Главная > Статьи > Новейшие коммерческие разработки свободнопоршневых двигателей для применения в автомобилях

Новейшие коммерческие разработки свободнопоршневых двигателей для применения в автомобилях

Новейшие коммерческие разработки свободнопоршневых двигателей для применения в автомобилях(часть4)

Перевод Илья Духанин, июнь 2016г.

Начало статьи (часть1) читать здесь

Продолжение статьи (часть2) читать здесь

Продолжение статьи (часть3) читать здесь

2.6              Mazda

В патенте JP2008051059A [77] описан двухпоршневой тип СПД с внешним охватывающим линейным генератором с шестеренно-реечным механизмом, как показано на рис. 13.

Хоть это устройство и не является «истинно свободнопоршневой» конфигурацией, так как шестеренно-реечный механизм будет механически управлять движением поршня и передачей усилий нагрузки, в нём все же отсутствует традиционный кривошипно-шатунный механизм, и конфигурация структурно подобна известным двухпоршневым свободнопоршневым двигателям.

Ключевой особенностью этой концепции является то, что горизонтальная сила, создаваемая движением поршней, может быть устранена посредством движения линейного генератора, решая, таким образом,  вопрос вибрации, присущий конструкциям двухпоршневых свободнопоршневых двигателей. Это обеспечивается разработкой двигателя с равными движущимися массами поршневого узла и подвижным узлом генератора. Следующее преимущество этого решения состоит в том, что теплота, получаемая от процесса сгорания, вероятно будет меньше воздействовать на постоянные магниты, а также катушки могут быть установлены с достаточной теплоизоляцией на  двигателе. Также на рисунке показаны механические ограничители хода A и Б, которые будут предохранять поршень от удара о головку блока цилиндров в случае нестабильного сгорания.

Рис. 13. Концепция СПД двухпоршневого типа Mazda [77].

Рис. 13. Концепция СПД двухпоршневого типа Mazda [77].

Другие публикации патентов  Mazda включают патентную заявку JP2008-51058 [78], в которой описывается концепция с зубчатым штоком, находящимся в зацеплении с шестерней, которая вращает генератор. Каждый поршень смещён по фазе на 180 градусов. Это устройство работает на четырёхтактном цикле с кулачком, приводящим в действие впускные и выпускные клапаны через качающиеся рычаги. Подобный подход,  как изложенный выше, решает задачу теплопередачи от двигателя к генератору посредством разделения генератора от двигателя. Двигатель и генератор соединены механическим звеном в виде  рейки и шестерни. Основной вращающийся вал не совершает полный оборот, однако изменяет вращение по часовой стрелке в одном такте на вращение против часовой стрелке  в другом такте.

В заявке на патент JP 2008-57383 [79] предложена концепция переменной инертной массы для изменения скорости поршня согласно потребляемой электрической нагрузке. В этой конфигурации есть два вращающихся генератора, соединённых механизмом сцепления.

Благодаря природе свободнопоршневого двигателя, в процессе работы степень сжатия не постоянна. Эти изменения в дальнейшем влияют на характеристики сгорания и потребляемую нагрузку. С другой стороны, для заданных условий работы предпочтительнее определённое значение для получения высокого теплового КПД. Заявка на патент JP2008-223628 [80] описывает, как может быть достигнуто управление степенью сжатия путем мониторинга скорости поршня и управлением нагрузкой генератора. Этим методом утверждается, что он  может решить задачу управления степенью сжатия  во время высокой скорости двигателя, в то время как управление на низкой скорости достигается, используя регулирование электрической нагрузкой. Энергия, полученная от генератора, будет влиять на кинетическую энергию поршневого узла во время хода сжатия и, как следствие, на степень сжатия.

В этой стратегии управления, когда скорость поршня падает ниже скорости отсечения, генерирование электрической мощности останавливается, таким образом уменьшается электрическое торможение. Скорость обрезки — это та скорость поршня, при которой прекращается выдача мощности (нет выдаваемой мощности). При этой скорости напряжение, получаемое от линейного генератора, всё ещё выше, чем напряжение зарядки батареи.

Есть два значительных параметра, выделенных в этом патенте, коэффициент избытка воздуха λ и нагрузка генератора G, где λ показывает бедный или богатый  заряд, а G является отношением движущей моторной силы к линейной скорости. На рис. 14, а показано, как при фиксированных  λ и G одна скорость отсечения vc может определять конечную степень сжатия. Высокая скорость будет увеличивать степень сжатия, в то время как низкая скорость будет снижать ее. Далее, на рис. 14, б показано, что произойдёт при постоянной vc , λ и G не влияют на конечную степень сжатия.

Рис. 14. Управление степенью сжатия свободнопоршневого двигателя, используя силу электрической нагрузки

Рис. 14. Управление степенью сжатия свободнопоршневого двигателя, используя силу электрической нагрузки: а) при фиксированных λ и нагрузке генератора; б) при фиксированной скорости отсечки [80].

Другим интересным аспектом, раскрываемым в этом патенте, является то, что, если обнаруживается пропуск зажигания, скорость отсечки увеличивается, чтобы увеличить степень сжатия для исключения дальнейшего пропуска зажигания, в то время как при обнаружении детонации (обычно при высокой степени сжатия) скорость отсечки снижается, чтобы снизить  степень сжатия во избежание дальнейшей детонации в последующем цикле.

В заявке на патент JP2008-223657 [81] предложен генератор с оппозитно-поршневой типом СПД с внешне присоединённым линейным генератором, как показано на рис. 15. Каждый поршень связан с его собственным линейным генератором и  находится в фазовой связи друг с другом  для устранения вибрации. Преимущества наличия внешнего генератора включают отсутствие вибрации при работе и снижение теплопередачи от двигателя к генератору.

Рис. 15. Генератор с оппозитно-поршневой типом СПД с внешне присоединённым линейным генератором [81].

