Линейный двигатель внутреннего сгорания: Линейные двигатели внутреннего сгорания — в роли портативных источников энергии и не только / Хабр

Новый линейный генератор позволит существенно увеличить дальность движения гибридных автомобилей

25.11.2014 /
25.04.2018

  •  

3353 /
356

С технической точки зрения двигатели внутреннего сгорания в любом гибридном автомобиле являются узлами, экстендерами, позволяющими увеличить дальность поездки этого автомобиля. Этот термин относиться к двигателям, которые только вращают электрогенератор, отдающий вырабатываемую энергию электродвигателям автомобиля и заряжающий аккумуляторные батареи. В подавляющем большинстве случаев двигатели-экстендеры представляют собой малогабаритные классические двигатели внутреннего сгорания, обладающие всеми узлами и недостатками таких двигателей. Но исследователи из Немецкого космического центра (DLR) разработали новый тип экстендера, которые построен на базе линейного бесклапанного двигателя внутреннего сгорания и который может работать практически на любом виде топлива.

Линейный генератор со свободными поршнями состоит из камеры сгорания, двух поршней, линейных электрогенераторов и возвратных газовых пружин. Двигатель экстендера работает почти также, как работают обычные двигатели, за счет воспламенения топливно-воздушной смеси в камере сгорания, за счет чего производится движение поршней. Однако, вместо того, чтобы за счет коленчатого вала осуществлять преобразование линейного перемещения поршня во вращательное движение вала, устройство преобразует кинетическую энергию движения поршней непосредственно в электрическую энергию.

Взрыв топливно-воздушной смеси в камере сгорания толкает оба поршня в стороны от центра камеры, сжимая газовые пружины, которые замедляют движение и толкают их обратно. Двигатель экстендера работает с частотой 40-50 Гц и вырабатывает до 35 кВт электрической энергии.

«Принципы построения линейных двигателей внутреннего сгорания известны инженерам уже достаточно давно» — рассказывает Ульрих Вагнер (Ulrich Wagner), директор Отдела энергетики и транспорта агентства DLR, — «Но за счет использования газовых пружин оригинальной конструкции наши инженеры добились потрясающей стабильности работы такого двигателя. А за счет использования мощного электронного блока динамического управления нам удается с высокой точностью регулировать работу всех компонентов двигателя, заставляя их взаимодействовать как единое целое».

Система электронного управления, созданная инженерами DLR, управляет движение поршней линейного двигателя с точность одной десятой доли миллиметра, определяя колебания давления в ходе процесса сгорания топлива и делая компенсацию этих колебаний. Такой механизм также позволяет гибко регулировать степень сжатия, скорость движения поршней и рабочий объем камеры сгорания. Такие возможности позволяют использовать в качестве топлива бензин, дизельное топливо, природный газ, биотопливо, этанол и водород.

Система управления линейного генератора со свободными поршнями позволяет устройству самостоятельно выбирать тот режим работы, который является максимально эффективным при данной скорости движения автомобиля и испытуемой им нагрузке, что позволяет сократить до минимума количество выбросов вредных веществ в окружающую среду. Отсутствие коленчатого вала, распределительного вала и других обязательных атрибутов обычных двигателей внутреннего сгорания позволяют изготовить такие генераторы с меньшим количеством затрат, а значит, и по более низкой стоимости.

Небольшие размеры нового генератор позволяют без особого труда установить его на любой из серийно выпускаемых сейчас гибридных автомобилей для того, чтобы расширить дополнительную дальность его поездки минимум на 600 километров, не увеличивая, при этом, веса автомобиля.

Первый опытный образец нового линейного генератора был недавно продемонстрирован на испытательном стенде института DLR Institute of Vehicle Concepts в Штутгарте. А сейчас, специалисты DLR совместно с компанией Universal Motor Corporation GmbH работают над созданием первых промышленных образцов, испытания которых будут проводиться на гибридных автомобилях различных марок.

04:3520.02.2013

free-piston linear generator (Freikolbenlineargenerator — FKLG) from DLR

Free piston engines

Поговорка «Новое — это хорошо забытое старое» как нельзя лучше применима к такой тепловой машине, как свободнопоршневой двигатель. Терминология здесь ещё до конца не устоялась, поэтому подобные силовые агрегаты называют по-разному: СПД (свободнопоршневой двигатель), СПГГ (свободнопоршневой генератор газа), СПК (свободнопоршневой компрессор). Встречаются и другие названия.

