CZ21599U1 - Lineární motorgenerátor s volnými písty - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká lineárního motorgenerátoru s volnými písty.

Dosavadní stav techniky

Motory s volnými písty jsou zvláštní kategorií termodynamických strojů, jejichž pístový systém není spojen kinematicky s nějakou výstupní hřídelí. Výstupem těchto motorů tedy není mechanický výkon na výstupním hřídeli, ale má nějakou odlišnou formu. Nejěastěji je to elektrický výkon, který se vytváří pomocí lineárního elektrického motorgenerátoru. Ten je pevně spojen s pístovou skupinou motoru. Obdobně může být na výstupu výkon pneumatický nebo hydraulický, v obou případech se předpokládá bezpřevodové využití translačního pohybu pístové skupiny. Princip těchto motorů je popsán již několik desetiletí, dodnes však je jejich využití v průmyslu velmi omezené a okrajové. Důvodem je především komplikované řízení těchto motorů, které bez možností současné technologie mikropočítačů a prvků výkonové elektroniky bylo dříve prakticky nerealizovatelné, V současné době zájem naopak roste, protože dnešní technologické možnosti umožňují konstrukci adekvátních řídicích systémů a dají se proto využít ostatní výhodné přednosti těchto motorů. Výzkumné práce na motorech s volnými písty se provádí především na špičkových univerzitách a u některých výrobců automobilů. Existuje řada prototypů nebo funkčních vzorků těchto motorů, vzniklých vesměs na univerzitách v US, GB, CZ, DE, SE, JP, AU, ale v současnosti není znám žádný průmyslový výrobek této kategorie na trhu. Kinematický koncept se volí podle požadovaného výkonu. Pro malé výkony může být výhodná koncepce jedno válcová, zde vratný pohyb pístu zajišťuje přídavná pružina. Pro vyšší výkony se obvykle používá dvouválcové uspořádání. Typickou konfiguraci této dvou válcové varianty využívají např. experimentální motory LCE-01, LCE-02 a LCE02P, navržené a postavené kolektivem předkladatele na ČVUT Praha, fakulta elektrotechnická. Princip je na obr. 1. Podobnou koncepci mají vý25 zkumné projekty na West Virginia University, US, projekt Volvo spolu s Chalmers University v Goteborgu, SE. Velmi zajímavý je projekt na Sandia National Laboratory, US, který navíc počítá se spalováním chudé směsi při extremně vysokém kompresním poměru až 1 : 40. Unikátní je projekt firmy Pempek, AU, zde zatím lze pouze obdivovat pěkné animace a předkládané vysoké měrné výkony, které pokud je známo, nejsou dostatečně podloženy experimentem. Tento přehled samozřejmě není úplný. Společným rysem všech těchto konstrukcí je experimentální charakter a nelze tedy porovnávat parametry podle nějakého průmyslového vzoru. Na základě teoretických i experimentálních výsledků s motory LCE01 a LCE02 a porovnáním s výše uvedenými konstrukcemi byly stanoveny meze možností motorů s kinematickým principem podle obr. 1.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny lineárním motorgenerátorem s volnými písty podle tohoto řešení. Jeho podstatou je to, že je tvořen alespoň dvěma válci s hlavami a s písty propojenými s pístními tyčemi. K jedné pístní tyči je připojen rotor a k druhé pístní tyči je připojen stator pro zajištění magnetické vazby mezi rotorem a statorem. Stator je opatřen výstupními svorkami a konce pístních tyčí jsou opatřeny pružinami.

Pro jasnost se uvádí, že lineární motor vznikne rozříznutím a rozvinutím statoru i rotoru točivého motoru. U klasického motoru je označení stator a rotor jasné, ale u lineárního jsou, jednoduše řečeno, dva ploché díly. Většinou se jako stator označuje část s magnety. A rotor je pohybující se část s vinutím. V daném případě se pohybuje rotor i stator.