Рис. 15. Генератор с оппозитно-поршневой типом СПД с внешне присоединённым линейным генератором [81].

Также Mazda выдвинула некоторые другие интересные патенты, следующие за конфигурацией на рис. 15, для многоцилиндровой версии с рассмотрением  ее рабочих и управленческих аспектов [82,83].

    3. Выводы

На протяжении последних лет свободнопоршневые двигатели активно изучаются академическими группами, и, как показано в настоящей статье, интерес к этой технологии также есть и среди ключевых автомобильных производителей, о чем  свидетельствуют патенты, рассмотренные в статье. Хронологически ранними патентами, представленными здесь,  являются патенты Volvo Technology Corporation, ABB,  Ford Global Technologies, в то время как более современными патентами являются патенты Mazda, Honda, GM и Toyota.

Прежде, чем свободнопоршневые двигатели выйдут на этап коммерческого продукта, должны быть решены множество проблем. Некоторые из них, такие как проблемы управления движением поршня, находятся в центре внимания  как академических групп, так промышленных групп,  принимая во внимание некоторые наиболее выдающиеся промышленные отчеты. Примером наиболее поздних из них являются проблемы теплопередачи, на которые обращается внимание в большинстве патентов.

Не кажется, что есть единственное решение в разработке   высоко успешного свободнопоршневого двигателя и единственная конфигурация (однопоршневая, двухпоршневая или оппозитно-поршневая) СПД, чтобы можно было сказать, что она превосходит остальные. В дальнейшем двухтактный цикл не кажется существенным для работы СПД, так как демонстрируются четырехтактные решения из некоторых рассмотренных патентов.

Вопрос вибрации в генераторе с двухпоршневым типом СПД не выделялся как главная проблема, также как и продувка цилиндров или смазка. Решения по пуску и хранением энергии для непрерывной работы рассматриваются наряду с управлением положением поршня и охлаждением СПД и генератора. Таким образом, хотя и известны большие потенциальные преимущества генератора с СПД, ключевыми аспектами для коммерциализации видимо лежат в возможности запуска, непрерывной работы и охлаждения.

Действительная жизнеспособность свободнопоршневых двигателей в настоящее время не определена, хотя ясно, что имеется главный потенциал, как говорит об этом интерес со стороны коммерческих участников. Должны быть проведены более глубокие исследования, так как современные исследования основаны в большинстве на моделировании и имеется очень мало известных экспериментальных  рабочих отчётов. Хотя множество исследований, основанных на моделировании, показали многообещающий потенциал в смысле КПД и уровня вредных выбросов, только немногие прототипы реализованы, и в настоящее время не имеется ясного пути к коммерциализации.

