ДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЕ

Линейный генератор энергии со свободным поршнем, который использует сгорание для непосредственной выработки электроэнергии без приводного вала, может обеспечить расширение возможностей электромобилей. Он намного меньше и эффективнее, чем обычный двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Несколько исследовательских групп, в том числе научно-исследовательская группа Toyota, исследуют эту интригующую технологию.

Несмотря на появление совершенных электромобилей, двигатели внутреннего сгорания, вероятно, сохранятся в течение довольно долгого времени, часто в качестве компонента подключаемых гибридных автомобилей и электромобилей с увеличенным запасом хода.

При этом может быть установлен небольшой бортовой высокоэффективный электрогенератор, чтобы аккумулятор можно было заряжать во время поездки, — так называемый «расширитель запаса хода» или, проще говоря, «гибридно-электрическая трансмиссия». И при этом ДВС, лишь подзаряжая истощенную литийионную батарею, всегда работает на максимально эффективных режимах. С этой задачей легко справляется обычный ДВС, однако в скором времени его могут сменить куда более компактные, легкие, эффективные и дешевые агрегаты, специально созданные для работы в качестве электрогенератора. Такое решение в целом повысит эффективность, а также надежность функционирования системы. ОРИГИНАЛЬНАЯ КОНЦЕПЦИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ — ПРОСТОТА И ВЫСОКИЙ КПД

Одна из самых радикальных концепций ДВС в истории — двигатель со свободным поршнем. Первые упоминания о нем в специальной литературе относятся к 20-м гг. прошлого столетия. С 1930-х по 1960-е гг. такие двигатели использовались в качестве воздушных компрессоров и газогенераторов, поскольку они обладали заметными преимуществами перед обычными двигателями внутреннего сгорания и газовыми турбинами.

Свободнопоршневой двигатель аналогичен обычному поршневому двигателю внутреннего сгорания, но с заменой кривошипно-шатунного механизма линейным поршневым узлом, который может работать свободно и только в направлении линейного перемещения.

Устроен двигатель просто. По сути, это цилиндр с глухими концами, внутри которого скользит поршень. На каждом конце цилиндра — инжектор для впрыска топлива, впускное и выпускное окно либо клапаны. В зависимости от типа топлива к ним могут быть добавлены свечи зажи-

 Линейный генератор со свободнопоршневым двигателем — это своеобразный преобразователь энергии, который может генерировать электрическую энергию и рассматривается как потенциальная технология для решения проблемы ограниченного пробега электромобилей. Избавившись от кривошипно-шатунного механизма, такой двигатель получает ряд преимуществ в виде высокого КПД, переменной степени сжатия, компактных размеров и пр.

гания. И все: меньше десятка простейших деталей и лишь одна — движущаяся. Поршень в таком двигателе движется линейно, возвратно-поступательно, между двумя камерами сгорания.

Основная особенность двигателя со свободным поршнем в том, что движение поршня определяется не механической связью кривошипно-шатунного механизма, а соотношением нагрузки к силе расширяющихся газов. Степень сжатия, таким образом, у него получается переменной. Как следствие, этот двигатель можно просто настроить на сжигание бензина, дизельного топлива, этанола, природного газа, водорода и т. д.

КПД двигателя со свободным поршнем теоретически больше 70 %. Он легок и прост в производстве и, значит, дешев. Но несмотря на то, что этот двигатель известен около ста лет, широкого распространения он не получил. Причин тому несколько, и самая главная из них состоит в том, что до последнего времени инженеры не могли решить задачу, каким способом можно было бы снять мощность с поршня, движущегося взадвперед внутри цилиндра с частотой 20 000 раз в минуту.

Первостепенная проблема — как снять мощность с такого двигателя, который механически представляет собой замкнутую систему? Как подключиться к поршню, который перемещается с высокой частотой?

Эта задача долго оставалась нерешенной, хотя попытки сделать это производились регулярно. В частности, об нее обломали зубы инженеры General Motors в 1960-х гг. в процессе разработки компрессора экспериментального газотурбинного автомобиля. Действующие образцы судовых насосов на основе свободнопоршневых двигателей в начале 1980-х гг. были изготовлены французской компанией Sigma и британской Alan Muntz, но в серию они не пошли.

Двигатели со свободно движущимися поршнями можно разделить по принципу работы на две основные группы: двигатели-компрессоры и двигатели — генераторы газа.