Hlavy dvoutaktních spalovacích motorů jsou v případě zážehové verze stroje s výhodou opatřeny zapalovacími svíčkami a tlakovými elektronickými vstřikovači plyúného nebo kapalného paliva, U vznětové verze stroje jsou v hlavách tlakové vstřikovače nafty a veškeré další elementy pro zajištění optimálního spalování. Na sacím potrubí může být umístěno turbodmychadlo propojené

-1 CZ 21599 Ul s elektromotorem spojeným s řídicí jednotkou a přívodní větve sacího potrubí k hlavám motoru jsou s výhodou opatřeny jazýčkovými ventily.

Na vstupu výfukového potrubí je ve výhodném provedení připojena turbína a propojena s elektrickým generátorem.

Pružiny mohou být mechanické nebo pneumatické nebo hydraulické nebo různě kombinované z uvedených možností.

Společný blok válců pouze na jedné straně motoru technologicky zjednodušuje systémy chlazení, výfukový systém, systém sání, kabeláž. Takové řešení zvyšuje i výkonovou hustotu celého stroje.

Vyplachování válců nezávislým dmychadlem, poháněným elektromotorem zlepšuje plnění válců a umožňuje přechod na přeplňovaný mod práce motoru s jednoduchým a přesným řízením plnění válců. To vede ke zvyšování výkonu a účinnosti motoru.

Nová konfigurace lineárního motorgenerátoru předpokládá, že rotorová část motoru tj. magnety, je součástí jedné pístní tyče a statorová část tj. cívky, je součástí druhé pístní tyče sousedního pístu. Při stejných hmotách obou částí motoru a protiběžného pohybu obou pístů, je vzájemná rychlost rotoru a statoru dvojnásobná. Výsledkem je možnost zásadního snížení hmoty celého lineárního motoru pri zachování původního výkonu.

Časování rozvodu motoru je technickými prostředky navrženo tak, aby zbytková kinetická energie expandujících výfukových plynů byla využita výfukovou turbinou. Turbina je spojena s elektrickým generátorem, který vyrobenou energii využívá především pro hrazení výkonu elekt20 rického turbodmychadla a dále může být doplňkovým výkonem hlavního, lineárního generátoru. Výhodou tohoto uspořádání je snadné řízení tohoto přídavného výkonu na elektrické straně.

Uvedené řešení zvyšuje výkonové parametry motorů s volnými písty, zvyšuje hustotu výkonu, termodynamickou účinnost stroje a současně umožňuje zjednodušení mechanické sestavy stroje. Pružinový systém a hmota pohyblivé části určují kmitočet mechanické rezonance systému, pri které stroj pracuje. Zásadní výhodou práce pouze v jednom pracovním bodě při mechanické rezonanci je možnost dokonale optimalizovat spalovací proces, jehož důsledkem je vyšší termodynamická účinnost. Proto se předpokládá automatické vypínání motoru při nízkém odběru energie a kooperace s dalšími zdroji energie, například na palubě vozidla.

Přehled obrázků na výkresech

Příkladný lineární motorgenerátor s volnými písty, podle tohoto technického řešení bude podrobněji popsán na konkrétním příkladu provedení s pomocí přiloženého výkresu, kde na obr. 1 je znázorněno schéma stávajících motorgenerátorů a na obr. 2 je schematicky znázorněn v řezu příkladný motorgenerátor.

Příklady provedení technického řešení

Zážehová verze lineárního motorgenerátoru s volnými písty 15, 16 je tvořena dvěma válci 1, H s hlavami 4, 10 a s písty 15.16, propojenými s pístní tyčí 19, 20. K jedné pístní tyči 19 je připojen rotor 17 a k druhé pístní tyči 20 je připojen stator 18 pro vytvoření magnetické vazby mezi rotorem 12 a statorem 18. Stator 18 je opatřen výstupními svorkami 23, 24, 25 a konce pístních tyčí 19, 20 jsou opatřeny mechanickými pružinami 21, 22. Hlavy 4, 10 dvoutaktních spalovacích motorů jsou opatřeny zapalovacími svíčkami 2, 9 a tlakovými elektronickými vstrikovači 3, 8 paliva.