Список литературы

  1. R. Mikalsen and A. P. Roskilly, «A review of free-piston engine history and applications,» 489 Applied Thermal Engineering, vol. 27, pp. 2339-2352, Oct 2007. 490
  2. M. Goertz and L. Peng, «Free Piston Engine Its Application and Optimization,» SAE 491 Technical Paper 2000-01-0996, 2000. 492
  3. P. A. J. Achten, «A Review of Free Piston Engine Concepts,» SAE Technical Paper 941776, 493 1994. 494
  4. R. Mikalsen and A. P. Roskilly, «The fuel efficiency and exhaust gas emissions of a low 495 heat rejection free-piston diesel engine,» Proc. IMechE Part A: J. Power and Energy, vol. 496 223, 2009. 497
  5. F. Rinderknecht, «A highly efficient energy converter for a hybrid vehicle concept — 498 focused on the linear generator of the next generation,» in Ecological Vehicles and 499 Renewable Energies (EVER), 2013 8th International Conference and Exhibition on, 2013, 500 pp. 1-7. 501
  6. D. Carter and E. Wechner, «The Free Piston Power Pack: Sustainable Power for Hybrid 502 Electric Vehicles,» SAE International, vol. 2003-01-3277, 2003. 503
  7. J. Hansson and M. Leksell., «Performance of a Series Hybrid Electric Vehicle with a Free-504 Piston Energy Converter,» 2006. 505
  8. C. Tóth-Nagy, «Linear Engine Development for Series Hybrid Electric Vehicles,» Doctor of 506 Philosophy, Department of Mechanical and Aerospace Engineering, West Virginia 507 University, Morgantown, WV, 2004. 508
  9. J. Hu, W. Wu, S. Yuan, and C. Jing, «Mathematical modelling of a hydraulic free-piston 509 engine considering hydraulic valve dynamics,» Energy, vol. 36, pp. 6234-6242, 2011. 510
  10. Z. Zhao, F. Zhang, Y. Huang, C. Zhao, and F. Guo, «An experimental study of the hydraulic 511 free piston engine,» Applied Energy, vol. 99, pp. 226-233, 2012. 512
  11. Z. Zhao, F. Zhang, Y. Huang, and C. Zhao, «An experimental study of the cycle stability of 513 hydraulic free-piston engines,» Applied Thermal Engineering, vol. 54, pp. 365-371, 2013. 514
  12. C. L. Tian, H. H. Feng, and Z. X. Zuo, «Oscillation Characteristic of Single Free Piston 515 Engine Generator,» Advanced Materials Research, vol. 383-390, pp. 1873-1878, 2011. 516
  13. J. L. Mao, Z. X. Zuo, W. Li, and H. H. Feng, «Multi-dimensional scavenging analysis of a 517 free-piston linear alternator based on numerical simulation,» Applied Energy, vol. 88, pp. 518 1140-1152, Apr 2011. 519
  14. J. L. Mao, Z. X. Zuo, and H. H. Feng, «Parameters coupling designation of diesel free-piston 520 linear alternator,» Applied Energy, vol. 88, pp. 4577-4589, Dec 2011. 521
  15. C. L. Tian, H. H. Feng, and Z. X. Zuo, «Load Following Controller for Single Free-Piston 522 Generator,» Applied Mechanics and Materials, vol. 157, pp. 617-621, 2012. 523
  16. C.-J. Chiang, J.-L. Yang, S.-Y. Lan, T.-W. Shei, W.-S. Chiang, and B.-L. Chen, «Dynamic 524 modeling of a SI/HCCI free-piston engine generator with electric mechanical valves,» 525 Applied Energy, vol. 102, pp. 336-346, 2013. 526
  17. J. Xiao, Q. Li, and Z. Huang, «Motion characteristic of a free piston linear engine,» Applied 527 Energy, vol. 87, pp. 1288-1294, 2009. 528
  18. S. Xu, Y. Wang, T. Zhu, T. Xu, and C. Tao, «Numerical analysis of two-stroke free piston 529 engine operating on HCCI combustion,» Applied Energy, vol. 88, pp. 3712-3725, 2011. 530
  19. J. Kim, C. Bae, and G. Kim, «Simulation on the effect of the combustion parameters on the 531 piston dynamics and engine performance using the Wiebe function in a free piston 532 engine,» Applied Energy, vol. 107, pp. 446-455, 2013. 533
  20. M. N. Svrcek and C. F. Edwards, «Emissions from an extreme-compression, free-piston 534 engine with diesel-style combustion,» International Journal of Engine Research, vol. 13, 535 pp. 238-252, 2012. 536
  21. Z. Xu and S. Chang, «Prototype testing and analysis of a novel internal combustion linear 537 generator integrated power system,» Applied Energy, vol. 87, pp. 1342-1348, 2010. 538
  22. S. A. Zulkifli, M. N. Karsiti, and A. R. A. Aziz, «Starting of a free-piston linear engine-539 generator by mechanical resonance and rectangular current commutation,» in Vehicle 540 Power and Propulsion Conference, 2008. VPPC ’08. IEEE, 2008, pp. 1-7. 541
  23. Ezrann Zharif Zainal Abidin, Abdulwehab A. Ibrahim, A. R. A. A. and, and S. A. Zulkifli, 542 «Investigation of Starting Behaviour of a Free-piston Linear Generator,» Journal of 543 Applied Sciences, vol. 12, pp. 2592-2597, 2012. 544
  24. R. Mikalsen and A. P. Roskilly, «The design and simulation of a two-stroke free-piston 545 compression ignition engine for electrical power generation,» Applied Thermal 546 Engineering, vol. 28, pp. 589-600, Apr 2008. 547
  25. R. Mikalsen and A. P. Roskilly, «Performance simulation of a spark ignited free-piston 548 engine generator,» Applied Thermal Engineering, vol. 28, pp. 1726-1733, Oct 2008. 549
  26. R. Mikalsen and A. P. Roskilly, «Coupled dynamic-multidimensional modelling of free-550 piston engine combustion,» Applied Energy, vol. 86, pp. 89-95, Jan 2009. 551
  27. R. Mikalsen and A. P. Roskilly, «A computational study of free-piston diesel engine 552 combustion,» Applied Energy, vol. 86, pp. 1136-1143, Jul-Aug 2009. 553
  28. R. Mikalsen and A. P. Roskilly, «The control of a free-piston engine generator. Part 1: 554 Fundamental analyses,» Applied Energy, vol. 87, pp. 1273-1280, Apr 2010. 555
  29. R. Mikalsen and A. P. Roskilly, «The control of a free-piston engine generator. Part 2: 556 Engine dynamics and piston motion control,» Applied Energy, vol. 87, pp. 1281-1287, Apr 557 2010. 558
  30. R. Mikalsen, E. Jones, and A. P. Roskilly, «Predictive piston motion control in a free-piston 559 internal combustion engine,» Applied Energy, vol. 87, pp. 1722-1728, May 2010. 560
  31. P. M. Najt, R. P. Durrett, and V. Gopalakrishnan, «Opposed Free Piston Linear Alternator,» 561 US 2012/112468 A1, 2012. 562
  32. R. P. Durrett, V. Gopalakrishnan, and P. M. Najt, «Turbocompound Free Piston Linear 563 Alternator,» US 2012/112469 A1, 2012. 564
  33. A. L. London and A. K. Oppenheim, «The free-piston engine development – Present status 565 and design aspects,» Transactions of the ASME, vol. 74, pp. 1349–1361, 1952. 566
  34. G. J. Flynn, «Observations on 25,000 hours of free-piston-engine operation,» SAE 567 Technical Paper 570042, vol. 65, pp. 508–515, 1957. 568
  35. R. Huber, «Present state and future outlook of the free-piston engine,» Transactions of 569 the ASME, vol. 80, pp. 1779–1790, 1958. 570
  36. P. Němeček and O. Vysoký, «Control of Two-Stroke Free-Piston Generator,» Proceedings 571 of the 6th Asian Control Conference, vol. 1, 2006. 572
  37. A. G. Holmes, «Free-piston Linear Alternator Systems and Methods,» US 20110012367A1, 573 2011. 574
  38. K. Hidemasa, O. Yuichi, H. Yoshihiro, N. Kiyomi, and A. Kosuke, «Free-piston type 575 Generator (I),» Japan Patent JP2012202385A, 2012. 576
