Главная > Статьи

Статьи

Геометрия свободнопоршневых двигателей (часть1)

Перевод Илья Духанин, октябрь 2016 год

SANDIA REPORT SAND2015-2095

Unlimited Release

Printed March 2015

Experimental Evaluation of the Free

Piston Engine – Linear Alternator (FPLA)

Terry A. Johnson and Michael T. Leick

  1. 1.      Основные положения

В этом научном отчете описывается экспериментальная оценка прототипа системы свободнопоршневого двигателя с линейным генератором (СПДЛГ) разработанного в Национальной лаборатории Сандиа. Для  исследования ее потенциальных возможностей  при использовании в гибридных электрических транспортных средствах была разработана конструкция с оппозитными поршнями, показанная на рис.1. Спаренные с двойными концевыми частями поршни приводились в движение от центральной камеры сгорания, а с других концов имелись буферные камеры в качестве устройств накопления энергии для создания работы сжатия на последующем цикле. Конструкция с противоположно движущимися поршнями исключает проблему баланса импульсов и вибрации,  которая возникает при использовании на транспорте конструкции с одним поршнем. Система механически простая с двухтактной прямоточной продувкой для газообмена и установленной по времени впрыском топлива, то есть не имеет сложного клапанного механизма. Электрическая энергия извлекается из движения поршня линейным генератором, который также создает способ пассивной синхронизации посредством электромагнитного сопряжения. При использовании в гибридных электрических транспортных средствах эта электрическая энергия могла бы применяться для заряда батарей.

Рис. 1. Фото прототипа СПЛГ

Рис. 1. Фото прототипа СПЛГ

СПДЛГ был спроектирован как устройство с высоким КПД и низким уровнем вредных выбросов. Высокий КПД достигается комбинации высокой степени сжатия (~30) и низким отношением количества топлива и воздуха (~0,35) с воспламенением от сжатия гомогенного заряда (HCCI) газообразного топлива. Низкий уровень вредных выбросов достигается использованием бедных водородно-воздушных смесей. Основываясь на идеальном цикле Отто, активные степени сжатия, достаточно большие по сравнению со степенями сжатия традиционных двигателей, допускают больший тепловой КПД.  Достижение этих высоких степеней сжатия легче в двигателе со свободным поршнем по сравнению с двигателями с шатунно-коленчатым механизмом. СПДЛГ также позволяет переменную степень сжатия, которая невозможна при механической связи. Низкий коэффициент избытка топлива (величина, обратная   коэффициенту избытка воздуха) топливных смесей улучшает тепловой КПД посредством лучшей величины удельной теплоты, чем богатые смеси. Дополнительно бедные топливные смеси минимизируют выбросы окислов азота (NOx), однако затруднительны для искрового воспламенения. При использовании водорода  выбросы углеводородов и СО исключены. Таким образом, целью этого проекта было продемонстрировать  работу свободнопоршневого двигателя при высоких степенях сжатия в режиме сгорания HCCI бедных водородных смесей.

На рис.2 показан один из двух поршней, состоящий из трех частей. Поршень имеет следующие параметры: длина 29,4 дюйма (746,8 мм),  масса примерно 4,9 кг, диаметр поршня камеры сгорания 3,189 дюйма (81 мм) (слева), диаметр поршня буферной камеры 2,892 дюйма (73,46 мм) (справа). Часть со стороны камеры сгорания включает два бронзовых пропитанных тефлоном компрессионных кольца,  с другой стороны установлено только одно кольцо. Две поршневые части изготовлены из анодированного алюминиевого сплава 7075-Т6, магнитопровод магнитной сборки (в середине) для усиления магнитной цепи изготовлен из стали 1018. Комплект постоянных магнитов, являющихся подвижной частью генератора, состоит из двух постоянных магнитов шириной 10 мм и четырех постоянных магнитов шириной 20 мм. Постоянные магниты изготовлены из материала неодим-железо-бор Daido ND-39R  и имеют радиальную намагниченность. Магниты имеют наружный диаметр 81 мм и внутренний диаметр 73 мм, установлены с чередующейся противоположной полярностью и образуют пять тороидальных магнитных полей. Следовательно, когда подвижная часть генератора движется, в пяти катушках генератора одновременно индуцируются напряжения.

Рис.2. Фотография поршня в сборе

Рис.2. Фотография поршня в сборе

Рис.3. Схема линейного генератора MagnequenchРис.3. Схема линейного генератора Magnequench

С каждой стороны камеры сгорания установлены линейные генераторы Magnequench. Схема одного из генераторов показана на рис. 3. Максимальный ход подвижной части составляет 200 мм, воздушный зазор между подвижной частью и статором равен 1 мм. Конструкция статора включает 14 сборок из катушек и связанных стальных сердечников, шаг полюсов составляет 22 мм. Каждая катушка содержит 14 витков проволоки прямоугольного сечения 4,064 × 0,762 мм. Сопротивление и индуктивность катушки примерно соответственно равны 0,0245  Ом и 165 мкГн. Зеркально изображенные пары катушек статора генератора, одна из которых с правой стороны и другая с левой стороны, соединены параллельно, а генерируемое электричество рассеивается непосредственно через комплект из 14 охлаждаемых водой нагрузочных резистора. Параллельное соединение зеркально отображенных катушек обеспечивает условия синхронизации поршней с левой и правой сторон посредством электромагнитных сил.  Когда один подвижный элемент опережает другой, индуктивное сопряжение их цепей дает большую электромеханическую нагрузку на опережающий  подвижный элемент по сравнению с отстающим подвижным элементом. Следовательно, подвижные элементы связаны друг с другом в относительном положении.

