Свободнопоршневой двигатель будет вырабатывать электричество — ДРАЙВ

Все согласны, что для снижения расхода топлива и токсичности выхлопа автомобилю нужно электричество. Но совсем отказаться от ДВС и пересесть на электрокары нам пока не по карману. Значит, нужен эффективный генератор тока на борту. Сегодня многие исследовательские организации и автопроизводители обращаются к предложенной ещё в 1920-х годах технологии мультитопливного свободнопоршневого двигателя.

В нынешней вариации — это оппозитный двухцилиндровый мотор с жёстко скреплёнными (без коленвала) поршнями. Его и предлагается использовать в качестве генератора. Для выработки постоянного тока в межпоршневом пространстве перемещаются магниты, а вокруг цилиндра расположена обмотка.

Свободнопоршневой двигатель способен работать на сверхбедной смеси (до 65 частей воздуха к одной части топлива) вместо так называемой стехиометрической — 14,7:1. Благодаря низким пиковым температурам выбросы самых вредных оксидов азота (NO_x) близки к нулю.

Рабочий цикл в таком двигателе очень короткий. А за счёт небольшого количества подвижных частей КПД генератора при степени сжатия 30:1 стремится к 50% — это близко к КПД электрохимического генератора. А при увеличении степени сжатия (кстати, регулируемой) эффективность может быть ещё выше. К тому же установка оптимизируется для работы на чём попало: от водорода до солярки.

На данный момент большинство исследовательских групп находится на стадии компьютерного моделирования такого генератора. И только специалисты американской национальной лаборатории Sandia во главе с Питером Ван Блэриганом уже занимаются постройкой прототипа и рассчитывают создать работоспособный образец в течение года.

Это не похоже на компактный генератор — все процессы пока обкатываются на специальных стендах. Ван Блэриган говорит, что одна из главных особенностей — громкая работа мотора: быстрые взрывы трудно приглушить. Но самая большая проблема — контроль рабочего процесса. Для нормальной работы на разном топливе необходим активный механизм управления. Вопрос попробуют решить при помощи клапанов с электромагнитным управлением и высокопроизводительных «мозгов».

Ждём с нетерпением! Если проект ждёт удача, то свободнопоршневой генератор станет самым дешёвым и эффективным средством получения электричества. Использовать его можно будет и в паре с ДВС, и как источник автономного питания для электрокаров.

Комментарии 

Поделиться

Лайкнуть

Твитнуть

Отправить

© 2005–2022 ООО «Драйв», свидетельство о регистрации СМИ №ФС77-69924   16+

Полная версия сайта

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

Свободнопоршневой двигатель может быть вдвое экономичнее двигателей внутреннего сгорания

7 апреля 2017 г. 30 сентября 2008 г.

Национальная лаборатория Sandia под руководством исследователя Sandia Питера Ван Бларигана, которая тестирует физические компоненты свободнопоршневых двигателей, эффективность которых может достигать 50%. Это примерно в два раза лучше, чем у современных газовых двигателей внутреннего сгорания, и примерно так же эффективно, как у топливных элементов. Топливные элементы слишком дороги. Он собирает полный прототип свободнопоршневого двигателя, проект, который он рассчитывает завершить в течение года. Имеются два рабочих конца вместо нынешних поршней с одним активным концом. Он будет использовать две камеры сгорания в гантели [см. фотографии]. Каждое движение приводило к двойному двухтактному процессу сгорания.

ОБНОВЛЕНИЕ:
Дизельные двигатели со сверхвысокой эффективностью могут выиграть на рынке и обеспечить такую ​​же или большую эффективность по сравнению с двигателем со свободным поршнем.

Усовершенствованная термоэлектричество может улавливать часть 50% мощности, которая не используется свободнопоршневым двигателем, и повышать общий КПД до 65%.

Запись в Википедии о свободном поршневом двигателе.

Преимущества
Потенциальные преимущества концепции свободного поршня включают:

Простая конструкция с небольшим количеством движущихся частей, что дает компактный двигатель с низкими затратами на техническое обслуживание и уменьшенными потерями на трение. Эксплуатационная гибкость за счет переменной степени сжатия позволяет оптимизировать работу для всех условий эксплуатации и работы на нескольких видах топлива. Свободнопоршневой двигатель также хорошо подходит для работы в режиме HCCI (воспламенение от сжатия с однородным зарядом).

Проблемы
Основной проблемой свободнопоршневого двигателя является управление двигателем, которое можно назвать полностью решенным только для однопоршневых гидравлических свободнопоршневых двигателей. Такие вопросы, как влияние изменений процесса сгорания от цикла к циклу и характеристик двигателя в переходном режиме в двухпоршневых двигателях, требуют дальнейшего изучения.