Na sacím potrubí 7 je umístěno turbodmychadlo 5 propojené s elektromotorem 6 spojeným s řídicí jednotkou a přívodní větve sacího potrubí 7 k hlavám 4, W motoru jsou opatřeny jazýčkovými ventily 26, 27. K výfukovému potrubí 15 je připojena turbína 13 připojená k elektrickému generátoru 14.

-2 CZ 21599 Ul

Základem řešení jsou tedy dva válce 1, li s písty 15, 16 vedle sebe. Každý píst L5, 16 je pístní tyčí 19, 20 spojen s jednou částí lineárního motorgenerátoru a současně s pružinovým systémem s pružinami 21, 22, zajišťujícím operace v okolí mechanické rezonance systému. Na jedné pístní tyči 19 je umístěn rotor 17 lineárního generátoru a na druhé pístní tyči 20 je umístěn stator 18, obsahující systém cívek s přívodními svorkami 23. 24. 25. Konstrukce je navržena tak, aby obě části motoru měly stejnou hmotu pro zajištění identické rezonanční frekvence. Pohyb obou pístních tyčí 19, 20 je protiběžný a vzájemná rychlost obou částí motoru je dvakrát vyšší než pístová rychlost každého pístu 15, 16. Využitím tohoto řešení lze navrhnout elektrickou část stroje s výrazně sníženou hmotností. Současně jsou i menší problémy s vibracemi celého stroje v porovnání s koncepcí klasickou podle obr. 1.

Základní termodynamický cyklus je dvoutaktní. Tradiční nevýhody tohoto termodynamického oběhu tj. špatné vyplachování a únik nové směsi do výfukového systému, jsou vyřešeny tlakovým vstřikováním paliva do spalovacího prostoru s použitím stlačeného vzduchu. S tímto zařízením lze dosáhnout podobných exhalačních parametrů jako u čtyrtaktního motoru. Vyplachování je řešeno nezávislým turbodmychadlem 5, poháněným elektrickým motorem 6. Hmotnostní podíl vzduchu, který se po uzavření rozvodových kanálů ve válci 1, 11 komprimuje, je nelineární funkcí otáček elektrického motoru 6 turbodmychadla 5. Řízení požadovaného výkonu stroje lze při tomto uspořádání zajistit regulací otáček elektrického motoru 6 turbodmychadla 5.

Zbytková kinetická energie výfukových plynů je předána turbině 13 ve výfukovém potrubí 12. Turbina 13 je spojena s vysokootáčkovým elektrickým generátorem 14. Výstupní výkon tohoto generátoru 14 především hradí výkon elektrického turbodmychadla 5 a další eventuální výkon se připojuje k elektrickému výstupu celého stroje.

Proti každému pístu 15,16 je na opačné straně pístní tyče 19, 20 pružina 21, 22, která může být mechanická nebo pneumatická. Její charakteristika je navržena tak, aby při dané hmotě pohyblivé části - píst 15, 16, pístní tyč 19, 20, pohyblivá část generátoru 14, byla vytvořena kmitavá soustava, jejíž rezonanční frekvence odpovídá požadované pracovní frekvenci stroje. Oba písty 15. 16 pracují v protiběžném režimu. Základní synchronizace obou pístů 15. 16 je zajištěna počáteční polohou pístů 15,16 v okamžiku startu, tj. oba písty 15.16 jsou v homí úvrati, kdy lineární generátor 14 pracuje v motorovém režimu. Po dosažení požadované amplitudy kmitů je přesná synchronizace zajištěna řídicím systémem. Ten určuje dávku paliva pro každý píst 15, i£ a okamžik zážehu v konkrétním termodynamickém cyklu. Magnetická vazba mezi rotorem 17 a statorem 18 při protiběžném pohybu pístů 15, 16 disponuje s dvojnásobnou rychlostí proti rychlosti pístové, což způsobuje výrazné snížení rozměrů a hmoty celého lineárního motorgenerátoru, pokud se zajistí stejné hmoty rotoru 17 i statoru 18 a použijí se stejné mechanické nebo pneumatické pružiny 21, 22. Tím vzniká kmitavá soustava, pracující v oblasti své rezonanční frekvence, kde je v rovnováze přírůstek energie dodané systému shořením dávky paliva v každém cyklu a odvodem elektrické energie do zátěže přes výstupní svorky 23, 24, 25, přitom energie stlačené pružiny 21 zajistí zpětný pohyb pístní tyče 19 a pístu 15 ve fázi komprese, současně probíhá vyplachování výfukových plynů z předchozího cyklu a náplň nového odměřeného množství vzduchu pro nový cyklus a to zajišťuje turbodmychadlo 5, kterým otáčí elektrický motor 6 a jehož otáčky jsou řízeny řídicí jednotkou tak, aby se zajistil přesný požadovaný poměr palivo/vzduch v následujícím cyklu a rozdělení, do kterého válce 1, 11 se nová dávka vzduchu dostane se zajistí, jazýčko vými ventily 26, 27, umístěnými v sacím potrubí 7.