  39. T. A. Johansen, O. Egeland, E. A. Johannessen, and R. Kvamsdal, «Free-piston diesel 577 engine dynamics and control,» in American Control Conference, 2001, pp. 4579-4584 578 vol.6. 579
  40. T. A. Johansen, O. Egeland, E. A. Johannessen, and R. Kvamsdal, «Free-piston diesel 580 engine timing and control — toward electronic cam- and crankshaft,» Control Systems 581 Technology, IEEE Transactions on, vol. 10, pp. 177-190, 2002. 582
  41. F. Kock, A. Heron, F. Rinderknecht, and H. E. Friedrich, «The Free-Piston Linear 583 Generator Potentials and Challenges,» MTZ worldwide, vol. 74, pp. 38-43, 2013. 584
  42. H. Yoshihiro, O. Yuichi, and N. Kiyomi, «Free-piston Engine Driven Linear Power 585 Generator,» Japan Patent JP2012021461A, 2012. 586
  43. NGK. (2013, 1 December). Heat rating and heat flow path of NGK Spark Plugs. Available: 587 http://www.ngksparkplugs.com/tech_support/spark_plugs/p2.asp 588
  44. H. Yoshihiro, K. Hidemasa, N. Kiyomi, O. Yuichi, A. Kosuke, and A. Tomoyuki, «Free-589 piston type Generator (III),» Japan Patent JP2012202387A, 2012. 590
  45. K. Hidemasa, O. Yuichi, H. Yoshihiro, N. Kiyomi, and A. Kosuke, «Free-piston type 591 Generator (II),» Japan Patent JP2012202386A, 2012. 592
  46. Seppo Tikkanen, Mika Lammila, M. H. and, and M. Vilenius, «First Cycles of the Dual 593 Hydraulic Free Piston Engine,» SAE Technical Paper 2000-01-2546, 2000. 594
  47. P. V. Blarigan, N. Paradiso, and S. S. Goldsborough, «Homogeneous Charge Compression 595 Ignition with a Free Piston: A New Approach to Ideal Otto Cycle Performance,» SAE 596 Technical Paper 982484, 1998. 597
  48. O. Yuichi, H. Yoshihiro, and N. Kiyomi, «A Linear Electric Power Generation Free-piston 598 Engine and Its Start-up Method,» Japan Patent JP2012031746A, 2012. 599
  49. W. Arshad, «A Low-Leakage Linear Transverse-Flux Machine for a Free-Piston 600 Generator,» PhD Thesis, Royal Institute of Technology (KTH), Stockholm, 2003. 601
  50. J. Hansson, «Analysis and control of a hybrid vehicle powered by free-piston energy 602 converter,» KTH, Stockholm, 2006. 603
  51. J. Fredriksson and I. Denbratt, «Simulation of a Two-Stroke Free Piston Engine,» SAE 604 Technical Paper 2004-01-1871, 2004. 605
  52. M. Bergman, «CFD Modelling of a Free-Piston Engine Using Detailed Chemistry,» 606 Licentiate thesis, Department of Applied Mechanics, Combustion and Multiphase Flow, 607 Chalmers University of Technology, 2006. 608
  53. O. Lindgärde, «Method and System for Controlling a Free-Piston Energy Converter,» 609 EP1740804B1, 2005. 610
  54. W. M. Arshad and C. Sadarangani, «An electrical machine and use thereof,» 611 WO2004017501(A1), 2004. 612
  55. C. M. Atkinson, S. Petreanu, N. N. Clark, R. J. Atkinson, T. I. McDaniel, S. Nandkumar, and P. 613 Famouri, «Numerical Simulation of a Two-Stroke Linear Engine-Alternator Combination,» 614 SAE Technical Paper 1999-01-0921, 1999. 615
  56. W. Cawthorne, P. Famouri, and N. Clark, «Integrated design of linear alternator/engine 616 system for HEV auxiliary power unit,» in Electric Machines and Drives Conference, 2001, 617 pp. 267-274. 618
  57. S. S. Goldsborough and P. V. Blarigan, «A Numerical Study of a Free Piston IC Engine 619 Operating on Homogeneous Charge Compression Ignition Combustion,» SAE Technical 620 Paper 1999-01-0619, 1999. 621
  58. P. Němeček, M. Šindelka, and O. Vysoký, «Modeling and Control of Linear Combustion 622 Engine,» IFAC Symposium on Advances in Automotive Control, 2003. 623
  59. P. Deutsch and O. Vysoky, «In-cycle thermodynamic model of linear combustion engine,» 624 Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on Control Applications, 2006. 625
  60. Q. Li, J. Xiao, and Z. Huang, «Simulation of a Two-Stroke Free-Piston Engine for Electrical 626 Power Generation,» Energy & Fuels, vol. 22, pp. 3443-3449, 2008/09/17 2008. 627
  61. E. Max, S. Lundgren, J. Somhurst, A. Höglund, G. Wirmark, L. Gertmar, and I. Denbratt, 628 «Energy Converter,» Sweden Patent EP 1 540 155 B1, 2005. 629
  62. F. Kevin and H. Peter, «Piston Stopper for a free piston Engine,» US 2005/0284428 A1, 630 2005. 631
  63. L. Peng and C. Carlson, «Exhaust gas recirculation for a free piston engine,» US 6,925,971 632 B1, 2005. 633
  64. H.-J. Laumen and I. G. Guerich, «Position sensing for a free piston engine,» US 6,948,459 634 B1, 2005. 635
  65. P. Hofbauer, «Opposed piston opposed cylinder free piston engine,» US 6,953,010 B1, 636 2005. 637
  66. L. Peng, P. Hofbauer, and J. Yang, «Fuel injection for a free piston engine,» US 6,959,672 638 B1, 2005. 639
  67. C. Carlson, «Compression pulse starting of a free piston internal combustion engine 640 having multiple cylinders,» US 6,966,280 B1, 2005. 641
  68. K. Fuqua and P. Hofbauer, «Piston lubrication for a free piston engine,» US 6,971,341 B1, 642 2005. 643
  69. P. Hofbauer and A. Tusinean, «Sodium cooled pistons for a free piston engine,» US 644 6,904,876 B1, 2005. 645
  70. J. Schmuecker, I. G. Guerich, H.-J. Laumen, A. Tusinean, and K. Fuqua, «Hydraulic 646 synchronizing coupler for a free piston engine,» US 7,077,080 B2, 2006. 647
  71. A. Hibi and T. Ito, «Fundamental test results of a hydraulic free piston internal 648 combustion engine,» Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: 649 Journal of Automobile Engineering, vol. 218, pp. 1149-1157, October 1, 2004. 650
  72. P. A. J. Achten, J. P. J. v. d. Oever, J. Potma, and G. E. M. Vael, «Horsepower with Brains: The 651 Design of the Chiron Free Piston Engine,» New Fluid Power Applications and Components, 652 SAE TECHNICAL, vol. 2000-01-2545, 2000. 653
  73. P. A. J. Achten, «The Hydrid Transmission,» SAE Technical Paper 2007-01-4152, 2007. 654
  74. T. Osamu, S. Kohei, T. Kenichi, K. Kohei, and Y. Yuji, «The Control Apparatus of an 655 Internal Combustion Engine,» JP2011202621 A, 2011. 656
  75. S. Petreanu, «Conceptual Analysis of A Four-Stroke Linear Engine,» PhD, Department of 657 Mechanical and Aerospace Engineering, West Virginia University, Morgantown, West 658 Virginia, 2001. 659
  76. J. Lin, Z. Xu, S. Chang, N. Yin, and H. Yan, «Thermodynamic Simulation and Prototype 660 Testing of a Four-Stroke Free-Piston Engine,» Journal of Engineering for Gas Turbines and 661 Power, vol. 136, p. 051505, 2014. 662
  77. N. Koichi, «Free-piston Engine (II),» Japan Patent JP2008051059(A), 2008. 663
  78. N. Koichi, «Free-piston Engine (I),» Japan Patent JP2008051058(A), 2008. 664
  79. N. Koichi, «The Control Apparatus of a Free Piston Engine (I),» Japan Patent 665 JP2008057383(A), 2008. 666
  80. N. Koichi, «The Control Apparatus of a Free Piston Engine (II),» Japan Patent 667 JP2008223628(A), 2008. 668
  81. N. Koichi, «Free-piston Engine (III),» Japan Patent JP2008223657(A), 2008. 669
  82. N. Koichi, «Free-piston Engine and Its Control Method (I),» Japan Patent 670 JP2009008068(A), 2009. 671
  83. N. Koichi, «Free-piston Engine and Its Control Method (II),» Japan Patent 672 JP2009008069(A), 2009.

