Silnik z wolnym tłokiem - Free-piston engine

Silnik o swobodnym tłoku wykorzystywany jako generator gazu do napędzania turbiny

Silnik o swobodnym tłoku to liniowy, „bezkorbowy” silnik spalinowy , w którym ruch tłoka nie jest kontrolowany przez wał korbowy, ale jest określany przez oddziaływanie sił gazów z komory spalania , urządzenie odbicia (np. tłok w zamknięty cylinder) oraz urządzenie ładujące (np. sprężarka gazu lub alternator liniowy ).

Celem wszystkich takich silników tłokowych jest generowanie mocy. W silniku o swobodnym tłoku ta moc nie jest dostarczana do wału korbowego, ale jest pobierana albo przez ciśnienie spalin napędzające turbinę, przez napędzanie obciążenia liniowego, takiego jak sprężarka powietrza do zasilania pneumatycznego , lub przez włączenie alternatora liniowego bezpośrednio do tłoki do wytwarzania energii elektrycznej.

Podstawowa konfiguracja silników wolnotłokowych jest powszechnie znana jako jednotłokowa, dwutłokowa lub przeciwtłokowa , odnosząc się do liczby cylindrów spalinowych. Silnik z tłokiem swobodnym jest zwykle ograniczony do zasady działania dwusuwowego , ponieważ w każdym cyklu ruchu do przodu i do tyłu wymagany jest skok mocy. Jednak wersja czterosuwowa z dzielonym cyklem została opatentowana, GB2480461 (A) opublikowano 23.11.2011.

Pierwsza generacja

Rysunek 1 US1657641

Nowoczesny silnik wolnotłokowy zaproponowała firma RP Pescara, a pierwotnym zastosowaniem była sprężarka powietrza z pojedynczym tłokiem . Pescara założył Bureau Technique Pescara w celu opracowania silników z wolnym tłokiem, a Robert Huber był dyrektorem technicznym Biura w latach 1924-1962.

Koncepcja silnika była przedmiotem dużego zainteresowania w latach 1930-1960 i opracowano szereg dostępnych na rynku jednostek. Te silniki z wolnym tłokiem pierwszej generacji były bez wyjątku przeciwstawnymi silnikami tłokowymi, w których dwa tłoki były połączone mechanicznie, aby zapewnić symetryczny ruch. Silniki o swobodnym tłoku zapewniły pewne korzyści w porównaniu z technologią konwencjonalną, w tym zwartość i konstrukcję pozbawioną wibracji.

Sprężarki powietrza

Pierwszym udanym zastosowaniem koncepcji silnika z wolnym tłokiem była sprężarka powietrza. W tych silnikach cylindry sprężarki powietrza były sprzężone z ruchomymi tłokami, często w konfiguracji wielostopniowej. Niektóre z tych silników wykorzystywały powietrze pozostające w cylindrach sprężarki do powrotu tłoka, eliminując w ten sposób potrzebę stosowania urządzenia odbicia.

Sprężarki powietrza o swobodnym tłoku były używane m.in. przez niemiecką marynarkę wojenną, a ich zalety to wysoka wydajność, zwartość oraz niski poziom hałasu i wibracji.

Generatory gazu

Po sukcesie sprężarki powietrza o swobodnym tłoku, szereg przemysłowych grup badawczych rozpoczęło opracowywanie generatorów gazu o swobodnym tłoku. W tych silnikach nie ma urządzenia obciążnikowego sprzężonego z samym silnikiem, ale moc pobierana jest z turbiny wydechowej. (Jedynym obciążeniem silnika jest doładowanie powietrza wlotowego.)

Opracowano szereg wolnotłokowych generatorów gazu, które były szeroko stosowane w zastosowaniach na dużą skalę, takich jak elektrownie stacjonarne i morskie. Próbowano zastosować generatory gazu z wolnym tłokiem do napędu pojazdów (np. w lokomotywach z turbiną gazową ), ale bez powodzenia.

Nowoczesne aplikacje

Nowoczesne zastosowania koncepcji silników z tłokami swobodnymi obejmują silniki hydrauliczne, przeznaczone do pojazdów terenowych oraz generatory silników z tłokami swobodnymi, przeznaczone do użytku z hybrydowymi pojazdami elektrycznymi.

Hydrauliczny

Silniki te są zwykle jednotłokowe, w których cylinder hydrauliczny działa zarówno jako urządzenie obciążające, jak i odrzutowe za pomocą hydraulicznego układu sterowania. Daje to urządzeniu dużą elastyczność operacyjną. Odnotowano doskonałą wydajność przy częściowym obciążeniu.

