Вы просматриваете: Главная > Авторемонт разное > Поршень насвободе: двигатель со свободным поршнем
Post Icon

Поршень насвободе: двигатель со свободным поршнем

Опубликовано в Авторемонт разное
2 Авг 2007

Поршень насвободе: двигатель со свободным поршнем

Поршень насвободе: двигатель со свободным поршнем

    Двигатель со свободным поршнем — линейный двигатель внутреннего сгорания, лишенный шатунов, в котором перемещение поршня определяется не механическими связями, а соотношением сил расширяющихся газов и нагрузки Двигатель Ecomotors Отличается не только массой и скромными габаритами. Снаружи плоский агрегат напоминает оппозитные моторы Subaru и Porsche, каковые дают особенные компоновочные преимущества в виде линии капота и низкого центра тяжести. Это указывает, что автомобиль будет не только динамичным, но и прекрасно управляемым

Уже в ноябре этого года на рынок американских выйдет Шевроле Volt, электромобиль с бортовым генератором электричества. Volt будет оснащен замечательным электродвигателем, вращающим колеса, и компактным ДВС, что только подзаряжает истощенную литий-ионную батарею.

Данный агрегат постоянно работает на максимально действенных оборотах. С данной задачей легко справляется простой ДВС, привыкший к куда более тяжёлому бремени. Но в недалеком будущем его смогут поменять куда более компактные, легкие, действенные и недорогие агрегаты, намерено созданные для работы в качестве электрогенератора.

В то время, когда речь идет о принципиально новых конструкциях ДВС, скептики начинают морщить носы, кивать на много пылящихся на полках псевдореволюционных проектов и трясти святыми мощами четырех горшков и распредвала. Сто лет господства хорошего двигателя внутреннего сгорания кого желаешь убедят в бесполезности инноваций.

Но лишь не специалистов в области термодинамики. К таковым относится доктор наук Питер Ван Блариган.

Энергия взаперти

Одна из самых радикальных концепций ДВС в истории — двигатель со свободным поршнем. Первые упоминания о нем в особой литературе относятся к 1920-м годам. Представьте себе железную трубу с глухими финишами и цилиндрический поршень, скользящий в нее.

На каждом из финишей трубы расположены инжектор для впрыска горючего, впускной и выпускной порты. В зависимости от типа горючего к ним смогут добавлены свечи зажигания. И все: меньше десятка несложных подробностей и только одна — движущаяся.

Позднее показались более изощренные модели ДВС со свободным поршнем (FPE) — с двумя либо кроме того четырьмя оппозитными поршнями, но это не поменяло сути. Принцип работы таких моторов не изменился — возвратно-поступательное линейное перемещение поршня в цилиндре между двумя камерами сгорания.

Теоретически КПД FPE переваливает за 70%. Они смогут трудиться на любом виде жидкого либо газообразного горючего, очень надежны и великолепно сбалансированы. Помимо этого, очевидны их легкость, простота и компактность в производстве.

Единственная неприятность: как снять мощность с для того чтобы мотора, механически представляющего собой замкнутую совокупность? Как оседлать снующий с частотой до 20000 циклов в 60 секунд поршень? Возможно применять давление выхлопных газов, но эффективность наряду с этим падает в разы.

Эта задача продолжительно оставалась неразрешимой, не смотря на то, что попытки предпринимались систематично. Последними о нее обломали зубы инженеры Дженерал моторс в 1960-х годах в ходе разработки компрессора для экспериментального газотурбинного автомобиля. Действующие образцы судовых насосов на базе FPE в начале 1980-х были изготовлены французской компанией Sigma и английской Alan Muntz, но в серию они не пошли.

Быть может, об FPE еще долго бы никто не отыскал в памяти, но помогла случайность. В первой половине 90-ых годов двадцатого века Департамент энергетики США поручил ученым Национальной лаборатории Sandia изучить эффективность бортовых генераторов электричества на базе ДВС разных типов, трудящихся на водороде.

Эта работа была поручена группе Питера Ван Бларигана. На протяжении осуществления проекта Ван Блариган, которому концепция FPE была превосходно известна, сумел отыскать остроумное решение проблемы превращения механической энергии поршня в электричество.

