Один из самых оригинальных поршневых двигателей — так называемый «двигатель со свободным поршнем» (FPE). Основная особенность его в том, что движение поршня определяется не механической связью кривошипно-шатунного механизма, а соотношением нагрузки к силе расширяющихся газов. Степень сжатия, таким образом, у него оказывается переменная. Как следствие, этот мотор можно настроить на бензин, солярку, этанол, природный газ, водород и т. д. Устроен двигатель просто. По сути, это труба с глухими концами, внутри которой скользит поршень. На каждом конце трубы – форсунка, свеча, впускное и выпускное окно. Движущаяся деталь всего одна. Поршень в таком моторе движется линейно, возвратно-поступательно, между двумя камерами сгорания.
КПД двигателя со свободным поршнем теоретически больше 70%. Он легок и прост в производстве, и, значит, дешев. Но не смотря на то, что этот двигатель известен без малого почти сто лет, распространения он не получил. Причин тому несколько, и самая главная из них состоит в том, что до последнего времени инженеры не знали, каким способом можно было бы снять мощность с поршня, движущегося взад-вперед внутри трубы 20000 раз в минуту.Решение нашел профессор Питер Ван Блариган . Он оснастил поршень кольцевыми магнитами из неодимового сплава, а на внешней стенке цилиндра – статора – поместил медную обмотку. Таким образом, появление сверхмощных магнитов из неодимового сплава позволило обойтись без механической связи поршня с шатуном, сделав бензиновый генератор электричества. Ван Блариган построил опытный образец, двухтактный линейный генератор под названием FPLA, мощностью 40 кВт. Термический КПД генератора, работающего на пропане, 56%. Любопытно, что этот двигатель может работать не только на пропане, но и на бензине, водороде, солярке и спирте.Серийному выпуску подобных двигателей мешает несколько проблем, самая главная из которых - создание системы управления. Дело в том, что в обычном ДВС верхняя мертвая точка траектории поршня задается геометрией кривошипно-шатунного механизма, а в линейном она зависит от степени сжатия и скорости сгорания топливовоздушной смеси. То есть, поршень тормозит, создавая давление в камере. Как следствие, длительность тактов и верхняя мертвая точка могут меняться. А это значит, что при неточной работе форсунки поршень либо остановится, либо ударится в стенку. Как следствие, свободные поршни нуждаются в специальном механизме, который бы нивелировал разницу в процессе сгорания топлива в каждом из рабочих циклов. Ван Блариган считает, что ключ к решению проблемы управления в контроле за положением и движением поршня через внешний статор. Компьютерное управление вполне может справиться с такой задачей. А тормозить поршень можно с помощью тех же электромагнитов.Полноценный прототип генератора с готовой системой управления обещан к концу 2011 года. КПД – 50%.Объяснить причины столь высокого КПД просто. У двигателя Ван Бларигана практически нет паразитных потерь, поскольку нет инерции вращающихся масс (по причине отсутствия этих самых масс), на поршень не действуют боковые силы, которые прижимают его к стенкам цилиндра. Нет подшипников коленвала, шатунов, поршневых пальцев, распредвала, клапанов. Более того: на каждый цикл работы двигателя приходится два рабочих такта.Мотор FPLA отлично подходит для автомобиля с элетротрансмиссией. ДВС в таком автомобиле нужен только для зарядки аккумулятора, при пуске он должен сразу выходить на режим максимальной мощности либо – для экономии топлива – максимального момента. Это значит, что нет надобности организовывать его работу на переходных режимах, ту самую, ради которой строят многоклапанные двигатели, впускные коллекторы переменной длины, управление фазами газораспределения, двойной наддув и прочее. Двигатель, работающий в узком диапазоне оборотов намного проще и, значит, дешевле.
Иллюстрации www.technologyreview.com
wiki.zr.ru
Категория:
Устройство и работа двигателя
Двигатели со свободно движущимися поршнямиОтличительной особенностью комбинированных двигателей со свободно движущимися поршнями является наличие поршней, не связанных кривошипно-шатунным механизмом и движущихся только под действием переменного давления газов в разных полостях, образованных торцовыми поверхностями поршней и стенками цилиндров.
Двигатели со свободно движущимися поршнями можно разделить по принципу работы на две основные группы: двигатели-компрессоры (СПДК) и двигатели-генераторы газа (СПГГ).
В двигателях первой группы энергия, получаемая в цилиндре двигателя, расходуется на сжатие воздуха поршнями компрессора, соединенными с рабочими поршнями двигателя без промежуточных механизмов. Часть сжатого воздуха расходуется на газообмен в цилиндре, а большая часть его поступает к потребителю.
В двигателях второй группы энергия продуктов сгорания топлива частично используется для обеспечения протекания рабочего процесса в цилиндре, а основная ее часть передается силовой газовой турбине. Поршневой двигатель в этом случае становится генератором сжатых и нагретых газов. В качестве поршневого двигателя используются дизели, хотя известны попытки применения и газовых двигателей.
СПДК и СПГГ полностью уравновешены и могут монтироваться без тяжелых и сложных фундаментов. СПДК, строящиеся на различные давления сжатия воздуха (0,7…40 МПа), получили широкое распространение. СПГГ с газовыми силовыми турбинами ранее применялись на судах и в энергетических стационарных установках. Однако они отличаются несколько большим, чем в обычных дизелях, удельным расходом топлива и в настоящее время отечественной промышленностью не выпускаются.
Основными преимуществами СПГГ являются сравнительно небольшая масса установки, хорошая уравновешенность, что сочетается с благоприятной для транспортных средств характеристикой турбины. Двигатели этого типа могут работать на топливе разного сорта, включая тяжелые сорта, без дополнительных регулировок двигателя.
В судовых и стационарных двигателях используют группы из четырех генераторов газа на одну турбину. Мощность одной группы СПГГ может составлять 1800…5700 кВт. Для судовых установок большое значение имеет работа нескольких СПГГ на одну турбину. Отключение одного или нескольких генераторов газа во время работы силовой установки позволяет ремонтировать их на ходу.
Все СПГГ и СПДК работают по двухтактному циклу с прямоточной схемой газообмена. Открытие и закрытие выпускных окон осуществляется двумя противоположно движущимися поршнями.
Прямой или рабочий ход (от ВМТ к НМТ) поршней происходит под действием давления газов в цилиндре двигателя. Обратный ход поршней осуществляется под действием энергии сжатого воздуха в компрессорных полостях или в специальных аккумуляторах сжатого воздуха — буферных полостях.
