CC BY
104
Линейный генератор с двигателем внутреннего сгорания со свободным поршнем
A.А. Кецарис,
доцент МАМИ, к.т.н.,
B.И. Духанин,
ведущий конструктор МЗСА, аспирант МАМИ
В статье рассмотрена интегральная силовая установка, состоящая из двигателя внутреннего сгорания (ДВС) со свободным поршнем и линейной электрической машины. Приведен обзор разработок и прототипов, виды компоновочных схем линейного генератора с ДВС со свободным поршнем. Проанализированы динамика и резонансная характеристика, система управления. Обсуждено применение альтернативных видов топлива.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания со свободным поршнем, линейная электрическая синхронная машина.
Free Piston Linear Generator. Structure and Application Perspective
A.A. Ketsaris, V.I. Dukhanin
In this paper an integral power plant consisting of an internal combustion engine with free piston and linear electric machine is described. An application and prototype survey, free piston generator configuration sorts is showed. The dynamic and the resonance response, a control system is analyzed. Alternative fuel application is discussed.
Keywords: linear machine, permanent-magnet machine, free piston linear generator.
В настоящее время, когда все очевиднее видна ограниченность запасов углеводородного ископаемого топлива, человечество интенсивно ищет новые типы силовых установок как для транспортных средств, так и для стационарных энергетических устройств. Безусловно, в перспективе преобладающей станет электрическая тяга,
однако сейчас внедряются переходные решения - гибридные транспортные средства, электромобили с батареями на топливных элементах, транспортные средства на газе и т.п.
По удельной энергоемкости углеводородное топливо пока еще вне конкуренции для массового автомобилестроения. Это говорит о том, что, по крайней мере, в ближайшие 20-30 лет ДВС будет господствовать в автомобилестроении. Однако сам двигатель интенсивно эволюционирует, превращаясь из чисто механического устройства в электромеханический комплекс с электронным управлением.
Рассмотрим малоизвестный в отечественной технической литературе тип силовой установки - линейный генератор возвратно-поступательного действия с двигателем внутреннего сгорания со свободным поршнем.
Исторически двигатель внутреннего сгорания со свободным поршнем известен достаточно давно, но использовался ограниченно, например, в воздушных компрессорах или как генератор газов для последующей работы в турбоустановке. Однако, начиная с 90-х гг. прошлого века, в мире начались исследования двигателя со свободным поршнем в сочетании с гидравлическим насосом в качестве силового агрегата автомобиля, а затем и в сочетании с линейным генератором электрического тока (рис. 1).
Двухцилиндровый двигатель оппозитной схемы имеет поршневую группу, состоящую из двух поршней, соединенных жестким штоком. Циклически повторяющееся действие давления газов в процессе сгорания топлива сообщает поршневой группе возвратно-поступательное движение. В плоскости симметрии штока между поршнями на нем закреплена подвижная магнитная система, которая размещается внутри конструкции статора с системой обмоток. При возвратно-поступательном движении штока с закрепленной на нем магнитной системой
Рис. 1. Линейный генератор со свободным поршнем (ЛГСП): 1 - электропривод клапана; 2 - выпускное отверстие; 3 - свеча зажигания; 4 - поршень; 5 - шток; 6 - катушки статора; 7 - магнитопровод статора; 8 - постоянные магниты; 9 - впускной патрубок; 10 - клапан; 11 - инжектор
учные разработки и исследования
(Ш
внутри статора и взаимодеиствии их магнитных полей возникает электродвижущая сила в обмотках статора.
В сущности это и есть принцип действия генератора со свободным поршнем, производящего электроэнергию непосредственно при линейном движении поршня без промежуточных механических звеньев. Кроме того, электрическая машина, работая в режиме двигателя, обеспечивает старт ДВС. Электронная система управления контролирует движение поршней для обеспечения оптимального термодинамического цикла, а также осуществляет позиционирование поршней, предотвращая их соударение с головками цилиндров.