СПД появился на свет в 1927 г. как
двигатель внутреннего сгорания (ДВС) четвёртого вида, вставший в ряд с уже известными
бензиновым ДВС Николауса Отто, дизельным ДВС Рудольфа Дизеля и роторным двигателем
Феликса Ванкеля. В 1925 г. инженер и изобретатель аргентинского происхождения маркиз
Руль Патерас Пескара запатентовал «автокомпрессор Пескары». Огромный вклад в
дальнейшее развитие идеи СПД внёс Роберт Хубер, швейцарский инженер, ученик
основоположника теории паровых и газовых турбин Ауреля Стодолы. Хубер, которого
прозвали «мистер Свободный поршень», был техническим директором Технического
бюро Пескары, основанного маркизом в Париже в начале 1920-х. В 1927 г.
заработал первый экспериментальный СПД AC-2, построенный Хубером в пригороде
Парижа.

Наиболее активно теоретические,
практические и экспериментальные работы по СПД велись в период с конца 1930-х до
начала 1960-х годов. В них отметились своими
успехами Франция, Германия, Англия, Советский Союз. Создавались энергетические
установки для тепловозов, кораблей, тяжёлых грузовиков, электростанций, предлагались
даже проекты для самолётов и вертолётов. Но при
общем техническом уровне того времени конструкторы не смогли решить ряд
выявившихся на практике проблем, и работы по СПД были практически свёрнуты.
Сегодня благодаря развитию управляющей электроники шансы на создание эффективных
и технически совершенных конструкций СПД резко возросли, а потому возродился интерес
к возможностям силовых установок этого типа.

Без
лишних шатаний

Свободнопоршневой двигатель внутреннего
сгорания — это ДВС, в котором отсутствует кривошипно-шатунный механизм, а ход
поршня от одной мёртвой точки до другой регулируется давлением пружины, воздуха,
сжимаемого в буферных ёмкостях, или веса поршня. Указанная особенность СПД позволяет
строить только двухтактные двигатели. Они могут использоваться для привода
машин, совершающих возвратно-поступательное движение (дизель-молоты,
дизель-прессы, электрические генераторы с качающимся якорем), работать в
качестве компрессоров или генераторов горячего газа.

Преимущественное распространение
получила схема СПД с двумя противоположно движущимися поршнями в одном
цилиндре. Поршни кинематически связаны друг с другом через синхронизирующий
механизм (рычажный или реечный с паразитной шестернёй). В отличие от кривошипно-шатунного
механизма, синхронизирующий воспринимает только разность сил, действующих на
противоположные поршни, которая при нормальной работе СПД
сравнительно мала. Один поршень двигателя управляет открытием впускных окон,
другой — выпускных. Имеются также поршни буферных ёмкостей, которые жёстко
связаны с соответствующими поршнями двигателя.

К достоинствам СПД относятся
сравнительная простота их конструкции, хорошая уравновешенность, долговечность,
компактность. Недостатки — сложность пуска и регулирования, неустойчивость
работы при частичных нагрузках (с развитием микропроцессорных систем управления
последний недостаток устраняется).

В
генерацию

В турбокомпрессорных газотурбинных
установках (ГТУ) продукты сгорания настолько горячи, что перед подачей в
проточную часть турбины их приходится охлаждать путём нагнетания избыточного
воздуха. На привод воздушного компрессора затрачивается значительная доля
мощности газовой турбины. В газотурбинных установках с поршневыми генераторами
газа (рис. 1) топливо сжигается в отдельном цилиндре с последующим охлаждением
продуктов сгорания. При их частичном расширении газ совершает работу,
используемую для привода поршневого компрессора. В качестве генератора газа для
ГТУ обычно используют двигатель с противоположно движущимися поршнями в
горизонтальном исполнении.

Во время рабочего хода поршни 1
расходятся от первой мёртвой точки к второй, а при обратном ходе — сближаются.
Когда поршни находятся вблизи первой мёртвой точки, в цилиндр 3 через топливные
форсунки 4 подаётся топливо, которое сгорает, и образовавшиеся продукты
сгорания создают давление на поршни 1. При их рабочем ходе поршни 6 воздушных
компрессоров сжимают воздух в буферных цилиндрах 10. Через нагнетательные
клапаны 11 сжатый воздух поступает во внешний цилиндр 12. В конце рабочего хода
открываются выпускные окна 5 и затем продувочные окна 2, осуществляются выпуск газов и продувка
цилиндра 3. Отработавшие в двигателе газы, смешиваясь с продувочным воздухом,
охлаждаются и через ресивер Б направляются к газовой турбине А. Потенциальная
энергия воздуха, сжатого в буферных цилиндрах, обеспечивает обратный ход
поршней 1. При этом в буферные цилиндры через клапаны 9 всасывается атмосферный
воздух, а в цилиндре 3 двигателя происходит сжатие свежего топливного заряда до
параметров, обеспечивающих его самовоспламенение. После этого цикл повторяется.
Для синхронизации работы поршней служат зубчатое колесо 8 и рейка 7.