Нормальное осуществление рабочего цикла в двигателях со свободно движущимися поршнями возможно только при симметричном перемещении поршней обоих комплектов. Для обеспечения симметричного движения поршней используются специальные синхронизирующие механизмы, которые в отличие от кривошипно-шатунных механизмов обычных двигателей воспринимают не всю силу от давления газов, а только разность сил, действующих на каждый поршень. Различие в силах, действующих на оба комплекта поршней, является следствием различия сил трения и от утечек через поршневые уплотнения. Синхронизирующие механизмы имеют сравнительно небольшую массу.
Устройство синхронизирующих механизмов показано на рис. 1. Эти механизмы выполняют по трем схемам: многозвенные шатунно-шарнирные и реечно-шестеренчатые. Первые и вторые применяют на тихоходных генераторах газа, третьи, как более компактные, на быстроходных.
Дизель-компрессоры
Дизель-компрессоры можно разделить на дизель-компрессоры низкого и высокого давления. Дизель-компрессоры низкого давления обычно выполняют одноступенчатыми с симметрично расположенными полостями сжатия. Дизель-компрессоры высокого давления имеют многоступенчатое сжатие; полости сжатия расположены с разных сторон плоскости симметрии. При многоступенчатом сжатии воздух пропускается с одной стороны компрессора на другую через охладитель.
Принципиальная схема одноступенчатого дизель-компрессора показана на рис. 1. Внешние компрессорные полости работают на потребителя, а внутренние используются в качестве продувочных насосов для продувки и зарядки цилиндра двигателя. Обратный ход поршней осуществляется под давлением воздуха, остающегося во вредных пространствах компрессорных цилиндров.
Во время рабочего хода в цилиндре двигателя происходит сгорание топлива, и под действием давления газов поршни перемещаются к НМТ. В компрессорных полостях осуществляется сжатие, а затем выталкивание сжатого воздуха в воздушный ресивер. Давление, при котором происходит выталкивание воздуха в ресивер, регулируется затяжкой пружины нагнетательного клапана. В полости продувочного насоса происходит впуск воздуха из атмосферы. В конце рабочего хода поршень, управляющий выпуском, открывает выпускные окна и происходит выпуск газов в атмосферу. Поршень, управляющий впуском, несколько позднее открывает впускные окна, соединяя продувочный ресивер с полостью цилиндра двигателя. Происходит продувка и наполнение цилиндра свежим зарядом.
Во время обратного хода в полости двигателя до закрытия впускных и выпускных окон совершается продувка и наполнение цилиндра двигателя, а также сжатие свежего заряда. В конце хода производится впрыскивание топлива. Топливный насос приводится в движение от кулачка, насаженного на вал синхронизирующего механизма. Ввиду того, что синхронизирующий вал при подходе поршней к ВМТ замедляет свое движение до полной остановки, в двигателях со свободно движущимися поршнями применяют топливовпрыскивающую аппаратуру аккумулирующего типа.
Рис. 1. Схемы синхронизирующих механизмов:
В компрессорной полости во время обратного хода происходит расширение остаточного воздуха, а затем впуск нового заряда воздуха. В полости продувочного насоса сначала осуществляется сжатие, а затем выталкивание воздуха в полость продувочного ресивера, расположенного вокруг цилиндра двигателя. В результате сгорания топлива давление в цилиндре возрастает, движение поршней замедляется до полной остановки и начинается новый рабочий ход поршней двигателя.
Клапаны СПДК выполняются автоматическими, с максимальной площадью проходного сечения для уменьшения потерь при впуске и выталкивании воздуха.
Скорость движения поршней, а следовательно, частота циклов зависят от массы комплектов поршней и энергии, получаемой при сгорании топлива в цилиндрах двигателя. Чем больше масса комплектов поршней и связанных с ними механизмов, тем меньше ускорения, получаемые поршнями при одинаковых действующих силах, и меньше частота рабочих циклов. Максимальная быстроходность дизель-компрессоров на малых машинах составляет до 2500 циклов в минуту.
Рис. 2. Схема симметричного дизель-компрессора низкого давления без воздушного буфера
Давление воздуха, выдаваемого потребителю, у дизель-компрессоров одноступенчатого сжатия достигает 0,7 МПа, у дизель-компрессоров многоступенчатого сжатия — 40 МПа.
Дизель-генераторы газа
Наиболее распространенной схемой СПГГ является классическая, по которой выполнены отечественный дизель-генератор газа ОР-95, дизель-генератор газа GS-34 французской фирмы Сигма и др.
Схема дизель-генератора газа GS-34 показана на рис. 3. Свободно-поршневой генератор газа работает аналогично симметричному дизель-компрессору.
При прямом ходе поршней в цилиндре двигателя происходит расширение и выпуск газов из цилиндра, а также начинается его продувка и наполнение. В компрессорной полости продувочного насоса в это время происходит расширение оставшегося во вредном пространстве воздуха, а затем впуск свежего заряда. В буферной полости, представляющей собой пневматический аккумулятор энергии, осуществляется сжатие воздуха.
Рис. 3. Схема дизель-генератора газа GS-34: 1 — СПГГ; 2— газовая турбина
При обратном ходе поршней под действием давления в буферной полости в цилиндре двигателя вначале происходит продувка и наполнение цилиндра, а затем сжатие воздуха, впрыскивание топлива и сгорание. Система впрыскивания топлива аналогична соответствующей системе СПДК.
Пуск СПГГ осуществляется сжатым воздухом, вводимым через специальный клапан в буферную полость. При пуске поршни СПГГ специальным механизмом разводятся в положение НМТ.
Параметры работы СПГГ регулируются специальным регулятором давления — стабилизатором, регулятором подачи топлива и ограничителем хода поршня. Стабилизатор приводит в соответствие давление в буферных полостях с давлением в ресиверной полости. Изменение первоначального давления в буферной полости дает возможность изменять ход поршней в зависимости от нагрузки СПГГ, которая характеризуется отчасти давлением в ресивере и отчасти величиной подачи топлива. Уменьшение первоначального давления в буферных полостях обусловливает при том же давлении в ресиверной полости увеличение хода поршней.
Регулятор подачи топлива приводит в соответствие подачу топлива с давлением перед турбиной, а следовательно, в ресивере СПГГ. При повышении давления перед турбиной автоматически возрастает подача топлива.