Этот принцип преобразования энергии имеет следующие преимущества:
• уменьшение числа движущихся деталей до одного поршневого узла за счет исключения коленчато-шатун-ного механизма;
• повышение жесткости и механической надежности конструкции двигателя;
• повышение ресурса и механического КПД двигателя вследствие отсутствия шатунов, что приводит к исключению действия боковых сил на зеркало цилиндра и уменьшению трения в цилиндро-поршневой группе;
• исключение стартера для запуска ДВС, так как электрический генератор может работать и как линейный электродвигатель;
• возможность динамического изменения степени сжатия в каждом такте не механическими способами, а установкой параметров электронной системы управления;
• использование различных топлив (бензин, природный газ, водород, биогаз, биотопливо), которое обусловлено возможностью электронной настройки системы управления;
• реализация оптимальных режимов сгорания топлива, в том числе и гомогенного воспламенения бедных смесей (режим сгорания HCCI), что снижает вредные выбросы;
• снижение расходов на производство.
Разработки и прототипы
В исследованиях, закончившихся созданием опытных работающих устройств и прототипов серийных образцов, прежде всего, следует выделить европейский проект [1] для исследования электрического генератора со свободным поршнем FPEC1 (рис. 2). На этот проект Европейским Сообществом в 2002 г. был выделен грант стоимостью 3,8 млн евро на три года. В нем приняли участие ведущие европейские компании и исследовательские институты: AB Volvo Corporation, АВВ АВ, Университет технологии Чалмерса и Королевская высшая техническая
школа (Швеция), Noax V.V. и Innas B.V. (Нидерланды), Университет Шеффилда (Великобритания), Институт топлива Франции.
Задачи проекта:
• разработка чистой и энергетически эффективной технологии для транспортных силовых установок, основанной на принципе электрического генератора с ДВС со свободным поршнем;
• реализация режима воспламенения от сжатия бедных топливных смесей HCCI2;
• реализация дизельного цикла;
• разработка испытательной установки мощностью 25 кВт для демонстрации технологии FPEC с удельной мощностью не менее 0,6 кВт/кг, удовлетворяющей требованиям к выбросам транспортных двигателей Евро-5.
Разработка проекта сопровождалась достаточным количеством опубликованных научных работ [2, 3].
В США исследования в этой области проводятся рядом компаний и исследовательских организаций. В национальной лаборатории Сандиа (Ливермор) уже более десяти лет выполняется программа исследований Free-Piston Engine под руководством П.В. Блари-гана (P.V. Blarigan) по созданию прототипа генератора мощностью 15 кВт [4, 5].
Компанией Sunpower (США, штат Огайо, Афины) разработан ряд линейных генераторов с двигателем Стирлинга для NASA и министерства обороны. Диапазон электрических мощностей моделей генераторов 40. ..1000 Вт [6].
Отделением электрического оборудования университета Западной Вирджинии разработан и испытан генератор со свободным поршнем мощностью 500 Вт, который включал два оппозитных цилиндра с электроискровым зажиганием. Постоянные магниты были установлены на подвижной поршневой группе, а катушки размещены в пазах сердечника статора. Цель исследования - использование процесса HCCI и повышение диапазона мощности устройства [7].
1 FPEC - Free Piston Energy Converter
2 HCCI - Homogeneous Charge Compression Ignition
Австралийская компания Pempek Systems начала в феврале 2001 г. проект энергетического модуля на основе ДВС и в 2004 г. создала прототип модуля с ДВС искрового зажигания с оригинальной запатентованной системой газообмена. В настоящее время фирма анонсирует энергетический модуль для грузового транспортного средства с электрической мощностью 100 кВт [8, 9].
Экспериментальные энергетические установки создаются на базе университетов и научных центров. В университете Регины (США) разработан генератор с линейным ДВС с одним и двумя цилиндрами. Электрическая
выходная мощность достигала 1 кВт. Применялся линейный генератор, который также служил и мотором.
