Главная > О проекте > Область применения

Область применения

Генератор возвратно-поступательного движения или линейный электрогенератор со свободным поршнем  (далее – линейный генератор) является относительно новым видом устройств, вырабатывающих электроэнергию, и представляет интерес как перспективная концепция энергоустановки для гибридного транспорта, а также для  передвижных и стационарных электрических энергоуcтановок. Появление линейного генератора объясняется поиском оптимального промежуточного звена между классическими ДВС и «чистой» электротягой. В настоящее время эту нишу интенсивно занимает гибридный электротранспорт. Использование в гибридных схемах малоразмерного ДВС, механической трансмиссии, отдельного генератора, несмотря на оптимизацию параметров системы является громоздким, дорогим  и трудно оптимизируемым решением преобразования тепловой энергии сгорания топлива в электрическую энергию. Вместо этого предлагается использование на борту транспортного средства интегрированной силовой установки, состоящей из двигателя внутреннего сгорания со свободным поршнем и линейного электрического генератора.

Рассматривать линейный генератор в качестве альтернативного решения для бортовых источников энергии транспортных средств  стало возможным благодаря ряду важных технических событий, произошедших за последние 15-20 лет:

- ускоренное развитие силовой электроники на основе мощных IGBT транзисторов;

- разработаны углубленные математические модели электродвигателей, в частности, линейных мотор-генераторов на основе редкоземельных постоянных магнитов;

- появилась схемотехническая, элементная и программная база для управления и оптимизации быстропротекающих процессов в режиме реального времени, характерных для двигателей внутреннего сгорания;

- проведены газодинамические исследования в области оптимизации сгорания топлива в ДВС (режим сгорания гомогенной топливного заряда с зажиганием от сжатия, HCCI- Homogeneous charge compression ignition).

С другой стороны, в сфере транспортной энергетической политики укрепилась устойчивая тенденция к ужесточению экологических требований к энергетическим устройствам. Все это заставляет по-новому взглянуть на линейный генератор как на перспективную энергетическую установку 21 века.

Линейный генератор является интегрированной конструкцией двух- или четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с линейным электрическим генератором. Одна из возможных схем приведена на рис.1.

Рис. 1 Линейный электрогенератор со свободным поршнем  (ЛЭСП).

Преимущества этого принципа преобразования энергии:

Двухцилиндровый двигатель  оппозитной схемы имеет поршневую группу, состоящую из двух поршней, соединенных жестким штоком. Циклически повторяющееся давление газов в процессе сгорания топлива сообщает поршневой группе возвратно-поступательное движение. В плоскости симметрии штока, между поршнями на штоке закреплена подвижная магнитная система. Подвижная магнитная система размещается  внутри  конструкции статора с системой обмоток. При возвратно-поступательном движении штока с закрепленным на нем магнитной системой внутри статора и взаимодействия их магнитных полей происходит возникновение электродвижущей силы в обмотках статора. В сущности это и есть принцип действия генератора со свободным поршнем, производящим электроэнергию непосредственно из линейного движения поршня без промежуточных механических звеньев.

Кроме того, электрическая машина, работая в режиме двигателя, обеспечивает старт двигателя внутреннего сгорания. Электронная система управления должна осуществлять контроль движения поршней для обеспечения оптимального термодинамического цикла, а также позиционирование поршней, предотвращая их соударение  с головками цилиндров.

- уменьшение числа движущихся деталей за счет исключения коленчатого вала и шатунов, которые входят в конструкцию ДВС;

- повышение жесткости и механической надежности конструкции двигателя;

- повышение ресурса и механического КПД двигателя вследствие  отсутствия шатунов, что приводит к исключению боковых сил, действующих на зеркало цилиндра и уменьшению трения в цилиндропоршневой группе;

- возможность динамического изменения степени сжатия в процессе работы не механическими способами, а установкой параметров системы управления;

- возможность работы с различными видами топлива;

- реализация различных режимов сгорания топлива: электроискровое зажигание смеси, организация дизельного цикла, режим сгорания HCCI.

- исключение стартера для запуска ДВС, так как вследствие обратимого действия генератора, система обладает свойством самозапуска;

- снижение объема аккумуляторных батарей;

- снижение расходов на производство.

Становится возможной применение модульной конструкции двигательной установки в виде нескольких распределенных блоков, что  приводит к новым принципам компоновки транспортных средств, а также повышает надежность для использования в военных и других критических областях применения транспортной техники.

Вместе с тем необходимо обратить внимание и на проблемы, связанные с этой концепцией:

- термоизоляция между камерой сгорания и генераторной частью;

- высокая величина циклически повторяющихся сил, действующих на шток и индуктор;

-высокая стоимость материала постоянных магнитов, изменение их рабочих характеристик при влиянии тепловых потоков и знакопеременных нагрузок;

- необходимость создания специального программного обеспечения для управления работой генератора и двигателя;

- недостаточные удельные характеристики созданных прототипов.

Эти проблемы, как можно надеяться, будут решены в ближайшем будущем по мере разработки этой технологии.

Посмотрите материалы на странице Обзор исследований по теме.

Вернуться на Главную страницу.

Регистрация
Архивы