Новейшие коммерческие разработки свободнопоршневых двигателей для применения в автомобилях (часть3)

Перевод Илья Духанин, июнь 2016 год

Начало статьи (часть1) читать здесь

Продолжение статьи (часть2) читать здесь

2.4              Ford

Существует большое число патентов от Ford Global Tech. в период 2004-2006 гг. в области свободнопоршневых двигателей для гидравлических насосов [62-70]. Все из этих ранних патентов были сосредоточены на гидравлических свободнопоршневых двигателях, так как утверждалось, что «линейные генераторы не являются особенно эффективными при получении электроэнергии, особенно, если их сравнить с традиционными вращающимися генераторами» [65].  Однако в патентах упоминалось, что гидравлический насос может быть заменён воздушным компрессором или линейным генератором [63,64,66-69].

На рис. 10 показана упрощённая схема  изобретения, названного, оппозитный поршень, оппозитный цилиндр (opposed-piston, opposed-cylinder — OPOC), который состоит из двух комплектов поршней, внутреннего и внешнего; соединённых вместе через механическую и гидравлическую связи. Работа двигателя может быть описана следующим образом: после сгорания, происходящего в первом цилиндре, внутренний и наружный поршни будут двигаться прочь друг от друга. Результирующее движение внутреннего тягового штока будет сжимать гидравлическую жидкость, которая затем, расширяясь, оказывает давление на внешние тяговые штоки. Гидравлические камеры в блоке насоса точно разработаны так, чтобы движение внутреннего штока будет давать в результате подобное движение внешних штоков. Таким образом, рабочий и выпускной такт  в первом цилиндре создаёт такт впуска и сжатия в противоположном цилиндре. Эта циклическая работа двигателя будет  перекачивать жидкость из резервуара низкого давления в резервуар высокого, тем самым сохраняя выходную работу двигателя в форме сжатой жидкости.

Рис. 10. Упрощённая схема свободнопоршневого гидравлического насоса Ford [62-70].

Рис. 10. Упрощённая схема свободнопоршневого гидравлического насоса Ford [62-70].

Конструкция фирмы Ford отличается  от конструкций ранее известных свободнопоршневых двигателей, в которых работа внутренних поршней подобна свободнопоршневым двигателям со сдвоенными поршнями, в то время как каждый цилиндр является оппозитным поршнем СПД,  который синхронизируется и балансируется гидравлически.  Использование гидравлического контура для управления движением поршня и балансирования свободнопоршневых двигателей были применены некоторыми авторами, например, Хиби и Ито (Hibi, Ito, [71]) исследовали оппозитнопоршневой гидравлический СПД и рассмотрели аспекты синхронизации поршней. Также в гидравлическом СПД с одним поршнем фирмы Innas  [72] используется гидравлика для достижения силового управления двигателем. Фирма Innas  также предложила эту систему для использования в гидравлических гибридных транспортных средствах («Hydrid») [73].

