Frikolv linjär generator
Den linjära generatorn med fri kolv ( FPLG ) använder kemisk energi från bränsle för att driva magneter genom en stator och omvandlar denna linjära rörelse till elektrisk energi. På grund av dess mångsidighet, låga vikt och höga effektivitet kan den användas i ett brett spektrum av applikationer, även om den är av speciellt intresse för mobilitetsindustrin som räckviddsförlängare för elfordon.
Beskrivning
Linjärgeneratorerna för frikolvmotorer kan delas in i 3 delsystem:
- En (eller flera) reaktionssektioner med en eller två motsatta kolvar
- En (eller flera) linjära elektriska generatorer, som är sammansatt av en statisk del (statorn) och en rörlig del (magneterna) kopplade till kopplingsstaven.
- En (eller flera) returenheter för att trycka tillbaka kolven på grund av avsaknaden av en vevaxel (vanligtvis en gasfjäder eller en motsatt reaktionssektion)
FPLG har många potentiella fördelar jämfört med traditionell elektrisk generator som drivs av en förbränningsmotor. En av de största fördelarna med FPLG kommer från frånvaron av vevaxel . Det leder till en mindre och lättare generator med färre delar. Detta tillåter också en variabel kompression och expansionsförhållanden, vilket gör det möjligt att arbeta med olika typer av bränsle.
Den linjära generatorn tillåter också kontroll av motståndskraften, och därför en bättre kontroll av kolvens rörelse och av reaktionen. Den totala verkningsgraden (inklusive mekanisk och generator) för linjärgeneratorer med frikolv kan vara betydligt högre än konventionella förbränningsmotorer och jämförbar med bränsleceller.
Utveckling
De första patenten på linjärgeneratorer med frikolv är från omkring 1940, men under de senaste decennierna, särskilt efter utvecklingen av sällsynta jordartsmagneter och kraftelektronik, har många olika forskargrupper arbetat inom detta område. Dessa inkluderar:
- Libertine LPE, Storbritannien.
- West Virginia University (WVU), USA.
- Chalmers tekniska högskola, Sverige.
- Elgenerator, Pontus Ostenberg, USA - 1943
- Free Piston Engine, Van Blarigan, Sandia National Laboratory, USA - Sedan 1995
- Aquarius Engines, Israel.
- Free-Piston Engine Project, Newcastle University, Storbritannien - Sedan 1999
- Shanghai Jiaotong University, Kina.
- Free-Piston Linear Generator, German Aerospace Center (DLR), Tyskland - sedan 2002
- Free Piston Power Pack (FP3), Pempek Systems, Australien - 2003
- Gratis kolvenergiomvandlare, KTH Elektroteknik, Sverige - 2006
- Linjär förbränningsmotor, Tjeckiens tekniska universitet - 2004
- Linjär förbränningsgenerator integrerat kraftsystem, Xu Nanjing, Kina - 2010
- micromer ag (Schweiz) - 2012
- Linjärgenerator med fri kolvmotor, Toyota , Japan - 2014
Även om det finns en mängd olika namn och förkortningar för tekniken, hänvisar termerna "Free-piston linear generator" och "FPLG" särskilt till projektet vid German Aerospace Center.
Drift
Frikolvslinjärgeneratorn består i allmänhet av tre delsystem: förbränningskammare, linjärgenerator och returenhet (normalt en gasfjäder), som är kopplade genom en vevstake.
I förbränningskammaren antänds en blandning av bränsle och luft, vilket ökar trycket och tvingar de rörliga delarna (kopplingsstång, linjär generator och kolvar) i riktning mot gasfjädern. Gasfjädern komprimeras, och medan kolven är nära det nedre dödläget (BDC), sprutas frisk luft och bränsle in i förbränningskammaren, vilket driver ut avgaserna.
Gasfjädern trycker tillbaka de rörliga delarna till den övre dödpunkten (TDC), komprimerar blandningen av luft och bränsle som insprutades och cykeln upprepas. Detta fungerar på samma sätt som tvåtaktsmotorn , men det är inte den enda möjliga konfigurationen.
Den linjära generatorn kan generera en kraft som är motsatt rörelsen, inte bara under expansion utan även under kompression. Storleken och kraftprofilen påverkar kolvrörelsen, såväl som den totala effektiviteten.
Variationer
FPLG har utformats i många olika konfigurationer, men för de flesta applikationer, särskilt för bilindustrin, har fokus legat på två motsatta kolvar i samma cylinder med en förbränningskammare med en gasfjäder i slutet av varje cylinder. Detta balanserar ut krafterna för att minska vibrationer och buller. I det enklaste fallet är en andra enhet bara en spegel av den första, utan funktionell koppling till den första. Alternativt kan en enda förbränningskammare eller gasfjäder användas, vilket möjliggör en mer kompakt design och enklare synkronisering mellan kolvarna.
Gasfjädern och förbränningskammaren kan placeras på ändarna av kopplingsstavarna, eller så kan de dela samma kolv med motsatta sidor för att minska utrymmet.
Själva linjärgeneratorn har också många olika konfigurationer och former. Den kan utformas som ett runt rör, en cylinder eller till och med en platt platta för att minska tyngdpunkten och/eller förbättra värmeavledningen.
Den frikolvs linjära generatorns stora mångsidighet kommer från frånvaron av en vevaxel, vilket tar bort en stor pumpförlust, vilket ger motorn en ytterligare frihetsgrad. Förbränningen kan vara tvåtaktsmotor eller fyrtaktsmotor . En fyrtaktare kräver dock en mycket högre mellanlagring av energi, vevaxelns rotationströghet, för att driva kolven genom de fyra slagen. Med avsaknad av en vevaxel skulle en gasfjäder behöva driva kolven genom insugnings-, kompressions- och utmatningsrören. Därav anledningen till att det mesta av den aktuella forskningen fokuserar på tvåtaktscykeln.
Flera variationer är möjliga för förbränning:
- Gnisttändning ( Otto )
- Kompressionständning ( diesel )
- Homogen laddningskompressionständning ( HCCI )
DLR-forskningen
Institutet för fordonskoncept vid German Aerospace Center utvecklar för närvarande en FPLG (eller Freikolbenlineargenerator - FKLG) sedan 2002 och har publicerat flera artiklar om detta ämne.
Under de första årens forskning utvecklades den teoretiska bakgrunden tillsammans med de 3 delsystemen separat. 2013 byggdes och drevs det första hela systemet framgångsrikt.
Det tyska centret är för närvarande inne på sin andra version av hela systemet, där två motsatta cylindrar kommer att användas för att minska vibrationer och buller, vilket gör det lönsamt för bilindustrin.