В Pempek Systems работает 50 человек, и они работают над второй версией свободнопоршневого двигателя

Версия свободнопоршневого двигателя FP3 мощностью 25 кВт
КОНЕЦ ОБНОВЛЕНИЯ

Мощность поршня: В нетрадиционной конструкции двигателя шток с поршнем на каждом конце перемещается между двумя камерами сгорания. Магниты в центре стержня движутся мимо металлических катушек (оранжевых), создавая электрический ток. Фото: Питер Ван Блариган, Национальная лаборатория Сандия

В обычных двигателях внутреннего сгорания несколько поршней соединены шатунами с коленчатым валом, который через трансмиссию приводит в движение колеса. В свободнопоршневых двигателях отсутствует коленчатый вал: поршни ни с чем не связаны. Вместо этого два противоположных поршня просто перемещаются взад и вперед внутри камеры. Для выработки электроэнергии поршни могут быть снабжены рядами магнитов, которые перемещаются мимо металлических катушек, создавая электрический ток.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Доклад Американского химического общества: Моделирование двухтактного свободнопоршневого двигателя для производства электроэнергии Цинфэн Ли, Цзинь Сяо и Чжэнь Хуан [приведенная ниже цитата о свободнопоршневом линейном генераторе переменного тока взята из этого документ, в котором описаны все сокращения]

Линейный генератор переменного тока со свободным поршнем (FPLA) — это новый преобразователь энергии. Он небольшой, имеет только одну движущуюся часть, не подвержен трению и шуму, использует в качестве привода два оппозитных двухтактных цилиндра, а каждый ход представляет собой процесс выработки энергии. Его можно использовать в качестве силового агрегата для гибридного электромобиля (HEV). Это рассматривается как еще один шаг вперед в производстве ДВС нового поколения [двигатель внутреннего сгорания — обычные газовые двигатели].

(1) В течение большей части хода поршня скорость FPLA остается постоянной. Он возвращается к максимальным значениям в противоположном направлении непосредственно перед верхней мертвой точкой (ВМТ). Это делает ускорение как минимум в 3 раза больше, чем у традиционного ДВС (двигатель внутреннего сгорания — обычные газовые двигатели). Кроме того, это позволяет избежать более длительного времени пребывания в ВМТ (верхней мертвой точке), что кажется лучшим способом снижения пиковой температуры.

(2) ВМТ ПЛИС может меняться в зависимости от внешних нагрузок, а также других параметров. Он может убедиться, что зажигание происходит прямо около ВМТ. Таким образом, в процессе расширения будет использоваться больше энергии. Кроме того, использование обедненной смеси для достижения более высокой степени сжатия может эффективно улучшить указанный тепловой КПД.

(3) FPLA имеет меньшую продолжительность горения при высокой степени сжатия. Пиковая температура и давление ниже, чем у традиционного ДВС. Это может уменьшить выбросы, зависящие от температуры. Это экологически чистый источник энергии будущего.

Реклама

Торговля фьючерсами
  Нанотехнологии
  Нетбук     Новости технологий
  Компьютерное программное обеспечение
    Прогнозы на будущее

Брайан Ван

Брайан Ван — лидер идей футуристов и популярный научный блогер с 1 миллионом читателей в месяц. Его блог Nextbigfuture.com занимает первое место среди блогов научных новостей. Он охватывает множество прорывных технологий и тенденций, включая космос, робототехнику, искусственный интеллект, медицину, антивозрастную биотехнологию и нанотехнологии.

Известный тем, что определяет передовые технологии, в настоящее время он является соучредителем стартапа и занимается сбором средств для перспективных компаний на ранней стадии. Он является руководителем отдела исследований по распределению инвестиций в глубокие технологии и инвестором-ангелом в Space Angels.

Часто выступая в корпорациях, он был спикером TEDx, спикером Singularity University и гостем многочисленных интервью для радио и подкастов. Он открыт для публичных выступлений и консультаций.

Возможный путь к гибридным электромобилям – Исследовательский центр по сжиганию топлива

Команда Sandia ищет новый путь к гибридным электромобилям: свободнопоршневой двигатель. Названный так потому, что поршень механически не связан с другими системами двигателя, такими как коленчатый вал, свободнопоршневой двигатель может обеспечить большую эффективность, чем его обычные дизельные и бензиновые аналоги. Работая на водороде из возобновляемых источников, он также может однажды дебютировать с нулевым выбросом углерода, заменив бензиновый двигатель в гибридных электромобилях. В качестве дополнительного преимущества свободнопоршневой двигатель может использовать значительный опыт и инфраструктуру, созданную для двигателя внутреннего сгорания.