Generatory

Główny artykuł: Generator liniowy z wolnym tłokiem

Generatory liniowe o swobodnym tłoku, które eliminują ciężki wał korbowy z cewkami elektrycznymi w ścianach tłoka i cylindra, są badane przez wiele grup badawczych pod kątem zastosowania w hybrydowych pojazdach elektrycznych jako przedłużacze zasięgu . Pierwszy generator z wolnym tłokiem został opatentowany w 1934 roku. Przykładem może być silnik Stelzer oraz Free Piston Power Pack firmy Pemek Systems [4] oparty na niemieckim patencie. Pojedynczy tłok bezkorbowych liniowego generatora wykazano w 2013 r niemieckim Aerospace Center (Deutsches Zentrum for Luft- und Raumfahrt; DLR).

Silniki te są głównie typu dwutłokowego, co daje kompaktową jednostkę o wysokim stosunku mocy do masy. Wyzwaniem przy tym projekcie jest znalezienie silnika elektrycznego o wystarczająco niskiej wadze. W przypadku silników dwutłokowych zgłoszono wyzwania w zakresie sterowania w postaci dużych zmian między cyklami.

W czerwcu 2014 r. Toyota ogłosiła prototyp generatora liniowego z wolnym tłokiem silnika (FPEG). Gdy tłok jest przesuwany w dół podczas suwu roboczego, przechodzi przez uzwojenia w cylindrze, aby wytworzyć impuls trójfazowego prądu przemiennego. Tłok generuje energię elektryczną w obu suwach, zmniejszając straty martwe tłoka. Generator pracuje w cyklu dwusuwowym, wykorzystując hydraulicznie uruchamiane zawory grzybkowe wydechu , bezpośredni wtrysk benzyny i zawory sterowane elektronicznie. Silnik można łatwo zmodyfikować do pracy z różnymi paliwami, w tym wodorem, gazem ziemnym, etanolem, benzyną i olejem napędowym. Dwucylindrowy FPEG jest z natury zrównoważony.

Toyota twierdzi, że wydajność cieplna wynosi 42% przy ciągłym użytkowaniu, znacznie przekraczając dzisiejszą średnią 25-30%. Toyota zademonstrowała jednostkę o długości 24 cali i średnicy 2,5 cala o mocy 15 KM (więcej niż 11 kW).

Cechy

Charakterystyki eksploatacyjne silników z wolnym tłokiem różnią się od konwencjonalnych silników z wałem korbowym. Główna różnica polega na tym, że w silniku wolnotłokowym ruch tłoka nie jest ograniczany przez wał korbowy, co prowadzi do potencjalnie cennej cechy zmiennego stopnia sprężania. Stanowi to jednak również wyzwanie w zakresie kontroli, ponieważ położenie martwych punktów musi być dokładnie kontrolowane, aby zapewnić zapłon paliwa i wydajne spalanie oraz uniknąć nadmiernego ciśnienia w cylindrze lub, co gorsza, uderzenia tłoka w głowicę cylindra . Silnik o swobodnym tłoku ma wiele unikalnych cech, niektóre dają mu potencjalne korzyści, a inne stanowią wyzwania, które należy pokonać, aby silnik z wolnym tłokiem był realistyczną alternatywą dla technologii konwencjonalnej.

Ponieważ ruch tłoka między punktami końcowymi nie jest mechanicznie ograniczany przez mechanizm korbowy, silnik z wolnym tłokiem ma cenną cechę zmiennego stopnia sprężania, który może zapewnić szeroką optymalizację pracy, wyższą wydajność przy częściowym obciążeniu i możliwość pracy wielopaliwowej. Są one wzbogacone o zmienny rozrząd wtrysku paliwa i rozrząd zaworowy dzięki odpowiednim metodom sterowania.

Zmienną długość skoku uzyskuje się za pomocą odpowiedniego schematu sterowania częstotliwością, takiego jak sterowanie PPM (Pulse Pause Modulation) [1], w którym ruch tłoka jest zatrzymywany w BDC za pomocą sterowanego siłownika hydraulicznego jako urządzenia odbicia. Częstotliwość można zatem kontrolować, stosując przerwę między momentem, w którym tłok dotrze do BDC, a uwolnieniem energii kompresji dla następnego skoku.

Ponieważ jest mniej ruchomych części, zmniejszają się straty wynikające z tarcia i koszty produkcji. Prosta i kompaktowa konstrukcja wymaga zatem mniej konserwacji, co zwiększa żywotność.

