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

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