При спонсорской поддержке Управления транспортных технологий Министерства энергетики США команда Sandia, состоящая из Терри Джонсона, Майка Лейка и Йона Перраса (сейчас на пенсии), исследовала все еще развивающуюся технологию, создав и испытав свободнопоршневой двигатель. Результаты дают ценную информацию другим разработчикам, особенно партнерам по проекту, GM и Мичиганскому университету, которые использовали данные Sandia для калибровки модели конструкции свободнопоршневого двигателя.

Двигатель Sandia

Конструкция двигателя Sandia, разработанная отставным Сэндианом Питером Ван Блариганом, предусматривала сгорание с воспламенением от компрессии гомогенного заряда (HCCI), высокоэффективную технологию, которая сжимает смесь топлива и воздуха до точки самовоспламенения, устраняя необходимость для свечи зажигания.

Приводимые в движение системой отражательной камеры, два противоположных поршня создают сжатие, необходимое для самовоспламенения топлива в центральной камере сгорания.

Конструкторы также выбрали противоположную конфигурацию поршня; также распространены однопоршневые конструкции. «В конструкции с противоположными поршнями два поршня движутся навстречу друг другу внутри цилиндра, куда впрыскивается топливо, создавая достаточно высокое давление и температуру, чтобы вызвать самовоспламенение», — пояснил Терри. «Взрыв отталкивает поршни друг от друга к пневматическим камерам отскока, которые затем сталкивают поршни вместе, чтобы начать цикл заново». Механическая энергия двигателя преобразуется в электрическую с помощью линейных генераторов переменного тока, состоящих из намагниченных поршней и обмоток, окружающих цилиндр.

Испытания прототипа, начавшиеся в 2012 году, были направлены на демонстрацию высокой эффективности свободнопоршневого двигателя и низкого уровня выбросов. Другая цель состояла в том, чтобы показать, что этот тип двигателя можно построить относительно просто, без каких-либо механических сложностей.

Демонстрация потенциальной эффективности

Команда обнаружила, что прототип может достичь эффективности, близкой к 30%, что выгодно отличается от эффективности 25%, ожидаемой для обычных дизельных или бензиновых двигателей, соединенных с генератором/генератором переменного тока. Терри объяснил, что результаты эффективности представляли собой смесь двух разных видов эффективности: тепловой эффективности, меры работы, производимой при сжигании топлива, и механической эффективности (которая включает эффективность генератора переменного тока), меры того, насколько хорошо произведенная работа преобразуется. к электрической энергии.

В то время как тепловой КПД был очень высоким, более 55%, механический КПД был ниже. Терри сказал, что эти результаты помогли команде точно определить источники потери эффективности. «Мы знали, что линейный генератор переменного тока, хотя и изготовленный по индивидуальному заказу, не был оптимизирован для нашей конструкции. Мы также поняли, что трение приводит к значительным потерям».

Эта информация будет полезна другим дизайнерам. «В автомобильной промышленности уже есть действительно хорошие решения для снижения трения, а Питер и его команда уже разработали концептуальный дизайн гораздо более эффективных генераторов переменного тока», — сказал Терри. «Итак, мы смоделировали дизайнерские решения, но решили не акцентировать внимание на этих направлениях. Нашей целью было тщательно протестировать и понять прототип».

Выбросы все еще неясны

В общем, выбросы от сжигания HCCI представляют собой смешанный пакет. Работая на обычном топливе, HCCI генерирует чрезвычайно низкий уровень выбросов оксидов азота (NOX), но относительно высокий уровень выбросов углеводородов и монооксида углерода. Однако при использовании водородного топлива выбросы NOX могут стать проблемой, которую, как показали исследования, можно решить с помощью технических средств.
Однако в этой области данные команды были неубедительными, объяснил Терри. «К сожалению, нам не удалось запустить двигатель достаточно долго, чтобы получить надежные данные о выбросах. Опять же, с таким новым дизайном вы не всегда можете быть уверены, что найдете. Однако это то, что мы хотели бы изучить подробнее».

Все просто

Часть процесса проектирования заключалась в определении оптимального метода обеспечения синхронного движения двух поршней, поскольку любая разница во времени между поршнями вызывает нежелательную вибрацию. В большинстве противоположных конструкций поршней используется механическая связь для синхронизации поршней.