На
транспорт

Интересно, что устройство, за которым
специалисты когда-то видели будущее авиации, нашло применение не на самолётах и
вертолётах, а на малых электростанциях, кораблях, локомотивах, тракторах и тяжёлых
грузовиках, то есть там, где главное не столько вес, сколько экономичность. А в
этом мало какой двигатель может поспорить с СПГГ, работающим в паре с газовой
турбиной, ибо КПД такой комбинации может достигать 40%, тогда как у малой
паротурбинной установки он составляет 20-25%, у ГТУ — 25-36%, бензинового ДВС -
28-30%, лучших дизелей — 32-35%.

Сейчас ситуация меняется. До самолётов
и вертолётов СПД пока не добрались, а до гибридных автомобилей — почти.
Инженеры компании Toyota работают над конфигурацией СПД, оптимального для применения
в составе гибридной силовой установки в качестве электрогенератора. Toyota
назвала свою разработку FPEG — Free Piston Engine Linear Generator (линейный
генератор на СПД).

Это компактное устройство
предназначено исключительно для выработки электроэнергии, подзаряжающей
аккумуляторы. На данном этапе опытный образец FPEG выдаёт
мощность 10 кВт (14 л. с.). Пары таких моторов достаточно, чтобы обеспечить постоянное
движение электромобиля класса Toyota
Yaris со скоростью 120 км/ч.

FPEG состоит из камеры сгорания, линейного
генератора и пневмокамеры (см. рис. 2). При движении поршня прикреплённые к
нему магниты перемещаются внутри линейной катушки, преобразуя кинетическую
энергию поршня в электрическую. Это и есть линейный электрогенератор. Инженеры Toyota отмечают привлекательность СПД в
нескольких отношениях: высокий КПД, малые потери на трение и небольшие вибрации.
В компании изначально рассматривали две основных конструкции СПД: с двумя противоположными
камерами сгорания и с одной камерой сгорания и одной пневмокамерой. Во втором
случае поршень возвращается в исходную точку за счёт давления газа, сжатого в пневмокамере
во время рабочего хода. Именно такая конфигурация была выбрана для дальнейшего
изучения путём численного моделирования и экспериментов.

В
космос

Компания Sunpower Inc. создала для разработчиков
энергетических систем вариант промышленного свободнопоршневого двигателя
Стирлинга мощностью 1 кВт, работающего на пропане или природном газе. Основа генератора
Sunpower — СПД Стирлинга (Free Piston Stirling Engine, FPSE), который преобразует
тепло в электричество в герметически закрытом сосуде с помощью
термодинамического цикла Стирлинга. Sunpower использует запатентованную
технологию газовых подшипников, которая предотвращает механический контакт деталей
во время работы, устраняя износ и необходимость смазки, что позволяет обеспечить
производство электроэнергии с высоким КПД на протяжении 20 лет без технического
обслуживания установки. НАСА финансировало разработку и производство FPSE SunPower
в расчёте на потенциальное применение системы для преобразования энергии в
дальних космических полётах.

По данным компании, подобный генератор
сможет работать от любого источника теплоты и будет способен подстраивать свою мощность
в зависимости от потребности в электроэнергии. Электрический КПД у него должен
быть больше, чем у термоэлектрических преобразователей.

Источник: Энерговектор

бесплатных поршневых линейных генераторов | Что они собой представляют и почему меня это должно волновать?

Свободнопоршневые линейные генераторы

могут быть «недостающим звеном», которое наши предки проследят до перехода от ископаемого топлива к чистой энергии, но что это такое?

Они похожи на двигатели внутреннего сгорания

Если вы читаете это, вы, вероятно, в какой-то степени знакомы с двигателями внутреннего сгорания. Воздух и топливо смешиваются внутри металлического цилиндра, где они сжимаются, прежде чем сдержанный взрыв выталкивает поршень наружу. Все это движение генерирует механическую энергию. Двигатели внутреннего сгорания обычно состоят из 2-8 цилиндров, соединенных с общим вращающимся коленчатым валом. Мы опускаем большую часть сложных клапанов, систем зажигания, смазки, управления и т. д. ради простоты.

Сжатое топливо/воздух ⇒ БУМ! ⇒ Вращающийся вал.

Они похожи на электрические двигатели

Вы также, вероятно, немного знакомы с электрическими двигателями и генераторами.

Электрический заряд заставит двигатель вращаться. Точно так же вы можете производить электричество, вращая вал двигателя. Это называется генератор.

Существует электромагнитная связь между токопроводящими медными проводами и постоянными магнитами. Они расположены по кругу, так что поля притяжения и отталкивания преобразуются во вращательное движение. А , мы позволяем себе вольность и пропускаем здесь много сложностей.