Ruch czysto liniowy prowadzi do bardzo małych obciążeń bocznych na tłok, a tym samym do mniejszych wymagań dotyczących smarowania tłoka.

Proces spalania w silniku o swobodnym tłoku doskonale nadaje się do trybu zapłonu jednorodnego z kompresją (HCCI), w którym wstępnie zmieszany ładunek jest sprężony i samozapłonowy, co skutkuje bardzo szybkim spalaniem, a także mniejszymi wymaganiami dotyczącymi dokładnej kontroli czasu zapłonu. Wysokie sprawności uzyskuje się również dzięki prawie stałej objętości spalania i możliwości spalania ubogich mieszanek w celu obniżenia temperatury gazu, a tym samym niektórych rodzajów emisji.

Dzięki równoległej pracy wielu silników można zredukować wibracje spowodowane problemami z wyważeniem, ale wymaga to dokładnej kontroli prędkości silnika. Inną możliwością jest zastosowanie przeciwwag, co skutkuje bardziej złożoną konstrukcją, zwiększeniem wielkości i masy silnika oraz dodatkowymi stratami tarcia.

Przy braku urządzenia magazynującego energię, takiego jak koło zamachowe w konwencjonalnych silnikach, nie będzie ono w stanie napędzać silnika przez kilka obrotów. Dlatego też, jeśli silnik nie osiąga wystarczającej kompresji lub jeśli inne czynniki wpływają na wtrysk/zapłon i spalanie, silnik może się zatrzymać. Powoduje to wypadanie zapłonu i potrzebę dokładnej kontroli prędkości.

Zalety

Potencjalne zalety koncepcji wolnego tłoka to:

  • Prosta konstrukcja z kilkoma ruchomymi częściami, dająca kompaktowy silnik o niskich kosztach utrzymania i zmniejszonych stratach tarcia.
  • Elastyczność operacyjna poprzez zmienny stopień sprężania umożliwia optymalizację pracy w każdych warunkach pracy i pracę wielopaliwową. Silnik o swobodnym tłoku jest ponadto dobrze przystosowany do pracy z zapłonem samoczynnym z jednorodnym ładunkiem (HCCI).
  • Wysoka prędkość tłoka wokół górnego martwego punktu (TDC) i szybkie rozszerzanie się skoku mocy poprawiają mieszanie paliwa z powietrzem i skracają czas dostępny na straty związane z przenoszeniem ciepła i powstawanie zależnych od temperatury emisji, takich jak tlenki azotu (NOx).

Wyzwania

Głównym wyzwaniem dla silnika z wolnym tłokiem jest sterowanie silnikiem, które można powiedzieć, że jest w pełni rozwiązane tylko w przypadku jednotłokowych hydraulicznych silników z wolnym tłokiem. Zagadnienia takie jak wpływ zmian między cyklami w procesie spalania i osiągi silnika podczas nieustalonej pracy w silnikach dwutłokowych to tematy wymagające dalszych badań. Do silników z wałem korbowym można podłączyć tradycyjne akcesoria, takie jak alternator, pompa oleju, pompa paliwa, układ chłodzenia, rozrusznik itp.

Ruch obrotowy w celu obracania konwencjonalnych akcesoriów do silników samochodowych, takich jak alternatory, sprężarki klimatyzacji, pompy wspomagania kierownicy i urządzenia zapobiegające zanieczyszczeniom, mogą być przechwytywane z turbiny umieszczonej w strumieniu spalin.

Przeciwny silnik tłokowy

Większość silników z tłokami swobodnymi to silniki z tłokami przeciwstawnymi z pojedynczą centralną komorą spalania. Odmianą jest silnik tłokowy przeciwny, który ma dwie oddzielne komory spalania. Przykładem jest silnik Stelzera .

Ostatnie zmiany

W XXI wieku trwają badania nad silnikami z wolnym tłokiem, a patenty zostały opublikowane w wielu krajach. W Wielkiej Brytanii Newcastle University prowadzi badania nad silnikami o swobodnym tłoku.

Nowy rodzaj silnika o swobodnym tłoku, generator liniowy o swobodnym tłoku, jest opracowywany przez niemieckie centrum lotnicze.

Oprócz tych prototypów naukowcy z West Virginia University w USA pracują nad prototypem jednocylindrowego silnika z wolnym tłokiem ze sprężynami mechanicznymi o częstotliwości roboczej 90 Hz.

Bibliografia

Źródła

  • Mikalsen R., Roskilly AP Przegląd historii i zastosowań silników z wolnym tłokiem. Applied Thermal Engineering , tom 27, wydania 14-15, strony 2339-2352, 2007. [5] .

Zewnętrzne linki