Стратегия запуска описана в патенте US 6966280 B1 [67] и разделена на три основных этапа, используя гидравлический насосный блок в качестве силового привода. На первом этапе воздух последовательно засасывается в первый цилиндр, а потом — во второй. На втором этапе происходит циклическое возвратно-поступательное движение поршней, в течение которого заряд в цилиндре захватывается, обеспечивая, таким образом, достаточность хода поршня и закрывая  впускные и выпускные окна. В таком случае цилиндр ведет себя, как механическая пружина, способствующая возвратно-поступательному движению. Во время этого процесса внутренний и наружный  поршни движутся возвратно-поступательно с частотой подобной или близкой к собственной частоте системы. Цель состоит в достаточном повышении давления сжатия прежде, чем топливо впрыскивается в камеру. На последнем этапе свечой зажигания инициируется процесс сгорания в первом цилиндре, а вслед за этим – во втором цилиндре, после чего оба цилиндра продолжают циклически работать. Когда оба цилиндра достигнут максимального давления в цилиндре, требующегося для воспламенения от сжатия, свеча отключается, и двигатель будет работать в режиме HCCI.

Ключевой принцип этого способа пуска – получение резонансных характеристик СПД с этой конфигурацией.  Метод механического резонанса исследовался в СПД со сдвоенными поршнями с искровым зажиганием посредством работы интегрированного линейного генератора в качестве двигателя, и при относительно низком токе питания достигался полный рабочий ход [22]. Подобная стратегия рассматривалась для пуска линейного генератора с дизельным СПД [14].

Дополнительно  патенты Ford охватывает широкий спектр компонентов и подсистем для конструкции OPOC, включая ограничитель для предотвращения превышения хода поршня [62], датчик положения для калибровки, измерение положения и скорости [64], систему смазки поршня масляным туманом [68], натриевое охлаждение поршня [69], использование рециркуляции выхлопных газов [63], гидравлическую синхронизацию [70].

2.5              Honda

Единственная всесторонняя заявка на патент фирмы Honda [74] описывает генератор с четырёхтактным одноцилиндровым СПД с искровым зажиганием и механической пружиной, как показано на рис. 11. Рабочий ход даёт кинетическую энергию, которая частично накапливается в виде потенциальной энергии механической пружины, используемой соответственно во время тактов выпуска и сжатия [74]. Процесс впуска не объясняется, однако может достигаться с помощью линейного двигателя.

Четырёхтактные СПД не освещались широко в литературе, так как стандартные конфигурации СПД ограничивается двухтактной работой, поскольку в каждом цикле требуется силовой рабочий ход [1]. Концептуальный четырёхтактный СПД генератора была представлен Петреану (Petreanu, [75]). Это была сложная четырёхцилиндровая H-образная конструкция, однако она не была построена. Ксю и Чанг (Xu, Chang, [21]) описали одноцилиндровый четырёхтактный цикл работы СПД с искровым зажиганием, подобный концепту Honda. Комбинируя характеристики пружины и управления силой электрической машины для движения поршневого узла, можно реализовать четырёхтактный цикл.

В недавней статье Лин и др. (Lin , [76]) в дальнейшем эта концепция была улучшена посредством внешнего наддува и системы промежуточного охлаждения и исследования моделирования улучшенного термодинамического цикла в течение тактов короткого впуска и длинного расширения. Следует отметить, что возможность изменения длины рабочего хода независимо между рабочим тактом или тактами выпуска и впуска или сжатия позволяет реализацию альтернативных циклов, таких как циклы Миллера или  Аткинсона. Это способствует осуществлению дополнений потенциальных преимуществ СПД в смысле рабочей гибкости и возможности оптимизации.

Интересной особенностью концепции Honda является  предлагаемый датчика положения поршня для линейного измерения, который включает треугольную пластину и бесконтактный датчик, как также показано на рис. 11.

Система работает на расстоянии между бесконтактным датчиком и треугольной пластиной, D посредством измерения напряженности магнитного поля, которое изменяется соответственно дистанции до треугольной пластины. Когда поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ), расстояние D максимально (Dmax), в то время как в нижней мертвой точке (НМТ) оно минимально (Dmin). Таким образом, может быть вычислено мгновенное положение поршня на всей длине рабочего хода.

Рис. 11. Концепция генератора от Honda для одноцилиндрового четырёхтактного свободнопоршневого двигателя [74].

Рис. 11. Концепция генератора от Honda для одноцилиндрового четырёхтактного свободнопоршневого двигателя [74].

Дополнительно новая стратегия управления движением поршня предложена, основываясь  на управлении внутрицилиндрового давления. Управление давлением внутри цилиндра включает два главных параметра, а именно, на предполагаемом давлении сгорания и предполагаемой скорости поршня, и разделяет режим контроля так, что управление давлением сгорания осуществляется во время такта сжатия, тогда как управление скоростью применяется на такте расширения. Во время такта впуска и выпуска  управление давлением в цилиндре не используется, как подчеркивается в схеме потоков в патенте.

Предполагаемое давление сгорания Pburn вычисляется на основании объёма газа впуска, температуры газа впуска, температуры газа во время сжатия температуры сгорания. Эти параметры сравниваются с целевыми давлением сгорания Pobj, которое рассчитывается соответственно рабочему состоянию двигателя. Если прогнозируемое давления сгорания Pburn больше чем Pobj, то потребление электрическая нагрузка будет увеличено, таким образом снижая скорость поршня и наоборот.

Реализация этой стратегии управления можно видеть на рис. 12, где графики давления в цилиндре при управлении нагрузкой и без управления показаны на рис.12, а. Соответствующие команды электрической нагрузки показаны на рис. 12, в, где их величина увеличивается до ЕСН во время сжатия от t1 до t2. При t2, поршень находится на участке расширения, таким образом управление скоростью применяется посредством снижения ECMD к меньшему значению, прежде возвращения к стандартной величине ECM. Следует заметить, что такт сжатия занимает более короткое время, когда не используется управление нагрузкой, по сравнению с тем, когда присутствует управление нагрузкой, как показано на рис. 12, г.

Рисунок 12. Концепт генератора с четырехтактным, одноцилиндровым СПД  Honda [74].

Рисунок 12: Концепт генератора с четырехтактным, одноцилиндровым СПД  Honda [74].