Линейные генераторы со свободным поршнем (FPLG) объединяют двигатели внутреннего сгорания и электрические генераторы в единую колебательную линию, чтобы перейти непосредственно от движущегося поршня к выработке электроэнергии.

Это избавляет от многих сложностей, характерных для двигателей внутреннего сгорания. Он устраняет многие потери от тепла и трения в соединенных между собой деталях. Это похоже на подключение генератора постоянного тока напрямую к выходу небольшого 2-тактного двигателя газонокосилки, но все же меньше движущихся частей.

Что именно 

ЯВЛЯЕТСЯ Свободнопоршневыми линейными генераторами?

Вот основной раздел FPLG.

В правой части рисунка поршень колеблется внутри цилиндра, заменяя выхлопные газы на свежий воздух. Он сжимает воздух топливной смесью при движении вправо. Затем, наконец, воспламеняется смесь для взрыва, который заставляет поршень вернуться влево.

В крайнем левом углу схемы какой-то пружинный механизм. Он замедляет поршень, прежде чем толкнуть его обратно вправо. Поскольку механические металлические пружины могут изнашиваться, FPLG обычно делают это просто и используют захваченный объем воздуха в качестве подушки или пневматической пружины — по сути, работает то же самое.

Между поршнем и воздушной подушкой расположен набор высокопрочных магнитов.

Медная проволока намотана вокруг этой центральной секции сразу за магнитами. Когда магниты движутся через катушки, в проводе индуцируется электрический ток. Это происходит в обоих направлениях, хотя ток течет в обратном направлении. Переменный ток электричества (AC) генерируется, когда блок работает.

Как устроены свободнопоршневые линейные генераторы?

Показанная выше простая установка работает, но вызывает сильную вибрацию. Большая масса поршня и магнитов постоянно перемещается из стороны в сторону. Может быть, вибрация — слишком тонкое слово. Это не что-то маленькое вроде того, как ваш телефон гудит в кармане — это больше похоже на iPhone Годзиллы!

Громадная вибрация устраняется путем установки двух таких систем спиной к спине. Они могут быть расположены как два отдельных узла, установленных встык, или объединены в один цилиндр. Комбинированные установки могут иметь либо общую воздушную подушку, либо зону горения посередине.

Чем полезны свободнопоршневые линейные генераторы?

Что делает эту концепцию генератора настолько интересной сегодня, так это ее способность быть эффективными по размеру и весу и увеличивать запас хода для электромобилей. Инфраструктура зарядки электромобилей еще не полностью создана, а технология аккумуляторных батарей еще не достигла точки, при которой возможна мгновенная зарядка. В нынешнюю переходную эпоху все еще существует потребность в гибридах. Не в смысле полной гибридной трансмиссии, как разрабатывались ранние автомобили, а в смысле способа перезарядки аккумуляторов от топлива на ходу. По мере того, как мы продвигаемся к полностью электрическим транспортным средствам, у FPLG есть большой потенциал. Они механически просты и очень эффективны. Их также можно упаковать куда-нибудь в шасси, так как они очень компактны. FPLG предназначены не только для того, чтобы работать под капотом.

Они также легче адаптируются к различным видам топлива.

бензин • дизель • биодизель • природный газ • метан • этанол • водород

Поскольку степень сжатия и фазы газораспределения управляются независимо электронным способом, компьютер может мгновенно адаптироваться к различным видам топлива. Объем рабочего объема может варьироваться, поскольку коленчатый вал не устанавливает фиксированную верхнюю мертвую точку или длину хода. Впускные и выпускные клапаны управляются соленоидами, а не цепью ГРМ и распределительным валом. Коэффициенты сгорания могут быть изменены на лету для широкого диапазона видов топлива, температур и условий нагрузки.

Где я могу его получить?

Конструкции для FPLG находятся на пороге коммерческого использования. Работа по развитию ускорилась за последнее десятилетие или около того. Исследовательские институты и лидеры отрасли, такие как Aquarius Engines (Израиль, недавно приобретенный Hyundai), Mainspring Energy (США) и Toyota R&D Labs (Япония), кажется, лидируют в разработке и регулярно выходят с интересными достижениями.

Текущие усилия по разработке, по-видимому, связаны с регулированием фаз газораспределения и увеличением степени сжатия, а также с устранением вибрации и потребности в смазке. Некоторые предлагаемые коммерческие блоки предлагают электрическую мощность 24 кВт и занимают всего 8 x 8 x 20 дюймов. Это что-то вроде размера двух тостеров, вырабатывающих достаточно электроэнергии для 1-2 домов!

Следите за тем, чтобы эти функции «увеличения запаса хода» появились в новых электромобилях в ближайшие годы.