Рис.4. Фотография подачи газа к одной из буферных камер

Рис.4. Фотография подачи газа к одной из буферных камер

Для запуска движения поршней и привода поршней без сгорания была спроектирована пневматическая система для подачи сжатого газа в буферные камеры при достижении поршней НМТ и выпуска газа при управляемом давлении вблизи ВМТ. Для достижения достаточной кинетической энергии поршней на первом цикле  цилиндры буферных камер должны быстро наполняться давлением, поэтому в качестве рабочей среды был выбран гелий. Гелиевая система запуска состоит из маленькой емкости высокого давления, установленной перед соленоидным клапаном, присоединенным к каждой буферной камере. При таком способе возможна управляемая и повторяемая подача энергии, требующая только, чтобы два соленоидных клапана открывались одновременно. Эта система была использована отдельно во время начальных испытаний, затем позже дополнена сгоранием для улучшенной повторяемости. Следует отметить, что гелий используется только для системы пуска. После чего механически приводимые в действие клапана впускают сжатый азот в буферные камеры через головки на каждом конце. На рис.4 показано питание азотом головки буферной камеры и гелиевая система пуска.

Схема пневматической системы привода показана на рис.5. Когда поршень находится вблизи НМТ, клапан впуска воздуха приводится в действие посредством 12 штырей, ввинченных в верхнюю часть поршня. В клапане используется кольцевая клапанная пластина, которая   уплотняется тонкими кольцами напротив сопрягаемого носка на внутреннем диаметре и наружной головки наружного диаметра. Когда имеется минимальная разность давления  через клапан, для закрывания клапана используется набор 16 пружин сжатия, хотя разность давления создает основную силу прижатия к седлу. Кольцевой объем позади клапанной пластины питается от системы подачи азота при давлении выше 1200 psi (8,27 МПа). Импульс поршня создает силу для открытия клапана. Сжатый азот затем входит в буферную камеру, в то время как поршень замедляется у НМТ и затем ускоряется в противоположном направлении, опять закрывая клапан. Термодинамическая (P-V) работа газа приводит поршень назад к ВМТ, чтобы достичь требуемой степени сжатия. Как только поршень достигает ВМТ, отверстия выпуска буферной камеры открываются, и газ выпускается в атмосферу через выпускной коллектор посредством управляемого компьютером двухстворчатого клапана, чтобы установить давление выпуска. При таком способе степень сжатия камеры сгорания устанавливается посредством давления впускаемого воздуха в буферных камерах. Аналогично увеличение хода поршня в буферных камерах регулируется посредством управления давлением выпуска.

Рис.5. Разрез цилиндра буферной камеры, показывающий систему пневматического привода

Рис.5. Разрез цилиндра буферной камеры, показывающий систему пневматического привода

Система сгорания содержит подсистемы подачи топлива и воздуха, впускной и выпускной коллекторы и охлаждаемый водой цилиндр камеры сгорания. Диаметр камеры сгорания равен 3,195 дюймам (81,15 мм) с расстоянием открывания-закрывания выпускных отверстий 7,482 дюйма (190 мм) от центральной плоскости, имея рабочий объем 1,9 л при предположении идеальной синхронизации поршней. Впускные отверстия открываются позже на 7,875 дюйма (200 мм) от центральной плоскости, давая время остаточному давлению в цилиндре осуществить продувку сгоревших газов. Цилиндр был изготовлен из стали AISI 4340 закаленной до твердости 38-40 по Роквеллу. Дополнительно к отверстиям для потока газа цилиндр имеет четыре инструментальных отверстия, размещенных через 90 градусов  по окружности камеры в средней части. Два из этих отверстия используются для датчиков давления, два других не используются. Наконец, камера имеет четыре смазочных отверстия по три на каждой стороне средней части.

Водород подается системой подачи топлива через регулятор, который понижает давление до 50 psig (345 кПа) перед расходомером водорода, который откалиброван с точностью 1 % от полной шкалы. После расходомера водорода линия подачи водорода присоединяется к буферному объему для компенсации какого-либо колебания давления, вследствие открытия или закрытия топливных форсунок. Для заполнения коллектора топливной форсунки применяется управляемый соленоидный клапан, присоединяемый к системе безопасности СПДЛГ. К коллектору присоединен манометр для контроля давления перед коммерчески топливными форсунками с пятью имеющимися отверстиями для газа, используемыми для получения требуемого расхода топлива. Водородные топливные форсунки приводятся в действие один раз за цикл от управляющего импульса, связанного с положением поршня. Для управления количества водорода, впрыскиваемого за цикл, применялась комбинация ширины импульса и количества топливных форсунок. Водород впрыскивался во впускной коллектор, который окружает впускные отверстия камеры сгорания. Воздушный поток в этом коллекторе создавался двухступенчатым регенеративным нагнетателем на уровне между 125 и 150 фут3/мин (3,54 и 4,25 м3/мин)     в зависимости от рабочей частоты  СПДЛГ.

Геометрия свободнопоршневых двигателей (часть2)

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)

Регистрация
Архивы