Продолжение статьи (часть4)

Новейшие коммерческие разработки свободнопоршневых двигателей для применения в автомобилях (часть2)

Начало статьи   Новейшие коммерческие разработки свободнопоршневых двигателей для применения в автомобилях(часть1)

Перевод Илья Духанин, июнь 2016г.

2.2              Toyota

Toyota Central Research совсем недавно опубликовал множество патентных заявок, связанных с системами свободнопоршневых двигателей. В ссылке [38] описывается несколько вариантов конструкции устройства с одним поршнем с газополненной буферной камерой. Использование буферной  камеры с регулятором давления является хорошо известной опцией для управления движением поршня. Это изучалось, к примеру, Йохансеном (Johansen ) и др. [39,40], а также Микалсеном и Роскили (Mikalsen, Roskilly) [24,28-30]. По сравнению с системой с двумя поршнями, в которой обратный хода поршня задается непосредственно процессом сгорания в противоположном цилиндре,  буферная камера менее подвержена изменениям от цикла к циклу и обеспечивает некоторую гибкость тем, что жёсткость газовой пружины может регулироваться за счёт управления количеством газа в полости пружины. Это также это подтверждается недавним исследованием Аэрокосмического центра Германии (German Aerospace Centre — DLR), в котором сообщается о выборе конфигурации с газовой пружиной, поскольку так будет проще реализовать управление движением поршня [41].

Ещё одна заявка на патент [38] предлагает несколько вариантов снижения величины теплопередачи от поршня к постоянным магнитам, чтобы избежать размагничивания магнитов и перегрева катушек. В другом патенте Toyota [42] было предложено специальное керамическое покрытие — Zirconia. Однако для надёжности и долговечности при работе требуется более эффективный метод рассеивания тепла, один из таких способов показан на рис. 4. В этом изобретении путь потока тепла, проходящий от верхней части поршня до постоянных магнитов и катушек, более длинный, и площадь поверхности поршня больше повергается воздействию сжатого воздуха. Таким образом, повышение конечной температуры на сборочном узле с постоянными магнитами может быть значительно снижено.  Это является доказанной концепцией, которая реализована и в других областях, такой как технология с искровым зажиганием [43].

Рис. 4. Специально разработанный поршень для быстрого рассеивания тепла при одновременном снижении подъема температуры постоянных магнитов и катушек [38].

Рис. 4. Специально разработанный поршень для быстрого рассеивания тепла при одновременном снижении подъема температуры постоянных магнитов и катушек [38].

В другом патенте для эффективной выработки электроэнергии охлаждение двигателя обеспечивалось посредством отверстий на поршне для сжатого воздуха, проходящего внутрь и наружу через соответствующие отверстия на цилиндре, а также имеющейся водяной рубашки охлаждения на цилиндре [42].

Йошихиро (Yoshihiro, [44])  и другие описали систему, где два отдельных поршня с блоками буферных камер работают в противоположных фазах (хотя и не с общими камерами сгорания или буферными камерами, так что это  не «чистый» оппозитный свободнопоршневой двигатель), как показано на рис. 5. В этой конфигурации синхронизации поршней реализованы через электрическое торможение и регулирование давления в буферной камере.

Рис. 5. Сдвоенная система с отдельными поршнями в конструкции «спина-к-спине».

Рис. 5. Сдвоенная система с отдельными поршнями в конструкции «спина-к-спине».

Хидемаса и др. (Hidemasa, [45]) описали метод управления свободнопоршневым двигателем для сохранения скорости поршня вблизи верхней мёртвой точки (ВМТ) в пределах соответствующего диапазона для обеспечения хорошего зажигания для высокого КПД. Было определено, что вблизи ВМТ во время такта сжатия скорость поршня меньше, чем во время такта расширения. Эта ассиметричная природа скорости поршня в свободнопоршневых двигателях с одной камерой сгорания хорошо известна и была описана  Ахтеном (Achten,  [3]), Микельсеном и др. [30], а также рассматривалась Сеппо Тикканеном и др.(Seppo Tikkanen,  [46]) и Блариганом и др.(Blarigan , [47]). Этот патент описывает стратегию управления для использования генератора, чтобы увеличения времени пребывания в ВМТ, для того чтобы улучшить воспламеняемость топливно-воздушной смеси.

Юичи и др. (Yuichi, [48]) показали способ запуска свободнопоршневого двигателя со сдвоенными поршнями с прямым впрыском и искровым зажиганием, используя энергию сгорания, чтобы избежать переразмеренного мотор-генератора. В этом способе топливо впрыскивается в цилиндр в момент, когда поршень находится в пределах пускового интервала с атмосферным давлением в цилиндре. Определено, что для описанного в патенте устройства, в котором применяются впускные отверстия, этот пусковой интервал составляет 1/3 максимального рабочего хода. Характерные кривые, показанные на рис. 6, отражают этот способ запуска, который основан на рабочем ходе величиной 86 мм и диаметре цилиндра 86 мм.

Рис. 6. Характерные кривые для общей работы свободнопоршневого двигателя, производимой при сгорании (J_a) и результирующей работы (J_b) при различных положениях поршня [48].

Рис. 6. Характерные кривые для общей работы свободнопоршневого двигателя, производимой при сгорании () и результирующей работы () при различных положениях поршня [48].

Теоретическая энергия от сгорания при различных положениях поршня в процессе пуска обозначена как Ja, , в то время как эта энергия используется для преодоления потерь на охлаждение (стрелка 1), несовершенство сгорания (стрелка 2), утечки через поршневые кольца (стрелка 3) и потери от трения (стрелка 4). Чистая полезная энергия используется для работы против сжатия в противоположном цилиндре, что обозначено Jb . Согласно рис. 6, Jb положительна только при положении поршня от 20 до 50 мм, таким образом, сжатие заряда в цилиндре возможно внутри этого интервала. За пределами этого интервала нет достаточной энергии для движения поршня.