Скорее всего, они используют бесплатные поршневые линейные генераторы, и вы можете быть тем, кто объяснит их торговым представителям на автомобильной стоянке.

CDN Inc. — компания, занимающаяся проектированием и проектированием продукции, которая может легко адаптироваться к потребностям вашего проекта; проектирование, промышленный дизайн, прототипирование и производство.

Категории

КатегорииВыберите категориюКнигиБизнесТворчество | НефильтрованноеРазноеПроцессыТехнологии

Архивы

Архивы
Отбор месяц, ноябрь, 2021 г. , апрель 2021 г. Март 2021 г., февраль 2021 г., сентябрь 2020 г., август 2020 г., июнь 2020 г., апрель 2020 г., март 2020 г., февраль 2020 г., декабрь 2019 г., ноябрь 2019 г. Октябрь 2019 г. Сентябрь 2019 г. Август 2019 г., июль 2019 г., июнь 2019 г., май 2019 апрель 2019 г. Март 2019 Февраль 2019 г. Январь 2019 г. Декабрь 2018

Есть вопросы о том, как мы можем помочь с вашим следующим проектом? Свяжитесь с нами.

4 апреля 2021 г.
31 августа 2020 г.
9 декабря 2019 г.

эксплуатационных характеристик водородного свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания и системы линейного генератора | International Journal of Low-Carbon Technologies

Abstract

В настоящее время разрабатывается система выработки электроэнергии, использующая свободнопоршневой двигатель на водородном топливе (FPICE) и линейный генератор. FPICE обеспечивает более эффективную выходную мощность по сравнению с обычными поршневыми двигателями с возвратно-поступательным движением, поскольку он использует множество преимуществ, таких как низкие потери на трение и по своей природе переменная степень сжатия, помимо низкого уровня выбросов вредных выхлопных газов. Кроме того, если в FPICE используется водородное топливо, можно было бы сделать уровень выбросов выхлопных газов практически нулевым без ущерба для эффективности. В этом исследовании был разработан прототип FPICE, двухтактного двухцилиндрового двигателя, и между цилиндрами была встроена система линейной генерации для получения электроэнергии и запуска двигателя. Работать двигатель можно было на частоте 17 Гц. Было обнаружено, что FPICE дает разные положения поршня в верхней мертвой точке, и это неравномерное движение поршня одновременно существенно влияет как на процесс сжатия, так и на последующее сгорание в другом цилиндре двигателя. В испытательном двигателе использовались как сжатый природный газ, так и водород, и результаты показали разные характеристики сгорания в зависимости от используемого топлива. Поскольку эффективность продувки легко ухудшается при работе двухтактных двигателей на такой низкой скорости, было обнаружено, что водородное топливо дает более высокую скорость сгорания и, как следствие, демонстрирует улучшение выходной мощности и выбросов.

1 ВВЕДЕНИЕ

В двигателе со свободным поршнем (FPE) движение поршня не ограничено какими-либо механическими связями, в то время как в обычных двигателях используется ползунково-кривошипный механизм для преобразования линейного движения поршня во вращательное движение. FPE можно разделить на три категории в зависимости от количества и расположения поршней, как показано на рисунке 1 [1].

Рисунок 1.

Открыть в новой вкладкеСлайд загрузки

Различные свободные конфигурации поршня [1].

Основной принцип работы подобен обычному поршневому двигателю, т.е. химическая энергия топлива преобразуется в механическую энергию с помощью линейно движущегося узла поршня. Основная концепция конструкции заключается в использовании минимального преобразования энергии топлива в электрическую [2–7] или гидравлическую энергию [8–10], которая используется линейным генератором или гидроприводом соответственно. Обычно используется двухтактный двигатель, потому что он требует рабочего хода один раз на каждый такт.

Есть некоторые преимущества по сравнению с обычным двигателем с коленчатым валом, которые могут быть достигнуты с помощью концепции свободного поршня, поскольку он использует множество преимуществ, таких как низкие потери на трение, естественно переменное сжатие, эффективная переходная работа, короткое пребывание в ВМТ и стоимость производства. сбережения.

Простота конструкции позволяет FPE иметь более высокую удельную мощность, поскольку он требует меньше веса и меньше места. Кроме того, потери на трение ниже, поскольку существует меньше движущихся частей, а поршень не имеет боковых сил, создаваемых кривошипно-шатунным механизмом. Хотя большая часть потерь на трение приходится на узел поршня, другие части, составляющие около 20% трения, по-прежнему ответственны за коленчатый вал при 1500 об/мин, что в FPE считается примерно 25 Гц [11].