В двигателях первой группы энергия, получаемая в цилиндре двигателя, расходуется на сжатие воздуха поршнями компрессора, соединенными с рабочими поршнями двигателя без промежуточных механизмов. Часть сжатого воздуха расходуется на газообмен в цилиндре, а большая часть его поступает к потребителю.

В двигателях второй группы энергия продуктов сгорания топлива частично используется для обеспечения протекания рабочего процесса в цилиндре, а основная ее часть передается силовой газовой турбине. Поршневой двигатель в этом случае становится генератором сжатых и нагретых газов. В качестве поршневого двигателя используются дизели, хотя известны попытки применения и газовых двигателей.

Растущий интерес к исследованиям и разработкам, а также инвестиции в эту технологию привели к появлению большего числа конфигураций прототипов двигателя со свободным поршнем. В целом они могут быть различного типа: двухтактные с оппозитными поршнями, четырехтактные с оппозитными поршнями, двухтактные с одним поршнем и двухтактные с двумя поршнями, используя свечи зажигания или принцип дизельного двигателя и пр. Известны даже двигатели со свободным поршнем, работающим по принципу Стирлинга.

Перспективной является концепция использования двигателя со свободным поршнем, напрямую соединенного с линейным электрическим генератором. Потенциал этой системы можно использовать как часть гибридно-электрического транспортного средства для применения в автомобилях либо тяжелом транспорте или даже в системах комбинированного производства тепла и электроэнергии.

Решение нашел профессор Питер Ван Блариган. Он оснастил поршень кольцевыми магнитами из неодимового сплава, а на внешней стенке цилиндра-статора поместил медную обмотку. Таким образом, появление сверхмощных магнитов из неодимового сплава позволило обойтись без механической связи поршня с трансмиссией, создав генератор электричества. Ван Блариган построил опытный образец — двухтактный линейный генератор мощностью 40 кВт. Термический КПД двигателя-генератора, работающего на пропане, достигал 56 %. Причем этот двигатель мог работать не только на пропане, но и на бензине, водороде, дизельном топливе и спирте.

Высокий КПД такого двигателя обеспечивается за счет снижения паразитных внутренних потерь. В конструкции отсутствуют вращающиеся массы, которые имеют значительную инерцию. На поршни не действуют боковые силы, которые обычно прижимают их к стенкам цилиндра, благодаря чему уменьшается трение. Подшипники коленчатого вала и шатунов, поршневые пальцы, распределительный вал, кулачки и клапаны — все те узлы классического двигателя, в которых существует трение, отсутствуют. Кроме того, на каждый цикл работы двигателя со свободным поршнем приходится два рабочих такта. При этом свободнопоршневой двигатель гораздо компактнее, проще и надежнее обычного ДВС. Такие двигатели могут работать на любом виде жидкого или газообразного

 Топливо сжигается в линейном генераторе со свободным поршнем. Газы ускоряют плавающий поршень, оснащенный постоянными маг-нитами. Линейное перемещение постоянных магнитов относительно катушек позволяет извлекать энергию, получаемую при сгорании топлива, в виде электроэнергии. Поршень тормозится сжатием среды в камере пневматической пружиной и толкается назад к камере сгорания. Благодаря своей конструкции поршневой блок свободно перемещается и ограничен цилиндром с камерой сгорания, с одной стороны, и пневматической пружиной — с другой.

топлива, и они достаточно надежные. Кроме того, очевидны их легкость, компактность и простота в производстве.

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ

Линейный генератор со свободным поршнем — это новый преобразователь энергии, который обычно состоит из двигателя внутреннего сгорания, линейной электрической машины и устройства отскока. По сравнению с обычным двигателем внутреннего сгорания, за счет исключения коленчатого вала и маховика, поршень данного двигателя и движитель линейного генератора связаны напрямую. Следовательно, поршень может свободно колебаться между верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой без ограничения механизмом коленчатого вала. Это дает возможность работать с несколькими видами топлива за счет простого управления степенью сжатия без изменения механической конструкции. Эффективность преобразования энергии может быть увеличена за счет оптимизации степени сжатия. Кроме того, ключевые характеристики двигателя со свободным поршнем, такие как выходная мощность и эффективность системы, могут быть улучшены за счет управления положением поршня.