Вместо усложнения конструкции, соответственно — понижения результирующего КПД, Ван Блариган отправился методом вычитания, призвав на помощь магнитный поршень и бронзовую обмотку на цилиндре. Не обращая внимания на всю простоту, такое ответ было бы неосуществимым ни в 1960-х, ни в 1970-х годах.

В то время еще не существовало достаточно компактных и замечательных постоянных магнитов. Все изменилось в начале 1980-х по окончании изобретения сплава на базе неодима, бора и железа.

За эту работу во второй половине 90-ых годов двадцатого века на Глобальном конгрессе Общества автомобильных инженеров SAE Ван Бларигану и его сотрудникам Нику Парадизо и Скотту Голдсборо была присвоена почетная премия имени Харри Ли Ван Хорнинга. Очевидная перспективность линейного генератора со свободным поршнем (FPLA), как назвал собственный изобретение Ван Блариган, убедила Департамент энергетики продолжить финансирование проекта впредь до стадии экспериментального агрегата.

Электронный пинг-понг

Двухтактный линейный генератор Бларигана является трубой из электротехнической кремнистой стали длиной 30,5 см, диаметром 13,5 см и массой чуть более 22 кг. Внутренняя стена цилиндра является статором с 78 витками бронзовой проволоки квадратного сечения.

Во внешнюю поверхность алюминиевого поршня интегрированы замечательные неодимовые магниты. воздух и Топливный заряд поступают в камеру сгорания двигателя в виде тумана по окончании предварительной гомогенизации.

Зажигание происходит в режиме HCCI — в камере в один момент появляется множество микроочагов возгорания. Никакой механической совокупности газораспределения у FPLA нет — ее функции делает сам поршень.

Большая мощность FPLA образовывает 40 кВт (55 лошадок) при среднем потреблении горючего 140 г на 1кВтч. По эффективности двигатель не уступает водородным топливным ячейкам — термический КПД генератора при применении в качестве топлива водорода и степени сжатия 30:1 достигает 65%.

На пропане чуть меньше — 56%. Кроме этих двух газов FPLA с аппетитом переваривает солярку, бензин, этанол, спирт а также отработанное растительное масло.

Но нет ничего, что дается малой кровью. В случае если неприятность превращения тепловой энергии в электрическую Ван Блариганом решена удачно, то управление капризным поршнем стало важной головной болью.

Верхняя мертвая точка траектории зависит от скорости сгорания и степени сжатия топливного заряда. Практически торможение поршня является следствием создания критического давления в камере и последующего самопроизвольного возгорания смеси.

В простом ДВС любой последующий цикл есть аналогом прошлого благодаря твёрдым механическим связям между коленвалом и поршнями. В FPLA же продолжительность тактов и верхняя мертвая точка — плавающие размеры. Мельчайшая неточность в дозировке топливного заряда либо нестабильность режима сгорания приводят к остановке поршня либо удар в одну из боковых стенок.

Так, для двигателя для того чтобы типа требуется замечательная и быстродействующая электронная совокупность управления. Создать ее не так легко, как думается. Многие специалисты вычисляют эту задачу трудновыполнимой.

Гарри Смайт, научный руководитель лаборатории Дженерал моторс по силовым установкам, утверждает: «Двигатели внутреннего сгорания со свободным поршнем владеют рядом неповторимых преимуществ. Но дабы создать надежный серийный агрегат, необходимо еще довольно много определить о термодинамике FPE и обучиться руководить процессом сгорания смеси».

Ему вторит доктор наук Массачусетского технологического университета Джон Хейвуд: «В данной области еще довольно много белых пятен. Не факт, что для FPE удастся создать несложную и недорогую совокупность управления».

Ван Блариган более оптимистичен, чем его коллеги по цеху. Он говорит, что управление положением поршня возможно надежно обеспечено при помощи той же пары — магнитная и статор оболочка поршня.