Конфигурация со свободным поршнем позволяет изменять длину хода или степень сжатия почти мгновенно, цикл за циклом и надежный контроль степени сжатия позволяют оптимизировать степень сжатия в различных условиях эксплуатации, что невозможно в обычных двигателях с коленчатым валом. Таким образом, в двигателе могут применяться различные альтернативные виды топлива без серьезных модификаций аппаратуры [2, 7, 8].

Кроме того, FPE предлагает определенные преимущества эффективности и снижения выбросов при холодном запуске двигателя. Его малая механическая инерция и способность достигать заданной скорости практически на первом ходе поршня, при меньшем трении, делают пусковые переходные процессы сравнительно короткими и более эффективными [8].

Голдсборо и др. [2] указал, что при одинаковом ходе поршня и частоте поршня есть некоторые различия между движениями поршня в FPE и в двигателе с коленчатым валом. Как показано на рисунке 2, свободный поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ) меньше времени, чем поршень, приводимый в движение коленчатым валом. Это более короткое время пребывания в ВМТ для свободного поршня может быть привлекательным с точки зрения потерь теплопередачи и образования NO _x , поскольку желательно более короткое время при более высокой температуре [2].

Рисунок 2.

Открыть в новой вкладкеСкачать слайд

Положение поршня в зависимости от времени [2].

Последним, но не менее важным преимуществом является цена двигателя, а себестоимость производства FPE намного ниже из-за его простой конструкции.

Отсутствие кривошипного механизма создает и некоторые недостатки: система управления сложнее, чем у обычных двигателей. Степень сжатия неопределенна и зависит от энергетического баланса поршня при каждом такте. Низкий уровень выбросов и эффективное горение требуют контролируемого движения поршня.

Хотя в упомянутой литературе было предложено так много конфигураций свободного поршня, многие из них предназначены только для вычислительных подходов до демонстрации или просто для внедрения собственных прототипов, которые далеки от завершения стабильной работы. Это связано с тем, что остается еще много технических трудностей, и это делает цель стабильного и более эффективного сгорания в свободно-поршневых двигателях едва достижимой. Для того, чтобы система генерации FPE была коммерчески доступна, помимо низкой стоимости необходимо, чтобы она демонстрировала высокую эффективность и стабильную работу. В этом исследовании прототип FPE и линейного генератора были протестированы для оценки производительности, чтобы получить более высокую эффективность и более низкий уровень выбросов, чем обычные системы генерации.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Поскольку в испытательном двигателе используется последовательное сгорание для каждого такта в двух цилиндрах, предполагается, что они имеют одинаковую геометрию и также передают одинаковую мощность на поршни. Когда левый цилиндр находится в процессе расширения, как показано на рис. 3, уравнение движения поршня имеет вид

, где F _L — сила расширения сгоревшего газа, F _EM сила электромагнитного запирания, а F _f — сила трения каждого узла поршня и F _R — сила сжатия горючей смеси соответственно.

Рис. 3.

Открыть в новой вкладкеСкачать слайд

Силы, действующие на движитель испытательного двигателя.

Чтобы получить значения F _L , F _R , предполагался цикл идеального газа, который состоит из процесса политропного сжатия и расширения, а также подвода тепла с постоянным объемом. Для силы трения применялась эмпирическая корреляция среднего эффективного давления трения, предложенная Блэром в его книге [12]. Для электромагнитной силы фиксации было принято значение 400 Н из анализа плотности магнитного поля. Из результатов расчета, показанных на рисунке 4, целевая частота 30 Гц была достигнута при массе двигателя 2,3 кг.

Рис. 4.

Открыть в новой вкладкеСкачать слайд

Частота перемещения поршня по отношению к весу движителя.

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Испытательный двигатель имеет два поршня и состоит из двух противоположных цилиндров сгорания со встроенным линейным генератором переменного тока между ними (рис. 5 и 6). Поршни каждого цилиндра соединены валом движителя, на котором установлены постоянные магниты. Двухтактный цикл сгорания в чередующихся цилиндрах толкает двигатель вперед и назад через катушки генератора, индуцируя электрический ток для выработки электроэнергии. Генератор переменного тока также используется для управления движением вала и запуска двигателя.

Рисунок 5.

Открыть в новой вкладкеСкачать слайд

Схема тестового движка.

Рисунок 6.

Открыть в новой вкладкеСкачать слайд

Фотография установки тестового двигателя.

Испытуемый двигатель первоначально представлял собой двухтактный бензиновый двигатель с искровым зажиганием и имел рабочий объем почти 100 куб.см. Картер был модифицирован для работы со свободным поршнем, а двигатель работал как на сжатом природном газе (КПГ), так и на водороде соответственно. Когда в двигателе использовалось СПГ, ход поршня удлинялся наполовину по сравнению с первоначальным ходом, чтобы получить больше полезной работы от генератора. Основные характеристики испытательного двигателя приведены в таблице 1, а фотография установки двигателя показана на рис. 6.