Свободнопоршневой линейный генератор — электрический генератор, построенный на базе свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания, в котором химическая энергия сжигания топлива используется для линейного движения связанных с поршнем магнитов вдоль статора и производства электричества. За счет того, что в такой системе отсутствует кривошипношатунный механизм, она получается легче, проще и, как следствие, надежнее

ВАЖНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА

Линейный генератор со свободным поршнем имеет следующие преимущества по сравнению с обычными двигателями внутреннего сгорания: 3 регулировка хода, степени сжатия и хода поршня до рабочей точки,

3 повышенная эффективность при частичной нагрузке, 3 компактная конструкция, 3 сбалансированные силы инерции (низкий уровень шума), 3 низкие производственные затраты, 3 возможность использования различного топлива.

Свободнопоршневой двигатель устраняет всю механическую трансмиссию обычного двигателя, позволяя разрабатывать эффективные циклы сгорания и уменьшая количество деталей, а соответственно, стоимость двигателя.

Принцип действия генератора со свободным поршнем, производящим электроэнергию непосредственно из линейного движения поршня без промежуточных механических звеньев, достаточно прост. Двухцилиндровый двигатель линейного генератора со свободным поршнем выполнен по оппозитной схеме и имеет поршневую группу, состоящую из двух поршней, соединенных жестким штоком. Циклически повторяющееся давление газов в процессе сгорания топлива сообщает поршневой группе возвратнопоступательное движение. В плоскости симметрии штока, между поршнями на штоке закреплена подвижная магнитная система. Она размещается внутри неподвижного статора с системой обмоток. При возвратно-поступательном движении штока с закрепленной на нем магнитной системой внутри статора вследствие взаимодействия их магнитных полей происходит возникновение электродвижущей силы в обмотках статора.

Кроме того, электрическая машина, работая в режиме двигателя, может обеспечивать старт двигателя внутреннего сгорания. Электронная система управления осуществляет контроль движения поршней для обеспечения оптимального термодинамического цикла, а также позиционирование поршней, предотвращая их соударение с головками цилиндров.

Преимущества этого принципа преобразования энергии значительны: 3 уменьшение числа движущихся деталей за счет исключения кривошипно-шатунного механизма до одного поршневого узла; 3 повышение жесткости и механической надежности конструкции двигателя; 3 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; 3 исключение стартера для запуска ДВС, так как электрический генератор может работать и как линейный электродвигатель;

 Свободнопоршневой двигатель с двумя камерами сгорания на обоих концах свободного поршня и линейный электрический генератор для получения энергии от поршня во время его цикла движения

Свободнопоршневой двигатель. Фото: DLR При возвратно-поступательном движении постоянного магнита, прикрепленного к штоку поршня, происходит колебание магнитного поля, которое индуцирует ток в катушке статора

Вариант двигателя со свободным поршнем оборудован электромагнитными клапанами, впрыском топлива и свечой зажигания

3 возможность динамического изменения степени сжатия в каждом такте не механическими способами, а установкой параметров электронной системы управления; 3 возможность работы с различными видами топлива (бензин, природный газ, водород, биогаз, биотопливо) посредством электронной настройки системы управления; 3 реализация оптимальных режимов сгорания топлива, в том числе и гомогенное воспламенение бедных смесей — потенциал для снижения вредных выбросов; 3 снижение расходов на производство.

Другая конструкция — линейный генератор со свободным поршнем — использует камеру внутреннего сгорания, линейный генератор и газовую пружину. Двигатель внутреннего сгорания приводит в движение поршень. Поршень тормозится сжатием среды в камере пневматической камеры и толкается назад к цилиндру сгорания. Благодаря своей конструкции поршневой блок свободно перемещается и ограни-

 Генераторы со свободнопоршневым двигателем (FPEG) обладают огромным потенциалом в качестве основного устройства преобразования энергии для выработки электроэнергии из топлива в составе системы трансмиссии гибридного электрического транспортного средства. Основные преимущества заключаются в том, что они теоретически более эффективны, компактнее и легче по сравнению с другими конкурирующими гибридными электромобилями и решениями для увеличения запаса хода (ДВС, роторные двигатели, топливные элементы и т. д.)

Toyota разработала прототип системы линейного генератора со свободным поршнем. Серия испытаний определила, что система может работать в течение длительных периодов времени с усовершенствованным алгоритмом управления даже при проблемном процессе сгорания Количество деталей линейного генератора энергии со свободным поршнем — минимальное

Теоретически КПД двигателя со свободным поршнем перевешает 70 %. Такие двигатели могут работать на любом виде жидкого или газообразного топлива, крайне надежны и великолепно сбалансированы. Кроме того, очевидны их легкость, компактность и простота в производстве

чен камерой сгорания, с одной стороны, и пневматической камерой — с другой.

