среды.При работе свободнопоршевого двигателя каждый ход поршней 2 является рабочим ходом для одной из частей цилиндра 1, в то время, как для противоположной части этот ход является процессом сжатия. Температура поршня 2, из-за его контакта с горячими отработанными газами, составит 500-600o С.При работе двигателя, магниты 31 совершают возвратнопоступательные движения и в статорной обмотке 30 возникает электромагнитное поле и в них индуцируется электрический ток. Вырабатываемый ток передается потребителю через провода 33, и присоединительные клеммы 34 и коммутатор 47 ко всем потребителям системы съема нагрузки, например кроме электродвигателя (электродвигателей ) 48 к приборам внешнего освещения (не показано).Одновременно с работой двигателя происходит работа системы охлаждения. Для этого по трубопроводу 45 подают в зазор 44 охлаждающую жидкость, подогретая жидкость выходит по трубопроводу 46 и далее охлаждается в теплообменнике (не позазано).При остановке двигателя вновь происходит переключение линейного генератора в режим двигателя и отключают подачу топлива. (не показано). При этом, для создания противодействия движению поршня, ток остановки, подаваемый на статорную обмотку 35 может обеспечить движение поршня 2 в направлении, обратном настоящему направлению движения поршня 2 для экстренного торможения.При работе свободнопоршневого двигателя с несколькими цилиндрами 1 сначала запускают один цилиндр 1 и по мере увеличения нагрузки запускают второй, третий и т. д. цилиндры 1. (фиг. 4). Это позволит всем цилиндрам 1 работать практически на расчетном режиме, что повысит КПД двигателя. При этом неработающие цилиндры 1 могут быть предварительно прогреты. Это облегчит их запуск и повысит КПД.Т. к. в процессе работы свободнопоршневого двигателя температура на статорных обмотках 28, которые находятся вне цилиндра 1, составляет примерно +10 — +20oС, то потери магнитного поля в медных обмотках на нагрев уменьшаются, по сравнению с потерями магнитного поля в прототипе, на 30-50%. Снижение потерь приводит к повышению кпд свободнопоршневого двигателя. Отсутствие токосъемников приводит к повышению пожаробезопасности работы а отсутствие обмоток в зоне высоких температур повышает надежность двигателя..Электронная система управления позволяет полностью автоматизировать процесс зажигания и открывания и закрывания спускных и выпускных клапанов и корректрировать в зависимости от режима работы двигателя.Улучшается экологичность работы двигателя, так как транспортное средство в густонаселенных районах может передвигаться с выключенный свободнопоршневым двигателем на аккумуляторе.
Автор статьи Патентный поверенный РФ Болотин Николай Борисович
Поделиться "Оригинальный свободнопоршневой двигатель"
Комментирование и размещение ссылок запрещено.
patent-alibi.ru
Х; т-р, Центральное конструкторское бюро с, опыт щум г1роизродств
АН Белорусской ССР и Институт проблем " олговеч ости машин АН Белорусск (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ
ПЕРЕДАЧЕЙ
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания.
Известны свободнопоршневые двигатели (СПД) с гидравлической передачей мощности, содержащие рабочую полость и компрессорные полости, в которых установлены поршневые группы, связанные с плунжерами гидронасосов и механизмом синхронизации. Для совершения обратного хода поршневых групп предусмотрены буферные полости (1).
Выполнение СПД с гидравлической передачей мощности по типу классической свободнопоршневой машины в принципе обеспечивает подачу рабочей жидкости заданных параметров к гидромотору, однако удельно-габаритная мощность такой машины сравнительно невелика из-за наличия громоздких буферных и компрессорных цилиндров и неудовлетворительной системы охлаждения днищ поршневых групп.
Известны также СПД с гидравлической передачей мощности и струйным жидкостным охлаждением, содержащие корпус, по меньшей мере два рабочих цилиндра с поршневыми группами и установленные линейно с ними гидроцилиндры с плунжерами гидронасосов и механизм синхронизации, выполненный в виде зубчатых реек с расположенной между ними шестерней. (2).
В известном СПД решена задача охлаждения днищ поршневых групп за счет образования замкнутых полостей у внутренней тронковой части поршней, что снимает ряд ограничений по теплонапряженности элементов механизма движения и по форсировке дизельного процесса, однако удельно-габаритная мощность СПД все же недостаточна и уступает турбопоршневым двигателям с повышенными давлениями наддува.