Более того, он уверен в том, что полноценный прототип генератора с настроенной совокупностью управления и КПД не меньше 50% готовься уже к концу 2010 года. Косвенное подтверждение прогресса в этом проекте — засекречивание в 2009 году многих качеств деятельности группы Ван Бларигана.

Конструктивная оппозиция

В январе 2008 года известный венчурный инвестор Винод Хосла рассекретил один из собственных последних проектов — компанию EcoMotors, созданную годом ранее Джоном Колетти и Петером Хоффбауэром, двумя признанными гуру моторостроения. В послужном перечне Хоффбауэра много прорывных разработок: первый турбодизель для автомобилей Volkswagen и Audi, оппозитный двигатель для Beetle, первый 6-цилиндровый дизель для Volvo, первый рядный 6-цилиндровый дизель Inline-Compact-V, в первый раз установленный в Golf, и его близнец VR6, созданный для Mercedes.

Джон Колетти не меньше известен в среде автомобильных инженеров. Продолжительное время он руководил подразделением Ford SVT по разработке особенных серий заряженных машин.

В общем активе Хоффбауэра и Колетти более 150 патентов, участие в 30 проектах по разработке новых двигателей и в 25 проектах новых серийных машин. EcoMotors была создана специально для коммерциализации изобретенного Хоффбауэром модульного двухцилиндрового двухтактного оппозитного турбодизеля с разработкой OPOC.

Маленький размер, безумный удельная мощность 3,25 л.с. на 1 кг массы (250 л.с. на 1л количества) и танковая тяга в 900 Н•м при более чем скромном аппетите, возможность собирать из отдельных модулей 4-, 6- и 8-цилиндровые блоки — вот главные преимущества стокилограммового модуля OPOC EM100. В случае если современные дизели на 20−40% действеннее бензиновых ДВС, то OPOC — на 50% действеннее лучших турбодизелей.

Его расчетный КПД — 57%. Не обращая внимания на собственную фантастическую заряженность, двигатель Хоффбауэра отличается совершенной сбалансированностью и весьма мягкой работой.

В OPOC поршни соединяются с коленвалом, расположенным в центре, долгими шатунами. Пространство между двумя поршнями является камерой сгорания.

Топливный инжектор находится в области верхней мертвой точки, а впускной воздушный и выпускной порт для отработанных газов — в области нижней мертвой точки. Такое размещение вкупе с электрическим турбонагнетателем снабжает оптимальную продувку цилиндра — в OPOC нет ни клапанов, ни распредвала.

Турбонагнетатель — обязательный атрибут мотора, без которой его работа неосуществима. Перед запуском двигателя турбонагнетатель в течение одной секунды нагревает порцию воздуха до температуры 100 °C и закачивает ее в камеру сгорания.

Дизелю OPOC не необходимы калильные свечи, а запуск в холодную погоду не доставляет неприятностей. Наряду с этим Хоффбауэру удалось снизить степень сжатия с привычных для дизелей 19−22:1 до скромных 15−16. Все это, в собственную очередь, ведет к понижению рабочей температуры в камере расхода и сгорания горючего.

Троян

Уже сейчас у EcoMotors имеются три всецело готовых к производству оппозитных агрегата разной мощности: модуль мощностью 13,5 л.с. (размеры — 95 мм / 155 мм / 410 мм, вес — 6 кг), 40 л.с. (95 мм / 245 мм / 410 мм, 18 кг) и модуль 325л.с. (400 мм / 890 мм / 1000 мм, 100 кг). Хоффбауэр и Колетти собираются показать электрогибридный пятиместный седан среднего класса с дизельным генератором OPOC на базе одной из массовых моделей уже в этом году.

Средний расход солярки у этого автомобиля не превысит 2 л на сотню в комбинированном электрическом и смешанном режимах. Сравнительно не так давно EcoMotors открыла личный технический центр в городе Троя, штат Мичиган, и уже подыскивает подходящее предприятие для организации серийного производства собственных моторов.

Не обращая внимания на рассекреченность проекта, из недр компании поступает очень скудная информация. По-видимому, Винод Хосла решил придержать до поры убойные козыри.