Таблица 1

Спецификация тестового двигателя.

Bore (mm)	50.6
Stroke (mm)	75 a /50 B
. Смещение (CC)	150,8 A /100,5 B
. 0225 от -7,5 до -23,5
Время выхлопного порта	от 2,5 до -18,5
Масса Mover (KG)	8,9112269 92929292929292929292929292929292929292929292929292929292929292929292929292792929292929292929292929292929292929292929292929292929292929292929292929292929292929292929292929292929her. b Для работы с водородом. Открыть в новой вкладке Таблица 1 Спецификация испытательного двигателя. Диаметр отверстия (мм)  50,6  Ход (мм)  75 a /50 b   Displacement (cc)  150.8 a /100.5 b   Compression ratio  7.8  Intake port timing  −7.5 to −23.5  Exhaust port timing  2.5 to −18. 5  Mass of mover (kg)  8.91  . Bore (mm)  50.6  Stroke (mm)  75 a /50 b   Displacement (cc)  150.8 a /100.5 b   Compression ratio  7.8 Время впускного порта и Для СПГ. b Для работы с водородом. Открыть в новой вкладке Частота вращения двигателя регулируется в основном моментом зажигания в фиксированном положении поршня, определяемом линейным энкодером абсолютного положения, прикрепленным к магниту движителя внутри линейного генератора переменного тока. Впрыск топлива также был синхронизирован с сигналом датчика положения поршня. На протяжении всех испытаний давление в цилиндре измерялось каждые 0,1 мс и использовалось для анализа цикла. 4 РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 4.1 Типичные характеристики сгорания Поскольку FPE показывает различные положения поршня в ВМТ, степень сжатия изменяется в каждом цикле. Это неравномерное движение поршня существенно повлияло как на процесс сжатия, так и на последующее сгорание в другом цилиндре двигателя одновременно. На рис. 7 показан пример аномального возгорания, обнаруженного во время испытания. Рабочая частота меняется каждый цикл из-за изменения хода поршня. Произошло частичное прогорание в цилиндре 1, что привело к снижению частоты последующего такта с 13 до 8. Кроме того, в цилиндре 2 произошел пропуск зажигания, что в конечном итоге привело к остановке двигателя. Рисунок 7. Открыть в новой вкладкеСлайд загрузки Аномальные явления сгорания, обнаруженные во время испытания (момент впрыска: 64 мм до ВМТ, момент зажигания: 23 мм до ВМТ). FPE не имеет механизма сохранения инерционной энергии для продолжения движения поршня, такого как маховик в обычном ротационном двигателе. Таким образом, одиночный пропуск зажигания в одном из цилиндров является критической причиной потери движения поршня, что приводит к остановке двигателя. Чтобы этого не произошло, следует использовать схему управления для точного положения двигателя или тщательно выбирать момент зажигания. 4.2 Сжигание КПГ При использовании топлива КПГ и ПТЭ, и генератор работали непрерывно с частотой около 13 Гц, и после более чем 1 часа работы оба были отключены, чтобы предохранить их от возможного нежелательного повреждения . На рис. 8 показано измеренное давление в баллоне в зависимости от объема. Острый край вблизи точки пикового давления наблюдался во всех испытаниях с различными условиями нагрузки. Это связано с более коротким пребыванием поршня вблизи ВМТ по сравнению с обычным ротационным двигателем из-за неопределенного поршня в FPE. Рисунок 8. Открыть в новой вкладкеСкачать слайд Диаграмма зависимости давления в баллоне от объема (кейс CNG). В такте расширения резкое снижение давления в цилиндре указывает на начало процесса продувки в двухтактном двигателе. В то время как никакой дальнейшей полезной работы в процессе очистки нет, движитель постоянно перемещался на другую сторону, и это помогло увеличить выход электроэнергии. Давление и скорость тепловыделения, показанные на рисунке 9показывают, что большая часть тепла сгорания выделяется после пикового давления или вблизи ВМТ и продолжается до тех пор, пока не откроется выпускное отверстие. Это связано с высокой скоростью разбавления, вызванной низкой эффективностью продувки контура испытательного двигателя. Рис. 9. Открыть в новой вкладкеСкачать слайд Давление в баллоне и скорость тепловыделения в зависимости от времени. Также считается, что удлиненный ход способствует низкой эффективности продувки. Поскольку чрезмерный ход вниз сделал вакуум в цилиндре еще больше, в то время как свежий заряд во впускной камере ограничен, сгоревший газ из выпускного отверстия снова попал в цилиндр. Таким образом, длина штриха была выбрана так, чтобы впоследствии иметь исходное значение. 