Исследовательская группа факультета электрического оборудования чешского технического университета (Прага), в которую вошли П.Немечек, О.Высоки и др., исследовала систему управления двухтактным двигателем со свободным поршнем на реальной действующей лабораторной установке. Была разработана схема управления системой двигатель-генератор, исследованы законы управления, получены экспериментальные результаты [10, 11].
Число цилиндров
Компоновка ЛГСП
без отбойной пневматической камеры
с отбойной пневматической камерой
>
Bt V ifl^k. A J
е
а
2
3
4
8
учные разработки и исследования
т
В Аэрокосмическом центре Германии в Институте концепций транспорта группа под руководством Ф.Риндеркнехта создала экспериментальную установку с одноцилиндровым двигателем и пневматической отбойной камерой в качестве аккумулятора энергии поршня.
Экспериментальные работы проводятся также в Малайзии, Южной Корее, Китае.
Следует заметить, что в научно-методическом отношении исследования в этой области стали мощным стимулом появления целого направления научных работ по теории линейных электрических машин, методов их расчета, систем управления.
Компоновочные схемы линейного генератора со свободным поршнем
Компоновочные схемы ЛГСП (таблица) можно классифицировать по следующим признакам:
• по числу цилиндров (камеры сгорания);
• по наличию или отсутствию пневматических отбойных камер;
• по наличию или отсутствию динамической сбалансированности.
Число цилиндров определяется требуемой мощностью силового блока и заданной компоновкой.
Применение отбойных пневматических камер вызвано необходимостью аккумулирования кинетической энергии поршневой группы для последующего такта сжатия. Они используются в известных экспериментальных установках, позволяя за счет объема газа (воздух) в камере динамично изменять степень сжатия и рабочий ход поршня. Однако длительная работа такой установки представляется проблематичной, поскольку несмотря на условия адиабатического сжатия-расширения газа в отбойной камере он неизбежно будет сильно нагреваться, поглощая энергию из системы и вызывая необходимость высокотемпературной теплоизоляции. К тому же в отчетах по таким установкам о длительной работе последних не сообщается.
Требование динамической балансировки любой силовой установки, размещаемой на транспортном средстве, является одним из определяющих. Для этого используется комбинация модулей с противоположно движущимися поршневыми группами. В противном случае для применения установки необходимо использование демпфирующей подвески или системы демпферов.
В конструкции, состоящей из одной камеры сгорания и линейного генератора (таблица, рис. а), для возврата поршневой группы в исходное положение на такте сжатия в системе необходим аккумулятор электрической энергии (аккумуляторная батарея, суперконденсаторы). Линейная электрическая машина во время такта сжатия должна работать в двигательном режиме. Система
является несбалансированной, что можно устранить ее установкой в вертикальном положении на демпфирующем основании.
Конструкция (таблица, рис.б), используемая в европейском проекте FPEC [2], имеет две камеры, позволяющие силовой установке работать непрерывно, однако и здесь имеется динамическая несбалансированность.
Конструкция из трех камер сгорания с противоположно движущимися поршневыми группами (таблица, рис. в) динамически сбалансирована. Подобная компоновка увеличивает продольный размер конструкции, что может стать проблемой при размещении ее в двигательном отсеке транспортного средства.
Конструкции (таблица, рис. г, д) представляют собой модульное решение силовой установки и являются сбалансированными. Компоновка ЛГСП (таблица, рис. д левый) была применена в конструкции модуля FP3 [9].
В конструкциях (таблица, рис. е-к) предусмотрены пневматические отбойные камеры, а конструкции (таблица, рис. ж-к) являются динамически сбалансированными.
Динамика и резонансная характеристика
линейного генератора со свободным поршнем
Для анализа взаимозависимости конструктивных и газодинамических параметров рассмотрим (рис. 3) динамику возвратно-поступательного движения подвижного элемента, включающего поршни, шток и подвижную часть электрической машины. При этом принимаем следующие допущения [12, 13]:
• впуск, выпуск рабочего тела и сгорание происходят мгновенно при постоянном объеме;
• расширение и сжатие рабочего тела являются адиабатическими процессами;
• рабочий процесс описывается рУ-диаграммой идеального цикла Отто;
• электрическая машина работает как однофазная;
• в электрической машине не учитываются меж-зубцовое сцепление, эффект «магнитной пружины» и другие эффекты неравномерности распределения магнитного поля.