Ограничитель хода поршней предотвращает возможные удары поршней о крышку буферного цилиндра. При чрезмерном увеличении хода поршня этот регулятор уменьшает подачу топлива до полного ее прекращения.
Часовой расход газа, в основном определяющий работоспособность СПГГ, зависит от величины хода поршней и частоты циклов в единицу времени. Оба эти параметра зависят от цикловой подачи, первоначального давления в буферной полости и давления перед турбиной. При снижении подачи топлива уменьшается ход поршней. СПГГ может остановиться, если при уменьшении хода не откроются впускные и выпускные окна цилиндров. Для расширения диапазона работы СПГГ приходится увеличивать высоту окон, что приводит к уменьшению литровой мощности. Обычно окна удлиняют по высоте до 45…50 % хода поршней. Но даже при этом минимальная нагрузка работы СПГГ без перепуска газов в атмосферу составляет 17 % максимальной.
Работа СПГГ на режиме холостого хода и малых нагрузках неэкономична, вследствие чего целесообразно делать установки с несколькими СПГГ, работающими на одну турбину. В результате для уменьшения минимальной нагрузки можно останавливать часть СПГГ и работать на малых нагрузках на одном или двух цилиндрах.
Смазывание СПГГ осуществляется при помощи лубрикаторного насоса, подающего масло малыми дозами к отдельным точкам механизмов.
Охлаждение цилиндров осуществляется жидкостью, подаваемой насосом, приводимым в движение от вала синхронизирующего механизма.
Температура выпускных газов составляет 450…550 °С, а давление перед турбиной 0,4…0,5 МПа.
Читать далее: Газовый двухтактный мотокомпрессор
Категория: - Устройство и работа двигателя
stroy-technics.ru
Одна из самых радикальных концепций ДВС в истории – двигатель со свободным поршнем. Первые упоминания о нем в специальной литературе относятся к 1920-м годам. Представьте себе металлическую трубу с глухими концами и цилиндрический поршень, скользящий внутри нее. На каждом из концов трубы расположены инжектор для впрыска топлива, впускной и выпускной порты. В зависимости от типа топлива к ним могут добавлены свечи зажигания. И все: меньше десятка простейших деталей и лишь одна – движущаяся. Позднее появились более изощренные модели ДВС со свободным поршнем (FPE) – с двумя или даже четырьмя оппозитными поршнями, но это не изменило сути. Принцип работы таких моторов остался прежним – возвратно-поступательное линейное движение поршня в цилиндре между двумя камерами сгорания.
Теоретически КПД FPE переваливает за 70%. Они могут работать на любом виде жидкого или газообразного топлива, крайне надежны и великолепно сбалансированы. Кроме того, очевидны их легкость, компактность и простота в производстве. Единственная проблема: как снять мощность с такого мотора, механически представляющего собой замкнутую систему? Как оседлать снующий с частотой до 20000 циклов в минуту поршень? Можно использовать давление выхлопных газов, но эффективность при этом падает в разы. Эта задача долго оставалась неразрешимой, хотя попытки предпринимались регулярно. Последними о нее обломали зубы инженеры General Motors в 1960-х годах в процессе разработки компрессора для экспериментального газотурбинного автомобиля. Действующие образцы судовых насосов на основе FPE в начале 1980-х были изготовлены французской компанией Sigma и британской Alan Muntz, но в серию они не пошли.
Возможно, об FPE еще долго бы никто не вспомнил, но помогла случайность. В 1994 году Департамент энергетики США поручил ученым Национальной лаборатории Sandia изучить эффективность бортовых генераторов электроэнергии на базе ДВС различных типов, работающих на водороде. Эта работа была поручена группе Питера Ван Бларигана. В ходе осуществления проекта Ван Блариган, которому концепция FPE была отлично известна, сумел найти остроумное решение проблемы превращения механической энергии поршня в электричество. Вместо усложнения конструкции, а значит – снижения результирующего КПД, Ван Блариган пошел путем вычитания, призвав на помощь магнитный поршень и медную обмотку на цилиндре. Несмотря на всю простоту, такое решение было бы невозможным ни в 1960-х, ни в 1970-х годах. В то время еще не существовало достаточно компактных и мощных постоянных магнитов. Все изменилось в начале 1980-х после изобретения сплава на основе неодима, железа и бора.
За эту работу в 1998 году на Всемирном конгрессе Общества автомобильных инженеров SAE Ван Бларигану и его коллегам Нику Парадизо и Скотту Голдсборо была присвоена почетная премия имени Харри Ли Ван Хорнинга. Очевидная перспективность линейного генератора со свободным поршнем (FPLA), как назвал свое изобретение Ван Блариган, убедила Департамент энергетики продолжить финансирование проекта вплоть до стадии экспериментального агрегата.
Электронный пинг-понг
Двухтактный линейный генератор Бларигана представляет собой трубу из электротехнической кремнистой стали длиной 30,5 см, диаметром 13,5 см и массой чуть более 22 кг. Внутренняя стенка цилиндра представляет собой статор с 78 витками медной проволоки квадратного сечения. Во внешнюю поверхность алюминиевого поршня интегрированы мощные неодимовые магниты. Топливный заряд и воздух поступают в камеру сгорания двигателя в виде тумана после предварительной гомогенизации. Зажигание происходит в режиме HCCI – в камере одновременно возникает множество микроочагов возгорания. Никакой механической системы газораспределения у FPLA нет – ее функции выполняет сам поршень.
Максимальная мощность FPLA составляет 40 кВт (55 лошадок) при среднем потреблении топлива 140 г на 1кВтч. По эффективности двигатель не уступает водородным топливным ячейкам – термический КПД генератора при использовании в качестве топлива водорода и степени сжатия 30:1 достигает 65%. На пропане чуть меньше – 56%. Помимо этих двух газов FPLA с аппетитом переваривает солярку, бензин, этанол, спирт и даже отработанное растительное масло.
Однако ничто не дается малой кровью. Если проблема превращения тепловой энергии в электрическую Ван Блариганом решена успешно, то управление капризным поршнем стало серьезной головной болью. Верхняя мертвая точка траектории зависит от степени сжатия и скорости сгорания топливного заряда. Фактически торможение поршня происходит за счет создания критического давления в камере и последующего самопроизвольного возгорания смеси. В обычном ДВС каждый последующий цикл является аналогом предыдущего благодаря жестким механическим связям между поршнями и коленвалом. В FPLA же длительность тактов и верхняя мертвая точка – плавающие величины. Малейшая неточность в дозировке топливного заряда или нестабильность режима сгорания вызывают остановку поршня или удар в одну из боковых стенок.