В этом предлагаемом варианте линейный генератор работает как мотор для перемещения поршня в пусковом интервале во время запуска, но не как пусковое устройство. Этот метод будет уменьшать размер мотор-генератора, так как сила, требуемая во время пуска значительно больше.

Из всех патентов фирмы Toyota [38,42,44,45,48] были рассмотрены только однопоршневой и двухпоршневой типы. Оппозитная конструкция, описанная в [48],  это практически конфигурации с одним поршнем и с общей буферной камерой. В итоге патенты от Toyota имели дело с широким диапазоном  представленных проблем технологии свободнопоршневых двигателей.

2.3              Volvo

Volvo Technology Corporation принимала участие в финансируемом Европейской комиссией проекте технологии свободнопоршневого двигателя совместно с королевским технологическим институтом (KTH), ABB и университетом Чалмерса. Это сотрудничество дало в результате большое количество академических публикаций, выполненных организациями этого проекта. Примечательны отчёты Аршада (Arshad ,  [49]), Хансона (Hansson, [50]), Фредриксона и Денбратта (Fredriksson, Denbratt [51]), Бергмана (Bergman,  [52]), а также заявки на патенты от Volvo Technology Corporation [53] и ABB [54].

В одном патенте Линдгёрде [53] описается метод управления генератором со свободнопоршневым двигателем с двоенными поршнями посредством электромагнитной силы, действующей на подвижную массу. Конструкция свободнопоршневого двигателя показана на рис. 7. Она является конфигурацией со сдвоенными поршнями, которая согласно патенту чувствительна к возмущениям. Данная причина состоит в том, что характеристики сгорания в двух цилиндрах находятся в жесткой взаимосвязи, поэтому любое отклонение давления в одном цилиндре будет влиять на параметры в  другом цилиндре.

Рис. 7. Тип свободнопоршневого генератора со сдвоенными поршнями [53].

Рис. 7. Тип свободнопоршневого генератора со сдвоенными поршнями [53].

Этот тип СПД со сдвоенными поршнями изучался  значительным количеством исследовательских групп, например, исследовательские группы университета Западной Вирджинии (West Virginia University [55,56]), национальной лабораторий Сандиа (Sandia National Laboratories  [47,57]), Чешского технического университета [58,59], университета технологий Петронас [22,23], Шанхайского университета Джао Тонг [60] и Пекинского технологического института [13,14]. Эта конфигурация достаточно привлекальна, благодаря её потенциально высокому соотношению мощность-масса, наличию простого устройства с минимальным количеством компонентов вследствие использования оппозитной камеры сгорания как буферного устройства.

Из-за потенциальных проблем, которые могут возникнуть при соединении цилиндров,  в этом патенте предполагается стратегия  разделения силового управления [53]. Предлагаемый алгоритм управления включает в себя прогнозирование необходимой электромагнитной силы, чтобы удовлетворять заданному режиму движения поршня, основанному на отслеживании кинетической энергии (или скорости) на протяжении рабочего хода. Полностью алгоритм управления может быть разъяснен согласно иллюстрации, показанной на рис. 8.

Рис. 8. Смоделированные кривые для управления скоростью сервоконтроллером движения [53]

Рис. 8. Смоделированные кривые для управления скоростью сервоконтроллером движения [53]

Во время движения от отрицательного смещения к положительному значению в положении  x0 измерялись кинетическая энергия (или скорость) и давление в цилиндре. Согласно требуемому графику движения, целевая кинетическая энергия Ek-ref в положении, близком  к концу рабочего хода, x3 ,будет главным  опорным значением для  контроллера. Контроллер будет прогнозировать требуемую электромагнитную силу, удовлетворяющую предварительно установленной Ek-ref, соответственно регулируя, таким образом, электрический ток линейного мотора. Эти шаги повторяются при x1 и  x2, и затем цикл перезапускается для движения от положительного до отрицательного смещения.

Известные исследования также показывают то, что способы прогнозирования, такой как вышеупомянутый,  могут достаточно значительно улучшить стабильность работы свободнопоршневых двигателей [30]. Как было отмечено множеством авторов, существенно, чтобы поршень мог управляться во время сгорания для удовлетворения требуемой траектории для устойчивой работы. Электрическая природа конфигурации свободнопоршневого генератора дает возможность точного позиционирования поршня, используя электрический двигатель, так что  управление поршнем может смягчить проблемы  пропусков зажигания и отклонений сгорания. Однако, правильные размеры двигателя одинаково важны, так как давление при сгорании может сделать алгоритм управления бесполезным, если сила, получаемая от сгорания, превосходит возможности торможения от электрического двигателя, как это наблюдалось Немечеком и Высоким (Němeček , Vysoký [36]), определившими в своих экспериментах, что тормозящее усилие от электродвигателя недостаточно для поглощения энергии сгорания.

Патент EP 1540155B1 [61] описывает методы пуска и работы свободнопоршневого преобразователя энергии с меньшим накопителем энергии. Блок-схема системы показана на рис. 9. Утверждается, что возвратно-поступательное движение поршня в течение пуска не требуется, так как конденсатор может обеспечить достаточное количество энергии для запуска с одного хода поршня, даже в условиях  низкой температуры.

Рис. 9. Схема основных компонентов и путь энергии для свободнопоршневого преобразователя энергии

Рис. 9. Схема основных компонентов и путь энергии для свободнопоршневого преобразователя энергии.

Продолжение статьи  Новейшие коммерческие разработки свободнопоршневых двигателей для применения в автомобилях(часть3)

Новейшие коммерческие разработки свободнопоршневых двигателей для применения в автомобилях(часть1)

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:

 mohdrazali@ump.edu.my

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]

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])

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 I 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]

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)

Регистрация
Архивы