Свободнопоршневой двигатель — это линейный, «бескривошипный» двигатель внутреннего сгорания , в котором движение поршня не контролируется коленчатым валом , а определяется взаимодействием сил со стороны газов в камере сгорания , возвратного устройства (например, поршня в закрытом цилиндре) и нагрузочного устройства (например, газового компрессора или линейного генератора ).
Целью всех таких поршневых двигателей является выработка мощности. В свободнопоршневом двигателе эта мощность не подается на коленчатый вал, а вместо этого извлекается либо посредством давления выхлопных газов, приводящего в действие турбину, либо посредством приведения в действие линейной нагрузки, такой как воздушный компрессор для пневматической энергии, либо путем включения линейного генератора непосредственно в поршни для выработки электроэнергии.
Базовая конфигурация свободнопоршневых двигателей обычно известна как однопоршневые, двухпоршневые или оппозитные поршни , в зависимости от количества цилиндров сгорания. Свободнопоршневой двигатель обычно ограничен двухтактным принципом работы, поскольку рабочий ход требуется для каждого цикла вперед-назад. Однако четырехтактная версия с разделенным циклом была запатентована, GB2480461 (A), опубликовано 23.11.2011. [1]
Современный двигатель свободного поршня был предложен RP Pescara [2] , а первоначальное применение представляло собой однопоршневой воздушный компрессор . Pescara создал Bureau Technique Pescara для разработки двигателей свободного поршня, а Роберт Хубер был техническим директором Бюро с 1924 по 1962 год. [3]
Концепция двигателя была предметом большого интереса в период 1930–1960 годов, и было разработано несколько коммерчески доступных агрегатов. Эти свободнопоршневые двигатели первого поколения были без исключения двигателями с оппозитными поршнями, в которых два поршня были механически связаны для обеспечения симметричного движения. Свободнопоршневые двигатели обеспечивали некоторые преимущества по сравнению с обычной технологией, включая компактность и конструкцию без вибраций.
Первое успешное применение концепции свободнопоршневого двигателя было в воздушных компрессорах. В этих двигателях цилиндры воздушного компрессора были соединены с движущимися поршнями, часто в многоступенчатой конфигурации. Некоторые из этих двигателей использовали воздух, оставшийся в цилиндрах компрессора, для возврата поршня, тем самым устраняя необходимость в устройстве отскока.
Свободнопоршневые воздушные компрессоры использовались, в частности, в немецком флоте и имели такие преимущества, как высокая эффективность, компактность, низкий уровень шума и вибрации. [4]
После успеха свободнопоршневого воздушного компрессора ряд промышленных исследовательских групп начали разработку свободнопоршневых газовых генераторов. В этих двигателях нет нагрузочного устройства, соединенного с самим двигателем, а мощность извлекается из выхлопной турбины. Таким образом, вращательное движение турбины может приводить в действие насос, пропеллер, генератор или другое устройство.
В этой конструкции единственная нагрузка для двигателя — это наддув впускного воздуха, хотя теоретически часть этого воздуха может быть отведена для использования в качестве источника сжатого воздуха, если это необходимо. Такая модификация позволила бы двигателю свободного поршня, при использовании в сочетании с вышеупомянутой турбиной с приводом от выхлопных газов, обеспечивать как движущую силу (от выходного вала турбины), так и сжатый воздух по требованию.
Было разработано несколько свободнопоршневых газогенераторов, и такие агрегаты широко использовались в крупномасштабных приложениях, таких как стационарные и морские электростанции. [5] Были предприняты попытки использовать свободнопоршневые газогенераторы для движения транспортных средств (например, в газотурбинных локомотивах ), но безуспешно. [6] [7]
Современные приложения концепции свободнопоршневого двигателя включают гидравлические двигатели, предназначенные для внедорожной техники, и генераторы со свободнопоршневым двигателем, предназначенные для использования в гибридных электромобилях.
Эти двигатели обычно однопоршневого типа, с гидравлическим цилиндром, действующим как устройство нагрузки и отскока с использованием гидравлической системы управления. Это обеспечивает устройству высокую эксплуатационную гибкость. Сообщается об отличных показателях работы при частичной нагрузке. [8] [9]
Свободнопоршневые линейные генераторы , которые устраняют тяжелый коленчатый вал с электрическими катушками в стенках поршня и цилиндра, изучаются несколькими исследовательскими группами для использования в гибридных электромобилях в качестве расширителей диапазона . Первый свободнопоршневой генератор был запатентован в 1934 году. [10] Примерами являются двигатель Stelzer и Free Piston Power Pack, произведенные Pempek Systems [4] на основе немецкого патента. [11] Однопоршневой свободнопоршневой линейный генератор был продемонстрирован в 2013 году в Немецком аэрокосмическом центре (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt; DLR). [12]
Эти двигатели в основном двухпоршневого типа, что дает компактный блок с высоким отношением мощности к весу . Проблема с этой конструкцией заключается в том, чтобы найти электродвигатель с достаточно малым весом. Проблемы управления в виде высоких колебаний от цикла к циклу были зарегистрированы для двухпоршневых двигателей. [13] [14]
В июне 2014 года Toyota анонсировала прототип линейного генератора со свободным поршнем (FPEG). Когда поршень принудительно опускается вниз во время рабочего хода, он проходит через обмотки в цилиндре, чтобы генерировать импульс трехфазного переменного тока. Поршень генерирует электричество на обоих ходах, что снижает мертвые потери поршня. Генератор работает по двухтактному циклу, используя гидравлически активируемые выпускные тарельчатые клапаны , непосредственный впрыск бензина и клапаны с электронным управлением. Двигатель легко модифицируется для работы на различных видах топлива, включая водород, природный газ, этанол, бензин и дизельное топливо. Двухцилиндровый FPEG изначально сбалансирован. [15]
Toyota заявляет о тепловой эффективности 42% при непрерывном использовании, что значительно превышает средний показатель на сегодняшний день в 25-30%. Toyota продемонстрировала агрегат длиной 24 дюйма и диаметром 2,5 дюйма, вырабатывающий 15 л.с. (более 11 кВт). [16]
Эксплуатационные характеристики свободнопоршневых двигателей отличаются от характеристик обычных двигателей с коленчатым валом. Основное отличие заключается в том, что движение поршня не ограничивается коленчатым валом в свободнопоршневом двигателе, что приводит к потенциально ценной особенности переменной степени сжатия. Однако это также представляет собой проблему управления, поскольку положение мертвых точек должно точно контролироваться, чтобы обеспечить воспламенение топлива и эффективное сгорание, а также избежать чрезмерного давления в цилиндре или, что еще хуже, удара поршня о головку цилиндра. Свободнопоршневой двигатель имеет ряд уникальных особенностей, некоторые из которых дают ему потенциальные преимущества, а некоторые представляют собой проблемы, которые необходимо преодолеть, чтобы свободнопоршневой двигатель стал реальной альтернативой обычной технологии.