Таким образом, для двигателя такого типа требуется мощная и быстродействующая электронная система управления. Создать ее не так просто, как кажется. Многие эксперты считают эту задачу трудновыполнимой. Гарри Смайт, научный руководитель лаборатории General Motors по силовым установкам, утверждает: «Двигатели внутреннего сгорания со свободным поршнем обладают рядом уникальных достоинств. Но чтобы создать надежный серийный агрегат, нужно еще очень много узнать о термодинамике FPE и научиться управлять процессом сгорания смеси». Ему вторит профессор Массачусетского технологического института Джон Хейвуд: «В этой области еще очень много белых пятен. Не факт, что для FPE удастся разработать простую и дешевую систему управления».
Ван Блариган более оптимистичен, чем его коллеги по цеху. Он утверждает, что управление положением поршня может быть надежно обеспечено посредством той же пары – статор и магнитная оболочка поршня. Более того, он считает, что полноценный прототип генератора с настроенной системой управления и КПД не менее 50% будет готов уже к концу 2010 года. Косвенное подтверждение прогресса в этом проекте – засекречивание в 2009 году многих аспектов деятельности группы Ван Бларигана.
http://www.popmech.ru/article/6836-porshen-na-svobode/page/2/
is2006.livejournal.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
«Современный двигатель внутреннего сгорания по определению не самый выдающийся продукт с точки зрения технологий. Это значит, что его можно совершенствовать до бесконечности» (Мэтт Тревитник, президент венчурного фонда семьи Рокфеллер Venrock)
Уже в ноябре этого года на американский рынок выйдет Chevrolet Volt, электромобиль с бортовым генератором электроэнергии. Volt будет оснащен мощным электродвигателем, вращающим колеса, и компактным ДВС, который лишь подзаряжает истощенную литий-ионную батарею. Этот агрегат всегда работает на максимально эффективных оборотах. С этой задачей легко справляется обычный ДВС, привыкший к куда более тяжкому бремени. Однако в скором времени его могут сменить куда более компактные, легкие, эффективные и дешевые агрегаты, специально созданные для работы в качестве электрогенератора.
Когда речь заходит о принципиально новых конструкциях ДВС, скептики начинают морщить носы, кивать на сотни пылящихся на полках псевдореволюционных проектов и трясти святыми мощами четырех горшков и распредвала. Сто лет господства классического двигателя внутреннего сгорания кого хочешь убедят в бесполезности инноваций. Но только не профессионалов в области термодинамики. К таковым относится профессор Питер Ван Блариган.
Одна из самых радикальных концепций ДВС в истории — двигатель со свободным поршнем. Первые упоминания о нем в специальной литературе относятся к 1920-м годам. Представьте себе металлическую трубу с глухими концами и цилиндрический поршень, скользящий внутри нее. На каждом из концов трубы расположены инжектор для впрыска топлива, впускной и выпускной порты. В зависимости от типа топлива к ним могут добавлены свечи зажигания. И все: меньше десятка простейших деталей и лишь одна — движущаяся. Позднее появились более изощренные модели ДВС со свободным поршнем (FPE) — с двумя или даже четырьмя оппозитными поршнями, но это не изменило сути. Принцип работы таких моторов остался прежним — возвратно-поступательное линейное движение поршня в цилиндре между двумя камерами сгорания.
Теоретически КПД FPE переваливает за 70%. Они могут работать на любом виде жидкого или газообразного топлива, крайне надежны и великолепно сбалансированы. Кроме того, очевидны их легкость, компактность и простота в производстве. Единственная проблема: как снять мощность с такого мотора, механически представляющего собой замкнутую систему? Как оседлать снующий с частотой до 20000 циклов в минуту поршень? Можно использовать давление выхлопных газов, но эффективность при этом падает в разы. Эта задача долго оставалась неразрешимой, хотя попытки предпринимались регулярно. Последними о нее обломали зубы инженеры General Motors в 1960-х годах в процессе разработки компрессора для экспериментального газотурбинного автомобиля. Действующие образцы судовых насосов на основе FPE в начале 1980-х были изготовлены французской компанией Sigma и британской Alan Muntz, но в серию они не пошли.
Возможно, об FPE еще долго бы никто не вспомнил, но помогла случайность. В 1994 году Департамент энергетики США поручил ученым Национальной лаборатории Sandia изучить эффективность бортовых генераторов электроэнергии на базе ДВС различных типов, работающих на водороде. Эта работа была поручена группе Питера Ван Бларигана. В ходе осуществления проекта Ван Блариган, которому концепция FPE была отлично известна, сумел найти остроумное решение проблемы превращения механической энергии поршня в электричество. Вместо усложнения конструкции, а значит — снижения результирующего КПД, Ван Блариган пошел путем вычитания, призвав на помощь магнитный поршень и медную обмотку на цилиндре. Несмотря на всю простоту, такое решение было бы невозможным ни в 1960-х, ни в 1970-х годах. В то время еще не существовало достаточно компактных и мощных постоянных магнитов. Все изменилось в начале 1980-х после изобретения сплава на основе неодима, железа и бора.
За эту работу в 1998 году на Всемирном конгрессе Общества автомобильных инженеров SAE Ван Бларигану и его коллегам Нику Парадизо и Скотту Голдсборо была присвоена почетная премия имени Харри Ли Ван Хорнинга. Очевидная перспективность линейного генератора со свободным поршнем (FPLA), как назвал свое изобретение Ван Блариган, убедила Департамент энергетики продолжить финансирование проекта вплоть до стадии экспериментального агрегата.
Электронный пинг-понг
Двухтактный линейный генератор Бларигана представляет собой трубу из электротехнической кремнистой стали длиной 30,5 см, диаметром 13,5 см и массой чуть более 22 кг. Внутренняя стенка цилиндра представляет собой статор с 78 витками медной проволоки квадратного сечения. Во внешнюю поверхность алюминиевого поршня интегрированы мощные неодимовые магниты. Топливный заряд и воздух поступают в камеру сгорания двигателя в виде тумана после предварительной гомогенизации. Зажигание происходит в режиме HCCI — в камере одновременно возникает множество микроочагов возгорания. Никакой механической системы газораспределения у FPLA нет — ее функции выполняет сам поршень.
