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

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)

Регистрация
Архивы