4.3 Сгорание водорода При использовании водородного топлива испытательный двигатель работал более 20 мин при частоте вращения 13 Гц. Давление в цилиндре, достигаемое за счет сгорания водорода в испытательном двигателе, показано на рисунке 10. Увеличение давления было намного выше при сгорании водорода, чем при сгорании КПГ, из-за высокой скорости сгорания водорода. На рисунке 11 показаны скорости выделения тепла как для СПГ, так и для водорода, из которых видно, что продолжительность горения водорода короче, чем для СПГ. Рисунок 10. Открыть в новой вкладкеСкачать слайд Сравнение давлений сгорания при сжигании СПГ и водородного топлива. Рисунок 11. Открыть в новой вкладкеСкачать слайд Сравнение скоростей тепловыделения между КПГ и водородным топливом. При увеличении нагрузки пиковое давление сдвинулось еще до ВМТ, что увеличивает потери работы сжатия, что приводит к ухудшению КПД двигателя. Как показано на рисунке 11, вся теплота сгорания высвобождается до того, как поршень достигнет ВМТ. Таким образом, крайне необходимо увеличить угол опережения зажигания, чтобы использовать больше тепла сгорания для полезной работы по выработке электроэнергии. При испытании зажигание больше задерживалось к ВМТ, а более высокая частота от 15 до 17 Гц достигалась с задержкой 3–5 мм. Однако циклическое изменение увеличилось, и это привело к остановке двигателя через несколько минут работы. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы преодолеть эту нестабильность работы и повысить эффективность очистки. С этой целью была предложена модифицированная система генерации FPE, как показано на рисунке 12. Чтобы улучшить процесс газообмена, новый двигатель был спроектирован так, чтобы использовать вакансию генератора в качестве нагнетателя для подачи свежего заряда в цилиндр. Нижний впускной канал и верхний выпускной клапан образуют прямоточную продувку. Система управления зажиганием также отрегулирована так, чтобы иметь временную задержку от фиксированного положения поршня, чтобы избежать случая, когда ход поршня резко укорачивается, что приводит к остановке двигателя с нестабильностью сгорания. Рисунок 12. Открыть в новой вкладкеСкачать слайд Схема модифицированной системы генерации свободнопоршневого двигателя. 5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В этом исследовании прототип FPE и линейного генератора работали как на сжатом природном газе, так и на водородном топливе соответственно. По результатам испытаний основные выводы следующие: Прототип двухтактного двухцилиндрового FPE и линейного генератора успешно работал на частоте 13 Гц на СПГ и водородном топливе. Двухтактный линейный FPE требует более быстрого сгорания, чтобы преодолеть сильное разбавление заряда из-за низкой эффективности продувки. Было обнаружено, что водородное топливо дает более высокую скорость горения, но требует более точного контроля воспламенения. Для обеспечения более высокой эффективности и снижения выбросов была предложена модифицированная система генерации FPE. Он использует генератор в качестве нагнетателя и выпускной клапан для формирования прямоточной продувки. БЛАГОДАРНОСТЬ Авторы хотели бы поблагодарить Центр исследований и разработок в области водородной энергетики (HERC) и Министерство образования, науки и технологий Кореи (MEST) за финансирование этого исследования в рамках программы 21st Century Frontier Project. ССЫЛКИ [1] Чаба Тот-Надь , Кларк Найджел Н. . Линейный двигатель 2004 г.   [2] Goldsborough SS , Van Blarigan 100009 A Численное исследование двигателя внутреннего сгорания со свободным поршнем, работающего на однородном заряде с воспламенением от сжатия   [3] Goldsborough SS , Van Blarigan P . Optimizing the scavenging system for a two-stroke cycle, free piston engine for high efficiency and low emissions: a computational approach   [4] Carter D ,  Wechner E . Блок питания со свободным поршнем: устойчивая мощность для гибридных электромобилей   [5] Shoukry E , Taylor S , Clark N , FAMURI , 8 . Численное моделирование для параметрического исследования двухпрочного линейного двигателя с прямой впрыском [6] Clark NN , FAMOUMAR S , CAMOUMAR S , CAMOUMAR S , CAMOUMAR S , . 0009 . Фундаментальный анализ линейного двухцилиндрового двигателя внутреннего сгорания [7] Kleemann AP , Dabadie JC , . Компьютерные исследования прототипа высокоэффективного поршневого двигателя с низким уровнем выбросов   [8] Brusstar M ,  Серый C Jr , Джафри K , и др. Проектирование, разработка и тестирование многоцилиндровых двигателей с гидравлическими поршнями [9] VAEL GEM , ACHTEN PAJ , 55555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555.