Максимальная мощность FPLA составляет 40 кВт (55 лошадок) при среднем потреблении топлива 140 г на 1кВтч. По эффективности двигатель не уступает водородным топливным ячейкам — термический КПД генератора при использовании в качестве топлива водорода и степени сжатия 30:1 достигает 65%. На пропане чуть меньше — 56%. Помимо этих двух газов FPLA с аппетитом переваривает солярку, бензин, этанол, спирт и даже отработанное растительное масло.
Однако ничто не дается малой кровью. Если проблема превращения тепловой энергии в электрическую Ван Блариганом решена успешно, то управление капризным поршнем стало серьезной головной болью. Верхняя мертвая точка траектории зависит от степени сжатия и скорости сгорания топливного заряда. Фактически торможение поршня происходит за счет создания критического давления в камере и последующего самопроизвольного возгорания смеси. В обычном ДВС каждый последующий цикл является аналогом предыдущего благодаря жестким механическим связям между поршнями и коленвалом. В FPLA же длительность тактов и верхняя мертвая точка — плавающие величины. Малейшая неточность в дозировке топливного заряда или нестабильность режима сгорания вызывают остановку поршня или удар в одну из боковых стенок.
Таким образом, для двигателя такого типа требуется мощная и быстродействующая электронная система управления. Создать ее не так просто, как кажется. Многие эксперты считают эту задачу трудновыполнимой. Гарри Смайт, научный руководитель лаборатории General Motors по силовым установкам, утверждает: «Двигатели внутреннего сгорания со свободным поршнем обладают рядом уникальных достоинств. Но чтобы создать надежный серийный агрегат, нужно еще очень много узнать о термодинамике FPE и научиться управлять процессом сгорания смеси». Ему вторит профессор Массачусетского технологического института Джон Хейвуд: «В этой области еще очень много белых пятен. Не факт, что для FPE удастся разработать простую и дешевую систему управления».
Ван Блариган более оптимистичен, чем его коллеги по цеху. Он утверждает, что управление положением поршня может быть надежно обеспечено посредством той же пары — статор и магнитная оболочка поршня. Более того, он считает, что полноценный прототип генератора с настроенной системой управления и КПД не менее 50% будет готов уже к концу 2010 года. Косвенное подтверждение прогресса в этом проекте — засекречивание в 2009 году многих аспектов деятельности группы Ван Бларигана.
Конструктивная оппозиция
В январе 2008 года знаменитый венчурный инвестор Винод Хосла рассекретил один из своих последних проектов — компанию EcoMotors, созданную годом ранее Джоном Колетти и Петером Хоффбауэром, двумя признанными гуру моторостроения. В послужном списке Хоффбауэра немало прорывных разработок: первый турбодизель для легковых автомобилей Volkswagen и Audi, оппозитный двигатель для Beetle, первый 6-цилиндровый дизель для Volvo, первый рядный 6-цилиндровый дизель Inline-Compact-V, впервые установленный в Golf, и его близнец VR6, созданный для Mercedes. Джон Колетти не менее известен в среде автомобильных инженеров. Долгое время он руководил подразделением Ford SVT по разработке особых серий заряженных автомобилей.
В общем активе Хоффбауэра и Колетти более 150 патентов, участие в 30 проектах по разработке новых двигателей и в 25 проектах новых серийных автомобилей. EcoMotors была создана специально для коммерциализации изобретенного Хоффбауэром модульного двухцилиндрового двухтактного оппозитного турбодизеля с технологией OPOC.
Небольшой размер, сумасшедшая удельная мощность 3,25 л.с. на 1 кг массы (250 л.с. на 1л объема) и танковая тяга в 900 Н•м при более чем скромном аппетите, возможность собирать из отдельных модулей 4-, 6- и 8-цилиндровые блоки — вот основные преимущества стокилограммового модуля OPOC EM100. Если современные дизели на 20−40% эффективнее бензиновых ДВС, то OPOC — на 50% эффективнее лучших турбодизелей. Его расчетный КПД — 57%. Несмотря на свою фантастическую заряженность, двигатель Хоффбауэра отличается идеальной сбалансированностью и очень мягкой работой.
В OPOC поршни соединяются с коленвалом, расположенным в центре, длинными шатунами. Пространство между двумя поршнями служит камерой сгорания. Топливный инжектор находится в области верхней мертвой точки, а впускной воздушный порт и выпускной порт для отработанных газов — в области нижней мертвой точки. Такое расположение вкупе с электрическим турбонагнетателем обеспечивает оптимальную продувку цилиндра — в OPOC нет ни клапанов, ни распредвала.
Турбонагнетатель — неотъемлемая часть мотора, без которой его работа невозможна. Перед запуском двигателя турбонагнетатель в течение одной секунды нагревает порцию воздуха до температуры 100 °C и закачивает ее в камеру сгорания. Дизелю OPOC не нужны калильные свечи, а запуск в холодную погоду не доставляет проблем. При этом Хоффбауэру удалось снизить степень сжатия с привычных для дизелей 19−22:1 до скромных 15−16. Все это, в свою очередь, приводит к снижению рабочей температуры в камере сгорания и расхода топлива.
Троянский конь
Уже сегодня у EcoMotors имеются три полностью готовых к производству оппозитных агрегата различной мощности: модуль мощностью 13,5 л.с. (размеры — 95 мм / 155 мм / 410 мм, вес — 6 кг), 40 л.с. (95 мм / 245 мм / 410 мм, 18 кг) и модуль 325л.с. (400 мм / 890 мм / 1000 мм, 100 кг). Хоффбауэр и Колетти намерены продемонстрировать электрогибридный пятиместный седан среднего класса с дизельным генератором OPOC на базе одной из массовых моделей уже в текущем году. Средний расход солярки у этого автомобиля не превысит 2 л на сотню в комбинированном электрическом и смешанном режимах. Недавно EcoMotors открыла собственный технический центр в городке Троя, штат Мичиган, и уже подыскивает подходящее предприятие для организации серийного производства своих моторов. Несмотря на рассекреченность проекта, из недр компании поступает крайне скудная информация. По-видимому, Винод Хосла решил придержать до поры убойные козыри.