Основное уравнение динамики линейного возвратно-поступательного движения подвижного элемента записывается в виде уравнения баланса сил [13]
Рь(х) Бв - ря (х) - РЕ (х) - (х) = тх; (1) где р(х) - мгновенное давление в левом цилиндре; Бв - площадь днища поршня; ря (х) - мгновенное давление в правом цилиндре; ГЕ (х) - электромагнитные силы; ^ (х) - силы трения; т - масса подвижного элемента, включающего поршни, шток и подвижную часть электрической машины; х - положение подвижного элемента.
Проводя анализ термодинамического процесса, получаем развернутое уравнение динамики
пи - Бвр1
' 2г
/ Л-" Г
V Хт J
■а^-им-^).
1--5-
Ч Хт J
ч-л
(2)
тх = 8вр1
Г V* Г
V Хт У
ч-л
V Хт;
• (3)
— X
Принимая х — —, получаем уравнение в безразмерном виде
тх„
г 2гу
ЧГ + 1у
ограничиваясь двумя первыми членами ряда. Получаем уравнение гармонических колебаний
X = —1 п
Р^в
тх„
2 г г +1
(5)
Заменим параметр хт на более удобную величину рабочего хода
г +1
(6)
Х„ — ¿р
2(г-гу
Тогда
т
(7)
где £ =
г — 1
ЧГ + 1,
2 г г +1
Тогда частота возвратно-поступательного движения f в линеаризованном случае записывается как
Хт Х1
где р1 - давление в цилиндре в конечной точке расширения; г = (хт+х5)/(хт - х5) - степень сжатия; хт - координата точки симметричного положения поршней относительно цилиндров; х$ - половина рабочего хода; п = Ср/С/ - коэффициент адиабаты; 0п - количество переданной теплоты в процессе сгорания.
Для анализа свободного колебательного процесса допустим, что теплота сгорания, силы трения и электромагнитные силы равны нулю, тогда
/=— —= — 2к\т 2к\
РА
4л
г-1
ЧГ + 1у
2 г
\Г + Ь
(8)
+ (4)
Для анализа проведем линейное разложение функции [(1 + х]Г" - (1 -х)Г"] в ряд Тейлора вблизи точки х =0
Двигатель со свободным поршнем ведет себя так же, как система из пружины и груза. Газ в камерах сгорания действует подобно нелинейным пружинам. Система из пружины и груза совершает возвратно-поступательное движение на собственной частоте, поэтому предпочтительно устанавливать рабочую частоту, близкую или равную этой частоте, так как это требует минимальной энергии.
Двигатель работает в двухтактном цикле, таким образом каждый рабочий ход генерирует электрическую энергию. Следовательно, увеличение рабочей частоты дает рост средней выходной мощности. Из (8) можно заключить, что для достижения высокой собственной частоты необходимо стремиться к уменьшению массы подвижного элемента т, длины рабочего хода , а также к увеличению площади днища поршня 5В . Однако частота ограничивается продолжительностью сгорания, то есть для обеспечения воспламенения, сгорания и продувки частота колебаний не должна быть слишком большой.
Рис. 4. Схема линейной электрической машины. а - общий вид машины: 1 - несущая труба (титан); 2 - кольцевые постоянные магниты; 3 - ярмо статора; 4 - фазные обмотки;
б - схема чередования фаз
Научные разработки и исследования
Iщ
Линейный электрический генератор
В работе вращающихся электрических машин - как двигателей, так и генераторов - особое внимание во время проектирования уделяется стабильности скорости вращения как номинальному режиму работы. Разгон и торможение электрической машины рассматриваются в качестве переходных кратковременных режимов работы.