У таких двигателей вместо преобразования линейного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала, как в обычном ДВС, устройство преобразует кинетическую энергию поршня непосредственно в электрическую, которая используется для зарядки аккумуляторов.

ПРОБЛЕМЫ СЛОЖНЫЕ, НО РЕШАЕМЫЕ

Серийному выпуску подобных двигателей мешает несколько проблем, самая главная из которых — создание системы управления. Дело в том, что в обычном ДВС верхняя мертвая точка траектории поршня задается геометрией кривошипношатунного механизма, а в линейном она зависит от степени сжатия и скорости сгорания топливовоздушной смеси. То есть поршень тормозится создаваемым давлением в камере. Как следствие, длительность тактов и верхняя мертвая точка могут изменяться. А это значит, что при неточной работе форсунки поршень либо остановится, либо ударится в стенку. Как следствие, свободные поршни нуждаются в спе-

Устройство линейного генератора энергии со свободным поршнем предельно простое

циальной системе, которая бы нивелировала разницу в процессе сгорания топлива в каждом из рабочих циклов. Ван Блариган считает, что ключ к решению проблемы управления — в контроле положения и движения поршня через внешний статор. Компьютерное управление вполне может справиться с такой задачей. А тормозить поршень можно с помощью тех же электромагнитов.

Полноценный прототип генератора с готовой системой управления обещан с КПД 50 %.

Такой двигатель отлично подходит для автомобиля с электрической трансмиссией. ДВС в таком автомобиле нужен только для зарядки аккумулятора, при пуске он должен сразу выходить на режим максимальной мощности либо максимального момента. Это значит, что нет необходимости обеспечивать его работу на переходных режимах, ту самую, ради которой создаются многоклапанные двигатели, впускные коллекторы переменной длины, управление фазами газораспределения, двойной наддув и пр. Двигатель, работающий в узком диапазоне оборотов, намного проще и, значит, дешевле и надежнее.

Генератор со свободнопоршневым двигателем — это новая система выработки электроэнергии, разработанная для электромобилей, и она отмечена как более эффективная система питания, чем обычные двигатели. В нем используется двухтактный режим с искровым зажиганием. По сравнению с четырехтактным он имеет более высокую удельную мощность при том же объеме двигателя и массе впрыскиваемого топлива. Набор параллельных механических пружин действует как устройство отскока, чтобы толкать поршень из НМТ в ВМТ

УПРАВЛЕНИЕ РЕШАЕТСЯ КОНТРОЛЛЕРОМ ИТЕРАТИВНОГО ОБУЧЕНИЯ

Важной проблемой является стратегия управления возвратно-поступательным движением свободного поршня для обеспечения стабильной работы системы. При отсутствии коленчатого вала несколько поршней должны какимто образом точно позиционироваться и синхронизироваться. Если движение каждого поршня не контролируется точно, степень сжатия будет меняться, что снижает эффективность работы двигателя. Проблема управления была разделена на управление ходом, управление верхним и нижним положением поршня для уменьшения излишнего потребления энергии во время управления. Контроллер итеративного обучения был разработан для управления верхним положением поршня, при этом управление нижним положением поршня было основано на оценке параметров сгорания, а управление ходом было основано на конечном результате. Положения поршня при изменении направления движения предыдущего хода и максимальное давление в цилиндре текущего хода были приняты в качестве обратной связи. Комбинированная имитационная модель, включающая колебания цикла сгорания, была представлена и подтверждена прототипом, а также проанализирована эффективность стратегии управления. Результаты показали, что система обеспечивает стабильную работу, а возвратно-поступательное движение свободного поршня хорошо контролируется. P. S.

Задача создания силовой установки в составе линейного генератора и двигателя внутреннего сгорания со свободным поршнем пред-

Вариант компоновки двигателя со свободно движущимися поршнями. Его отличительной особенностью является наличие поршней, не связанных кривошипно-шатунным механизмом и движущихся только под действием переменного давления газов в разных полостях цилиндра

ставляет собой сложную техническую задачу, решение которой лежит на стыке физики процесса сгорания топлива, теории систем управления быстропротекающими процессами в реальном времени, быстродействующей силовой электроники и техники линейных электроприводов. Однако, к счастью, все эти технологии можно считать на сегодняшний день достаточно глубоко разработанными, и требуется лишь решить проблему в синерге-

тическом синтезе систем.