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.