Работа линейного генератора, наоборот, состоит из периодически повторяющихся разгона и торможения, меняющих свое направление. Вследствие этого работа линейного генератора носит в значительной степени нестационарный характер, что отрицательно сказывается на КПД генератора. В отличие от вращающихся электрических линейная машина имеет краевые обмотки, создающие краевой эффект, также снижающий КПД генератора. Генерируемый электрический ток имеет, как правило, дополнительные гармоники, приводящие к снижению коэффициента мощности (cos ф), что накладывает дополнительные условия при проектировании преобразовательного устройства.
Для компактной компоновки электрической машины и ее размещения в моторном отсеке транспортного средства была выбрана синхронная цилиндрическая машина с возбуждением от редкоземельных постоянных магнитов, закрепленных на подвижном элементе (рис. 4).
Система управления линейным генератором со свободным поршнем
Задача управления ЛГСП является многоуровневой. При использовании ЛГСП в гибридных транспортных средствах можно выделить три системы управления:
I. Распределение энергии в тяговой системе транспортного средства, определяющее использование бортовых источников энергии (батареи или суперконденсаторы) и преобразователя энергии углеводородов в электричество (ЛГСП в рассматриваемом случае) в виде кинетической энергии, реализуемой на колесах транспортного средства в определенных транспортных циклах движения. Полагая, что энергия, вырабатываемая
первичным источником энергии (ЛГСП), накапливается в буферных аккумуляторах, можно считать, что работа ЛГСП не зависит от тягового цикла движения транспортного средства.
II. Управление ДВС осуществляется регулированием расхода топливно-воздушной смеси, соответствующего заданной мощности, посредством приводов топливных инжекторов, воздушного дросселя и регулированием момента зажигания.
III. Управление линейной электрической машины обеспечивает контролируемое движение соединенных штоком поршней посредством регулирования токов в обмотках при достижении максимального КПД отводимой энергии, что осуществляется управлением транзисторными силовыми мостами. На этом уровне управления непосредственно реализуется отдельный термодинамический цикл. Исходные параметры для каждого цикла поступают из системы уровня II (время начала и длительность впрыска топлива, время подачи импульса на зажигание).
Основными задачами системы управления линейной электрической машины являются:
• запуск двигателя;
• поддержание стабильного режима работы при постоянной нагрузке;
• компенсация пропусков зажигания;
• работа в переходных режимах;
• остановка двигателя;
• режим тестирования свойств топлива в процессе работы на основе базовой таблицы свойств топлив для оптимизации термодинамического цикла.
Необходимо отметить, что вопрос построения системы управления по сравнению с другими аспектами линейного генератора со свободным поршнем, несмотря на его центральное значение, очень скудно освещается в научной литературе.
Структура управления показана на рис. 5. Управляемыми переменными являются выходная мощность РоМ и момент зажигания t.gn , которые управляются посредством использования электрической силы Г. и энергии
Рис. 5. Схема контроллера линейного генератора со свободным поршнем [13]
топлива Qomb , как управляющих сигналов. Этот контроллер был разработан на ранних стадиях европейского проекта FPEC, и работа его происходит следующим образом:
1. Когда давление в камере сгорания достигает пикового значения в цикле сгорания, запускающий сигнал посылается в контроллер, который запускается всякий раз на каждом рабочем ходе.
2. ПИ-контроллеры управляют временем зажигания tgn и средней выходной мощностью Pout. Каждый раз запускаемые ими новые выходные значения посылаются в блок разделения.
3. ЛГСП является системой с многими переменными, и выходные сигналы P , и t зависят как от количества
m out tgn
теплоты Qomb , выделяемого в процесса сгорания топлива, так и от силы линейного генератора Fel . В блоке разделения снижается порядок этой перекрестной связи, что достигается посредством использования матрицы со значениями, определяемыми из RGA-анализа, подробно излагаемого в теории управления со многими переменными.