Průmyslová využitelnost

Lineární motorgenerátor s volnými písty, podle tohoto technického řešení nalezne uplatnění především v oboru hybridních vozidel, jako základní jednotka výkonu vozidla. Při této aplikaci se předpokládá kooperace s dalšími energetickými zdroji na palubě s různými výkonovými hustotami. Lineární motorgenerátor je navržen tak, aby vozidlu zajistil stálou požadovanou rychlost v ustáleném stavu. Přechodové stavy jako rozjezd vozidla nebo rekuperační brzdění je zajištěno spoluprácí tohoto motorgenerátoru a dalšími palubními zdroji s vysokou výkonovou hustotou,

-3CZ 21599 Ul například superkondenzátory. Další aplikační oblastí jsou systémy UPS s požadavkem na rychlý start náhradního zdroje. Velmi zajímavá aplikace jez oblasti kogenerační ch jednotek. V tomto případě je pravděpodobnější úprava pro spalování plynných uhlovodíků typu LPG nebo zemní plyn.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (6)

1. Lineární motorgenerátor s volnými písty, vyznačující se tím, že je tvořen alespoň dvěma válci (1, 11) s hlavami (4, 10) a s písty (15, 16) propojenými s pístní tyčí (19, 20), přičemž k jedné pístní tyči (19) je připojen rotor (17) a k druhé pístní tyči (20) je připojen stator (18) pro vymezení magnetické vazby mezi rotorem (17) a statorem (18), stator (18) je opatřen io výstupními svorkami (23, 24, 25) a konce pístních tyčí (19, 20) jsou opatřeny pružinami (21, 22).

2. Lineární motorgenerátor podle nároku 1, vyznačující se tím, že hlavy (4, 10) spalovacích motorů jsou opatřeny zapalovacími svíčkami (2, 9) a tlakovými elektronickými vstřikovaČi (3, 8) paliva při zážehové verzi stroje.

3. Lineární motorgenerátor podle nároku 1, vyznačující se tím, že hlavy (4, 10) 15 spalovacích motorů jsou opatřeny tlakovými elektronickými vstrikovači paliva při vznětové verzi stroje.

4. Lineární motorgenerátor podle nároku 2, vyznačující se tím, že na sacím potrubí (7) je umístěno turbodmychadlo (5) propojené s elektromotorem (6) spojeným s řídicí jednotkou a přívodní větve sacího potrubí (7) k hlavám (4, 10) motoru jsou opatřeny jazýčkovými

20 ventily (26, 27).

5. Lineární motorgenerátor podle kteréhokoli z uvedených nároků, vyznačující se tím, že k výfukovému potrubí (15) je připojena turbína (13) připojená k elektrickému generátoru (14).

6. Lineární motorgenerátor podle kteréhokoli z výše uvedených nároků, vyznačující 25 s e t í m , že pružiny (21, 22) jsou mechanické a/nebo pneumatické a/nebo hydraulické a/nebo kombinace těchto možností.