Двигатель Питера Ван Бларигана отличается от обычного ДВС значительно более высоким КПД за счет отсутствия паразитных потерь. В конструкции отсутствуют вращающиеся массы, инерция которых увеличивается за счет центробежной силы. На поршни не действуют боковые силы, прижимающие их к стенкам цилиндра, благодаря чему уменьшается трение. Подшипники коленчатого вала и шатунов, поршневые пальцы, распредвал, кулачки и клапаны — все те узлы двигателя ОТТО, в которых свирепствует трение, отсутствуют в FPLA. Кроме того, на каждый цикл работы двигателя со свободным поршнем приходится два рабочих такта. При этом FPLA намного компактнее, проще и надежнее обычного ДВС. Рабочий прототип мотора Ван Бларигана уже был воплощен в металле и успешно прошел первую стадию испытаний.
Схема двигателя Штельзера
Единая деталь сочетает в себе два поршня, топливный насос и клапанную систему
В 1981 году немецкий изобретатель Франк Штельзер продемонстрировал двухтактный мотор со свободным поршнем, который он разрабатывал в своем гараже с начала 1970-х годов
По его расчетам, движок был на 30% экономичнее обычного ДВС. Единственная движущаяся деталь мотора — сдвоенный поршень, снующий с бешеной частотой внутри цилиндра. Стальная труба длиной 80 см, оснащенная карбюратором низкого давления от мотоцикла Harley-Davidson и блоком катушек зажигания Honda, по грубым прикидкам Стельзера, могла вырабатывать до 200 л.с. мощности при частоте до 20 000 циклов в минуту. Штельзер утверждал, что его моторы можно делать из простых сталей, а охлаждаться они могут как воздухом, так и жидкостью.
В 1981 году изобретатель привез свой мотор на Франкфуртский международный автосалон в надежде заинтересовать ведущие автокомпании. Поначалу идея вызвала определенный интерес со стороны немецких автопроизводителей. По отзывам инженеров Opel, прототип двигателя демонстрировал великолепный термический КПД, а его надежность была совершенно очевидной — ломаться там было практически нечему. Всего восемь деталей, из которых одна движущаяся — сдвоенный поршень сложной формы с системой уплотнительных колец общей массой 5 кг. В лаборатории Opel были разработаны несколько теоретических моделей трансмиссии для мотора Штельзера, включая механическую, электромагнитную и гидравлическую. Но ни одна из них не была признана достаточно надежной и эффективной. После Франкфуртского автосалона Штельзер и его детище пропали из поля зрения автоиндустрии. Еще пару лет после этого в прессе то и дело появлялись сообщения о намерениях Штельзера запатентовать технологию в 18 странах мира, оснастить своими моторами опреснительные установки в Омане и Саудовской Аравии и т. д. С начала 1990-х годов Штельзер навсегда пропал из виду, хотя его сайт в интернете все еще доступен.
Значительная часть потерь на трение в обычных ДВС приходится на повороты шатуна относительно поршня
Короткие шатуны поворачиваются на больший угол, нежели длинные. В OPOC очень длинные и сравнительно тяжелые шатуны, которые снижают потери на трение. Уникальная конструкция шатунов OPOC не требует использования поршневых пальцев для внутренних поршней. Вместо них применяются радиальные вогнутые гнезда большого диаметра, внутри которых скользит головка шатуна. Теоретически такая конструкция узла позволяет сделать шатун длиннее обычного на 67%. В обычном ДВС серьезные потери на трение возникают в нагруженных подшипниках коленвала во время рабочего такта. В OPOC этой проблемы не существует вовсе — линейные разнонаправленные нагрузки на внутренний и внешний поршни полностью компенсируют друг друга. Поэтому вместо пяти опорных подшипников коленвала для OPOC требуется лишь два.
rigaseaf.blogspot.ru
Уже в ноябре этого года на американский рынок выйдет Chevrolet Volt, электромобиль с бортовым генератором электроэнергии. Volt будет оснащен мощным электродвигателем, вращающим колеса, и компактным ДВС, который лишь подзаряжает истощенную литий-ионную батарею. Этот агрегат всегда работает на максимально эффективных оборотах. С этой задачей легко справляется обычный ДВС, привыкший к куда более тяжкому бремени. Однако в скором времени его могут сменить куда более компактные, легкие, эффективные и дешевые агрегаты, специально созданные для работы в качестве электрогенератора.
Когда речь заходит о принципиально новых конструкциях ДВС, скептики начинают морщить носы, кивать на сотни пылящихся на полках псевдореволюционных проектов и трясти святыми мощами четырех горшков и распредвала. Сто лет господства классического двигателя внутреннего сгорания кого хочешь убедят в бесполезности инноваций. Но только не профессионалов в области термодинамики. К таковым относится профессор Питер Ван Блариган.
Энергия взаперти
Одна из самых радикальных концепций ДВС в истории – двигатель со свободным поршнем. Первые упоминания о нем в специальной литературе относятся к 1920-м годам. Представьте себе металлическую трубу с глухими концами и цилиндрический поршень, скользящий внутри нее. На каждом из концов трубы расположены инжектор для впрыска топлива, впускной и выпускной порты. В зависимости от типа топлива к ним могут добавлены свечи зажигания. И все: меньше десятка простейших деталей и лишь одна – движущаяся. Позднее появились более изощренные модели ДВС со свободным поршнем (FPE) – с двумя или даже четырьмя оппозитными поршнями, но это не изменило сути. Принцип работы таких моторов остался прежним – возвратно-поступательное линейное движение поршня в цилиндре между двумя камерами сгорания.
Теоретически КПД FPE переваливает за 70%. Они могут работать на любом виде жидкого или газообразного топлива, крайне надежны и великолепно сбалансированы. Кроме того, очевидны их легкость, компактность и простота в производстве. Единственная проблема: как снять мощность с такого мотора, механически представляющего собой замкнутую систему? Как оседлать снующий с частотой до 20000 циклов в минуту поршень? Можно использовать давление выхлопных газов, но эффективность при этом падает в разы. Эта задача долго оставалась неразрешимой, хотя попытки предпринимались регулярно. Последними о нее обломали зубы инженеры General Motors в 1960-х годах в процессе разработки компрессора для экспериментального газотурбинного автомобиля. Действующие образцы судовых насосов на основе FPE в начале 1980-х были изготовлены французской компанией Sigma и британской Alan Muntz, но в серию они не пошли.