4. После блока разделения соответствующие значения Qcomb и Fel посылаются как входы для ГСП.
Использование альтернативных видов топлива
Как уже упоминалось выше, линейный генератор со свободным поршнем, благодаря возможности изменения степени сжатия в процессе работы и организации оптимального термодинамического процесса сгорания топлива, способен работать на разных топливах. Для этого необходимо изменять настройки в электронной таблице свойств топлив контроллера. Кроме того, контроллер, работая в режиме тестирования характеристик топлива (адаптивный режим), способен получить термодинамические характеристики топлива, загрузить их в электронную таблицу и оптимизировать сам термодинамический цикл.
В двигателе со свободным поршнем и гибким термодинамическим циклом, управляемым линейным генератором, возможно достижение режима воспламенения от сжатия гомогенного заряда - режима сгорания бедных смесей (HCCI). Коэффициент избытка топлива бедной смеси приблизительно равен 0,3. Реализация его в обычных двигателях весьма затруднительна, поскольку нужно сочетать высокую степень сжатия, сравнимую с дизельным циклом, большую однородность и точную температуру топливно-воздушной смеси.
За счет однородного сгорания топлива и наличия многих центров воспламенения продолжительность сгорания меньше, чем при воспламенении от искры или от сжатия (дизель), что повышает эффективность термодинамического цикла и снижает выбросы оксидов азота.
В работе [5] сообщается об эксперименте использования биогаза, представляющего собой бедную смесь водорода, оксида углерода и метана, недостаточную для воспламенения при искровом зажигании, а для сжигания в дизельном двигателе требующую дополнительного топлива. Результат использования биогаза показал эффективность двигателя со свободным поршнем.
Таким образом, создание силовой установки с линейным генератором и двигателем внутреннего сгорания со свободным поршнем представляет 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 на сегодняшний день все эти технологии можно считать достаточно глубоко разработанными, и проблема состоит лишь в разумном синтезе систем. Хотелось бы надеяться, что научный приоритет России в этой области не будет упущен.
Литература
1. Land transport and marine technologies, «RTD activities supported under the Growth Programme (p.20, FPEC)», 2002.
2. Arshad W.M., Sadarangani C., Bäckström T., Thelin P. Finding an Appropriate Electrical Machine for a Free Piston Generator, Department of Electrical Engineering KTH, the Royal Institute of Technlogy, Stockholm, SWEDEN, 2002.
3. Liu Y., Leksell M., Arshad W.M., Thelin P. Influence of Speed and Current Profiles upon Converter Dimensioning and Electrical Machine Performance in a Free-Piston Generator, Department of Electrical Engineering KTH, the Royal Institute of Technlogy, Stockholm, SWEDEN, 2003.
4. Blarigan P.V. Advanced internal combustion electrical generator, Proceedings of the 2001 DOE Hydrogen Program Review, 2001.
5. Blarigan P.V. Proiect Free-Piston Engine, 2011 DOE Vehicle Technologies Program Annual Merit Review, 2011.
6. www.sunpower.com
7. Atkinson C.M. and all. Numerical Simulation of a Two-Stroke Linear Engine-Alternator Combination, SAE TECHNICAL PAPER SERIES, March, 1999.
8. Carter D., Wechner E. The Free Piston Power Pack Sustainable Power for Hybrid The Free Piston Power Pack Sustainable Power for Hybrid, Pempek Systems Pty. Ltd Australia, 2003.
9. www.freepistonpower.com
10. Nemecek O.V.P. Control of two-stroke free-piston generator. Faculty of Electrical Engineering, Czech Technical University Prague, Czech Republic, 2007.
11. Vysoky O. Linear Combustion engine as main energy unit for hybrid vehicles, TRANSTEC Prague, 2007.
12. www.centaurproject.com
13. Hansson J. Analysis and control of a hybrid vehicle powered by a free piston energy converter. Licentiate thesis in electrical system, Royal institute of technology (KTH), Stockholm, Sweden, 2006.