Цель изобретения — повышение удельts ной мощности СПД.
Поставленная цель достигается изменением взаимного расположения элементов механизма движения и осуществляется путем выполнения в поршневых группах син20 хронизирующих устройств и проточной системы охлаждения днищ поршней, для чего рабочие цилиндры размещены в корпусе параллельно между собой, гидроцилиндры установлены во внутренней полости поршней, зубчатые рейки выполнены на их внеш1000567
Формула изобретения
40 ней поверхности, а плунжеры гидронасосов установлены неподвижно на корпусе.
На чертеже изображен свободнопоршневой двигатель с гидравлической передачей мощности.
Двигатель содержит рабочие цилиндры
1 и 2, поршневые группы 3 и 4 с гидроцилиндрами 5 и,6, зубчатые рейки 7 и 8, находящиеся в зацеплении с зубчатой шестерней 9, вал 10 с кулачками 11, кинематически связанный с ним механизм привода
12 выпускных клапанов 13, 14 и форсунки
15, 16. Гидроцилиндры 5 и 8 снабжены полыми неподвижными плунжерами 17, 18, с обратными клапанами 19, 20 и закреплены в корпусе 21, содержашим окно 22 для подачи продувочного воздуха.
Двигатель работает следующим образом.
Поршневые группы 3 и 4 совершают возвратно-поступательное движение в рабочих цилиндрах 1 и 2 с гидроцилиндрами 5 и 6 внутри плунжеров 17 и 18. Прямой (рабочий) ход происходит за счет сгорания топлива, впрыскиваемого форсункой 15, в рабочем цилиндре 1. Выпускной клапан 13 в это время закрыт, а жидкость, находящаяся в гидроцилиндре 5, отводит часть тепла нагретых внутренних частей поршневой группы 3 и нагнетается через полый плунжер 17, систему обратных клапанов 19 в магистраль высокого давления и гидродвигатель (не показаны). В это время в рабочем цилиндре 2 происходит продувка за счет подачи продувочного воздуха в окно
22 корпуса 21 от турбокомпрессора, волнового обменника давления или других систем, использующих энергию отходящих газов для получения наддува (не показаны).
Затем начинается сжатие, одновременно через систему обратных клапанов 20 происходит всасывание жидкости из магистрали низкого давления в гидроцилиндр 6, а для разгрузки синхронизирующего механизма подается определенное количество жидкости из магистрали высокого давления. Синхронизирующий механизм в виде зубчатых реек 7 и 8, шестерни 9, кулачков 11 с приводом 12 синхронизирует дви° жение поршневых групп 3 и 4, а также обеспечивает впрыск топлива через форсунки 15, 16 и открытие и закрытие выпускных клапанов 13, 14 в зависимости от положения поршневых групп 3 и 4 в рабочих цилиндрах 1 и 2. Таким образом, в рабочих цилиндрах 1 и 2 попеременно происходит рабочий ход и такт сжатия, соответственно, нагнетание или всасывание рабочей жидкости.
Размешение зубчатых реек синхронизируюшего механизма на гидроцилиндрах, а последних внутри поршневых групп в принципе позволяет уменьшить габариты, по сравнению с аналогичным двигателем
Д вЂ” 240 Минского тракторного завода приблизительно в 1,3 — 1,5 раза.
Свободнопорш невой двигатель с гидравлической передачей мощности и струйным жидкостным охлаждением, содержащий корпус, по меньшей мере два рабочих цилиндра с поршневым группами и установленные линейно с ними гидроцилиндры с плунжерами гидронасосов и механизм синхронизации, выполненный в виде зубчатых реек с установленной между ними шестерней, отличающийся тем, что, с целью повышения удельной мощности, рабочие цилиндры размещены в корпусе napaллель».: между собой, гидроцилиндры установлены во внутренней полости порш ней, зубчатые рейки выполнены на их внешней поверхноти, а плунжеры гидронасосов установлены неподвижно на корпусе.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Патент ФРГ № 2049480, кл. F 02 В 71/04, опублик. 1974.
2. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2878130, кл. F 02 В 71/04, 1980.
1000567
22
Составитель В. Ткаченко
Редактор В. Пилипенко Техред И. Верес Корректор М. Демчик
Заказ 1309/29 Тираж 548 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5
Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4
www.findpatent.ru