Поскольку движение поршня между конечными точками механически не ограничено кривошипно-шатунным механизмом, свободнопоршневой двигатель имеет ценную особенность переменной степени сжатия, которая может обеспечить обширную оптимизацию работы, более высокую эффективность частичной нагрузки и возможную многотопливную работу. Они улучшены за счет переменной синхронизации впрыска топлива и синхронизации клапанов с помощью соответствующих методов управления.
Переменная длина хода достигается с помощью правильной схемы управления частотой, такой как управление PPM (импульсно-паузная модуляция) [1], в котором движение поршня приостанавливается в НМТ с использованием управляемого гидравлического цилиндра в качестве устройства отскока. Таким образом, частоту можно контролировать, применяя паузу между моментом достижения поршнем НМТ и высвобождением энергии сжатия для следующего хода.
Поскольку движущихся частей меньше, потери на трение и стоимость производства снижаются. Простая и компактная конструкция требует меньшего обслуживания, что увеличивает срок службы.
Чисто линейное движение приводит к очень низким боковым нагрузкам на поршень, а следовательно, и к меньшим требованиям к смазке поршня.
Процесс сгорания в свободнопоршневом двигателе хорошо подходит для режима воспламенения от сжатия однородного заряда (HCCI), в котором предварительно смешанный заряд сжимается и самовоспламеняется, что приводит к очень быстрому сгоранию, а также к более низким требованиям к точному управлению моментом зажигания. Кроме того, высокая эффективность достигается за счет почти постоянного объема сгорания и возможности сжигать обедненные смеси для снижения температуры газа и, следовательно, некоторых типов выбросов.
Запуск нескольких двигателей параллельно может уменьшить вибрации, вызванные проблемами балансировки, но для этого требуется точный контроль скорости двигателя. Другая возможность — использовать противовесы, что приводит к более сложной конструкции, увеличению размера и веса двигателя и дополнительным потерям на трение.
Не имея устройства для хранения кинетической энергии, такого как маховик в обычных двигателях, двигатели со свободным поршнем более подвержены остановке, вызванной незначительными изменениями в синхронизации или давлении цикла двигателя. Требуется точный контроль скорости и синхронизации, поскольку, если двигатель не может создать достаточное сжатие или если другие факторы влияют на впрыск/зажигание и сгорание, двигатель может давать сбои или остановиться.
Потенциальные преимущества концепции свободного поршня включают в себя:
Главной проблемой для свободнопоршневого двигателя является управление двигателем, которое можно считать полностью решенным только для однопоршневых гидравлических свободнопоршневых двигателей. Такие вопросы, как влияние изменений от цикла к циклу в процессе сгорания и производительность двигателя во время переходного режима в двухпоршневых двигателях, требуют дальнейшего изучения. Двигатели с коленчатым валом могут подключать традиционные аксессуары, такие как генератор, масляный насос, топливный насос, система охлаждения, стартер и т. д.
Вращательное движение для вращения обычных автомобильных агрегатов двигателя, таких как генераторы, компрессоры кондиционера, насосы гидроусилителя рулевого управления и устройства по очистке отработавших газов, может быть получено от турбины, расположенной в потоке выхлопных газов.
Большинство свободнопоршневых двигателей относятся к типу двигателей с оппозитными поршнями и одной центральной камерой сгорания. Разновидностью является двигатель с оппозитными поршнями , который имеет две отдельные камеры сгорания. Примером может служить двигатель Штельцера .
В 21 веке исследования свободнопоршневых двигателей продолжаются, и патенты были опубликованы во многих странах. В Великобритании Ньюкаслский университет проводит исследования свободнопоршневых двигателей. [20]
Новый тип свободнопоршневого двигателя — свободнопоршневой линейный генератор — разрабатывается Немецким аэрокосмическим центром. [21]
В дополнение к этим прототипам исследователи из Университета Западной Вирджинии в США работают над созданием прототипа одноцилиндрового свободнопоршневого двигателя с механическими пружинами на рабочей частоте 90 Гц. [22]