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

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