Главная > Геометрия свободнопоршневых двигателей > Геометрия свободнопоршневых двигателей (часть1)

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)

Регистрация
Архивы