Возможно, об FPE еще долго бы никто не вспомнил, но помогла случайность. В 1994 году Департамент энергетики США поручил ученым Национальной лаборатории Sandia изучить эффективность бортовых генераторов электроэнергии на базе ДВС различных типов, работающих на водороде. Эта работа была поручена группе Питера Ван Бларигана. В ходе осуществления проекта Ван Блариган, которому концепция FPE была отлично известна, сумел найти остроумное решение проблемы превращения механической энергии поршня в электричество. Вместо усложнения конструкции, а значит – снижения результирующего КПД, Ван Блариган пошел путем вычитания, призвав на помощь магнитный поршень и медную обмотку на цилиндре. Несмотря на всю простоту, такое решение было бы невозможным ни в 1960-х, ни в 1970-х годах. В то время еще не существовало достаточно компактных и мощных постоянных магнитов. Все изменилось в начале 1980-х после изобретения сплава на основе неодима, железа и бора.
За эту работу в 1998 году на Всемирном конгрессе Общества автомобильных инженеров SAE Ван Бларигану и его коллегам Нику Парадизо и Скотту Голдсборо была присвоена почетная премия имени Харри Ли Ван Хорнинга. Очевидная перспективность линейного генератора со свободным поршнем (FPLA), как назвал свое изобретение Ван Блариган, убедила Департамент энергетики продолжить финансирование проекта вплоть до стадии экспериментального агрегата.
Электронный пинг-понг
Двухтактный линейный генератор Бларигана представляет собой трубу из электротехнической кремнистой стали длиной 30,5 см, диаметром 13,5 см и массой чуть более 22 кг. Внутренняя стенка цилиндра представляет собой статор с 78 витками медной проволоки квадратного сечения. Во внешнюю поверхность алюминиевого поршня интегрированы мощные неодимовые магниты. Топливный заряд и воздух поступают в камеру сгорания двигателя в виде тумана после предварительной гомогенизации. Зажигание происходит в режиме HCCI – в камере одновременно возникает множество микроочагов возгорания. Никакой механической системы газораспределения у FPLA нет – ее функции выполняет сам поршень.
Максимальная мощность FPLA составляет 40 кВт (55 лошадок) при среднем потреблении топлива 140 г на 1кВтч. По эффективности двигатель не уступает водородным топливным ячейкам – термический КПД генератора при использовании в качестве топлива водорода и степени сжатия 30:1 достигает 65%. На пропане чуть меньше – 56%. Помимо этих двух газов FPLA с аппетитом переваривает солярку, бензин, этанол, спирт и даже отработанное растительное масло.
Однако ничто не дается малой кровью. Если проблема превращения тепловой энергии в электрическую Ван Блариганом решена успешно, то управление капризным поршнем стало серьезной головной болью. Верхняя мертвая точка траектории зависит от степени сжатия и скорости сгорания топливного заряда. Фактически торможение поршня происходит за счет создания критического давления в камере и последующего самопроизвольного возгорания смеси. В обычном ДВС каждый последующий цикл является аналогом предыдущего благодаря жестким механическим связям между поршнями и коленвалом. В FPLA же длительность тактов и верхняя мертвая точка – плавающие величины. Малейшая неточность в дозировке топливного заряда или нестабильность режима сгорания вызывают остановку поршня или удар в одну из боковых стенок.
Таким образом, для двигателя такого типа требуется мощная и быстродействующая электронная система управления. Создать ее не так просто, как кажется. Многие эксперты считают эту задачу трудновыполнимой. Гарри Смайт, научный руководитель лаборатории General Motors по силовым установкам, утверждает: «Двигатели внутреннего сгорания со свободным поршнем обладают рядом уникальных достоинств. Но чтобы создать надежный серийный агрегат, нужно еще очень много узнать о термодинамике FPE и научиться управлять процессом сгорания смеси». Ему вторит профессор Массачусетского технологического института Джон Хейвуд: «В этой области еще очень много белых пятен. Не факт, что для FPE удастся разработать простую и дешевую систему управления».
Ван Блариган более оптимистичен, чем его коллеги по цеху. Он утверждает, что управление положением поршня может быть надежно обеспечено посредством той же пары – статор и магнитная оболочка поршня. Более того, он считает, что полноценный прототип генератора с настроенной системой управления и КПД не менее 50% будет готов уже к концу 2010 года. Косвенное подтверждение прогресса в этом проекте – засекречивание в 2009 году многих аспектов деятельности группы Ван Бларигана.
Конструктивная оппозиция
В январе 2008 года знаменитый венчурный инвестор Винод Хосла рассекретил один из своих последних проектов – компанию EcoMotors, созданную годом ранее Джоном Колетти и Петером Хоффбауэром, двумя признанными гуру моторостроения. В послужном списке Хоффбауэра немало прорывных разработок: первый турбодизель для легковых автомобилей Volkswagen и Audi, оппозитный двигатель для Beetle, первый 6-цилиндровый дизель для Volvo, первый рядный 6-цилиндровый дизель Inline-Compact-V, впервые установленный в Golf, и его близнец VR6, созданный для Mercedes. Джон Колетти не менее известен в среде автомобильных инженеров. Долгое время он руководил подразделением Ford SVT по разработке особых серий заряженных автомобилей.
В общем активе Хоффбауэра и Колетти более 150 патентов, участие в 30 проектах по разработке новых двигателей и в 25 проектах новых серийных автомобилей. EcoMotors была создана специально для коммерциализации изобретенного Хоффбауэром модульного двухцилиндрового двухтактного оппозитного турбодизеля с технологией OPOC.
Небольшой размер, сумасшедшая удельная мощность 3,25 л.с. на 1кг массы (250 л.с. на 1л объема) и танковая тяга в 900 Н•м при более чем скромном аппетите, возможность собирать из отдельных модулей 4-, 6- и 8-цилиндровые блоки – вот основные преимущества стокилограммового модуля OPOC EM100. Если современные дизели на 20–40% эффективнее бензиновых ДВС, то OPOC – на 50% эффективнее лучших турбодизелей. Его расчетный КПД – 57%. Несмотря на свою фантастическую заряженность, двигатель Хоффбауэра отличается идеальной сбалансированностью и очень мягкой работой.
В OPOC поршни соединяются с коленвалом, расположенным в центре, длинными шатунами. Пространство между двумя поршнями служит камерой сгорания. Топливный инжектор находится в области верхней мертвой точки, а впускной воздушный порт и выпускной порт для отработанных газов – в области нижней мертвой точки. Такое расположение вкупе с электрическим турбонагнетателем обеспечивает оптимальную продувку цилиндра – в OPOC нет ни клапанов, ни распредвала.