Куда уходит КПД

Двигатель Питера Ван Бларигана отличается от простого ДВС намного более высоким КПД за счет отсутствия паразитных утрат. В конструкции отсутствуют вращающиеся веса, инерция которых возрастает за счет центробежной силы.

На поршни не действуют боковые силы, прижимающие их к стенкам цилиндра, благодаря чему значительно уменьшается трение. Подшипники коленчатого вала и шатунов, поршневые пальцы, распредвал, клапаны и кулачки — все те узлы двигателя ОТТО, в которых свирепствует трение, отсутствуют в FPLA.

Помимо этого, на любой цикл работы двигателя со свободным поршнем приходится два рабочих такта. Наряду с этим FPLA намного компактнее, несложнее и надежнее простого ДВС. Рабочий прототип мотора Ван Бларигана уже был воплощен в металле и удачно прошел первую стадию опробований.

Схема двигателя и

    Труба Франка Штельзера Единая подробность сочетает в себе два поршня, топливный насос и клапанную совокупность

В первой половине 80-ых годов XX века германский изобретатель Франк Штельзер показал двухтактный мотор со свободным поршнем, что он разрабатывал в собственном гараже В первую очередь 1970-х годов

По его расчетам, движок был на 30% экономичнее простого ДВС. Единственная движущаяся подробность мотора — сдвоенный поршень, снующий с свирепой частотой в цилиндра.

Металлическая труба длиной 80 см, оснащенная карбюратором низкого давления от мотоцикла Harley-Davidson и блоком катушек зажигания Honda, по неотёсанным прикидкам Стельзера, имела возможность производить до 200 л.с. мощности при частоте до 20 000 циклов в 60 секунд. Штельзер утверждал, что его моторы возможно делать из несложных сталей, а охлаждаться они смогут как воздухом, так и жидкостью.

В первой половине 80-ых годов XX века изобретатель привез собственный мотор на Франкфуртский интернациональный автосалон в надежде заинтересовать ведущие автокомпании. Сначала мысль вызвала определенный внимание германских производителей машин.

По отзывам инженеров Опель, прототип двигателя демонстрировал прекрасный термический КПД, а его надежность была совсем очевидной — ломаться в том месте было фактически нечему. Всего восемь подробностей, из которых одна движущаяся — сдвоенный поршень сложной формы с совокупностью уплотнительных колец неспециализированной массой 5 кг.

В лаборатории Опель были созданы пара теоретических моделей трансмиссии для мотора Штельзера, включая механическую, электромагнитную и гидравлическую. Но ни одна из них не была признана достаточно надежной и действенной.

По окончании Франкфуртского автосалона Штельзер и его детище пропали из поля зрения автоиндустрии. Еще несколько лет затем в прессе то и дело оказались сообщения о намерениях Штельзера запатентовать разработку в 18 государствах мира, оснастить собственными моторами опреснительные установки в Саудовской Аравии и Омане и т. д. В первую очередь 1990-х годов Штельзер окончательно пропал из виду, не смотря на то, что его сайт в сети все еще дешёв.

У кого шатун дольше

Большая часть утрат на трение в простых ДВС приходится на повороты шатуна относительно поршня

Маленькие шатуны поворачиваются на больший угол, нежели долгие. В OPOC весьма долгие и относительно тяжелые шатуны, каковые снижают утраты на трение. Неповторимая конструкция шатунов OPOC не требует применения поршневых пальцев для внутренних поршней.

Вместо них используются радиальные вогнутые гнезда громадного диаметра, в которых скользит головка шатуна. Теоретически такая конструкция узла разрешает сделать шатун дольше простого на 67%.

В простом ДВС важные утраты на трение появляются в нагруженных подшипниках коленвала на протяжении рабочего такта. В OPOC данной неприятности не существует вовсе — линейные разнонаправленные нагрузки на внутренний и внешний поршни всецело компенсируют друг друга. Исходя из этого вместо пяти опорных подшипников коленвала для OPOC требуется только два.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№90, апрель 2010).

Обзор разработок


Записи по принципу Рандом:

самые интересные для Вас статьи, подобранные по важим запросам:

Метки: , , ,

Комментирование закрыто.