Турбонагнетатель – неотъемлемая часть мотора, без которой его работа невозможна. Перед запуском двигателя турбонагнетатель в течение одной секунды нагревает порцию воздуха до температуры 100°С и закачивает ее в камеру сгорания. Дизелю OPOC не нужны калильные свечи, а запуск в холодную погоду не доставляет проблем. При этом Хоффбауэру удалось снизить степень сжатия с привычных для дизелей 19–22:1 до скромных 15–16. Все это, в свою очередь, приводит к снижению рабочей температуры в камере сгорания и расхода топлива.
Троянский конь
Уже сегодня у EcoMotors имеются три полностью готовых к производству оппозитных агрегата различной мощности: модуль мощностью 13,5 л.с. (размеры – 95мм / 155мм / 410 мм, вес – 6 кг), 40 л.с. (95 мм / 245 мм / 410 мм, 18 кг) и модуль 325л.с. (400 мм / 890 мм / 1000 мм, 100 кг). Хоффбауэр и Колетти намерены продемонстрировать электрогибридный пятиместный седан среднего класса с дизельным генератором OPOC на базе одной из массовых моделей уже в текущем году. Средний расход солярки у этого автомобиля не превысит 2 л на сотню в комбинированном электрическом и смешанном режимах. Недавно EcoMotors открыла собственный технический центр в городке Троя, штат Мичиган, и уже подыскивает подходящее предприятие для организации серийного производства своих моторов. Несмотря на рассекреченность проекта, из недр компании поступает крайне скудная информация. По-видимому, Винод Хосла решил придержать до поры убойные козыри.
autoinfo.your-web-site.ru
Генератор возвратно-поступательного движения или линейный электрогенератор со свободным поршнем (далее – линейный генератор) является относительно новым видом устройств, вырабатывающих электроэнергию, и представляет интерес как перспективная концепция энергоустановки для гибридного транспорта, а также для передвижных и стационарных электрических энергоуcтановок. Появление линейного генератора объясняется поиском оптимального промежуточного звена между классическими ДВС и «чистой» электротягой. В настоящее время эту нишу интенсивно занимает гибридный электротранспорт. Использование в гибридных схемах малоразмерного ДВС, механической трансмиссии, отдельного генератора, несмотря на оптимизацию параметров системы является громоздким, дорогим и трудно оптимизируемым решением преобразования тепловой энергии сгорания топлива в электрическую энергию. Вместо этого предлагается использование на борту транспортного средства интегрированной силовой установки, состоящей из двигателя внутреннего сгорания со свободным поршнем и линейного электрического генератора.
Рассматривать линейный генератор в качестве альтернативного решения для бортовых источников энергии транспортных средств стало возможным благодаря ряду важных технических событий, произошедших за последние 15-20 лет:
- ускоренное развитие силовой электроники на основе мощных IGBT транзисторов;
- разработаны углубленные математические модели электродвигателей, в частности, линейных мотор-генераторов на основе редкоземельных постоянных магнитов;
- появилась схемотехническая, элементная и программная база для управления и оптимизации быстропротекающих процессов в режиме реального времени, характерных для двигателей внутреннего сгорания;
- проведены газодинамические исследования в области оптимизации сгорания топлива в ДВС (режим сгорания гомогенной топливного заряда с зажиганием от сжатия, HCCI- Homogeneous charge compression ignition).
С другой стороны, в сфере транспортной энергетической политики укрепилась устойчивая тенденция к ужесточению экологических требований к энергетическим устройствам. Все это заставляет по-новому взглянуть на линейный генератор как на перспективную энергетическую установку 21 века.
Линейный генератор является интегрированной конструкцией двух- или четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с линейным электрическим генератором. Одна из возможных схем приведена на рис.1.
Рис. 1 Линейный электрогенератор со свободным поршнем (ЛЭСП).
Преимущества этого принципа преобразования энергии:
Двухцилиндровый двигатель оппозитной схемы имеет поршневую группу, состоящую из двух поршней, соединенных жестким штоком. Циклически повторяющееся давление газов в процессе сгорания топлива сообщает поршневой группе возвратно-поступательное движение. В плоскости симметрии штока, между поршнями на штоке закреплена подвижная магнитная система. Подвижная магнитная система размещается внутри конструкции статора с системой обмоток. При возвратно-поступательном движении штока с закрепленным на нем магнитной системой внутри статора и взаимодействия их магнитных полей происходит возникновение электродвижущей силы в обмотках статора. В сущности это и есть принцип действия генератора со свободным поршнем, производящим электроэнергию непосредственно из линейного движения поршня без промежуточных механических звеньев.
Кроме того, электрическая машина, работая в режиме двигателя, обеспечивает старт двигателя внутреннего сгорания. Электронная система управления должна осуществлять контроль движения поршней для обеспечения оптимального термодинамического цикла, а также позиционирование поршней, предотвращая их соударение с головками цилиндров.
- уменьшение числа движущихся деталей за счет исключения коленчатого вала и шатунов, которые входят в конструкцию ДВС;
- повышение жесткости и механической надежности конструкции двигателя;
- повышение ресурса и механического КПД двигателя вследствие отсутствия шатунов, что приводит к исключению боковых сил, действующих на зеркало цилиндра и уменьшению трения в цилиндропоршневой группе;
- возможность динамического изменения степени сжатия в процессе работы не механическими способами, а установкой параметров системы управления;
- возможность работы с различными видами топлива;
- реализация различных режимов сгорания топлива: электроискровое зажигание смеси, организация дизельного цикла, режим сгорания HCCI.
- исключение стартера для запуска ДВС, так как вследствие обратимого действия генератора, система обладает свойством самозапуска;
- снижение объема аккумуляторных батарей;
- снижение расходов на производство.
Становится возможной применение модульной конструкции двигательной установки в виде нескольких распределенных блоков, что приводит к новым принципам компоновки транспортных средств, а также повышает надежность для использования в военных и других критических областях применения транспортной техники.
Вместе с тем необходимо обратить внимание и на проблемы, связанные с этой концепцией:
- термоизоляция между камерой сгорания и генераторной частью;
- высокая величина циклически повторяющихся сил, действующих на шток и индуктор;
-высокая стоимость материала постоянных магнитов, изменение их рабочих характеристик при влиянии тепловых потоков и знакопеременных нагрузок;
- необходимость создания специального программного обеспечения для управления работой генератора и двигателя;
- недостаточные удельные характеристики созданных прототипов.
Эти проблемы, как можно надеяться, будут решены в ближайшем будущем по мере разработки этой технологии.
Посмотрите материалы на странице Обзор исследований по теме.
Вернуться на Главную страницу.
centaurproject.com
