Исследование особенностей проектирования свободнопоршневого электрогенератора

УДК 621.01

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВОБОДНОПОРШНЕВОГО ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА

© 2000 Д.В. Герасимов

Самарский научный центр РАН

Рассмотрены особенности и подходы к проектированию свободнопоршневого генератора с преобразованием поступательного движения поршня в электрическую энергию. Определены основные режимы работы системы управления такого двигателя.

Вспомогательная бортовая энергетическая установка, как и силовая установка современного транспортного средства, имеет развитую систему управления процессами смесеобразования, воспламенения рабочей смеси, систему шумоглушения, нейтрализации выхлопных газов. Сложности создания и взаимодействия этих систем определяют, прежде всего, недостатки кривошипно-шатунного механизма машины объёмного вытеснения традиционных двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

При композиции (поиске) силового агрегата с механической связью конструкция механизма машины объёмного вытеснения должна обладать высокой степенью надёжности, обеспечивать экономичную и экологически чистую его работу в широком диапазоне выходных оборотов, что на практике выполняется применением сложных систем управления.

Требования к перспективному силовому агрегату допускают получение на выходе как механической, так и электрической или гидравлической энергии. В зависимости от этой связи двигатели силовой установки могут иметь различные принципиальные схемы.

Композицию механизма силового агрегата - генератора электрической энергии рационально проводить для механизмов машин объёмного вытеснения с минимальным числом подвижных звеньев, одновременно создавая и систему управления, обеспечивающую режим запуска и режимы работы при различных нагрузках.

Исходя из вышеперечисленных требований, предъявляемых к конструкции силовой

установки (СУ), разработана конструкция свободнопоршневого электрогенератора. Свободнопоршневой электрогенератор (СПЭГ) представляет собой линейный двигатель внутреннего сгорания, в котором в результате взаимодействия магнита-поршня с обмоткой катушки в ней наводится электродвижущая сила (ЭДС) индукции. Линейный двигатель отличается существенной простотой конструкции (в нём всего одна движущаяся деталь - поршень) и малой удельной массой [1].

Выбраны два направления исследования СПЭГ.

Первое направление - совершенствование узла катушка-магнит с целью максимального использования энергетических возможностей этой системы (нахождение максимального КПД линейного электрогенератора), выбор оптимальных геометрических и магнитных характеристик как магнита, так и катушки.

Второе направление - совершенствование теплотехнических характеристик линейного двигателя, отличительная особенность которого - работоспособность при изменяющейся степени сжатия, что, наряду с отсутствием боковых нагрузок поршня на цилиндр, ведёт к повышению эффективного КПД.

Принцип получения электрической энергии в ДВС основан на возникновении электромагнитной энергии в результате взаимодействия поступательно движущегося магнита в неподвижной катушке, состоящей из большого числа витков проволоки:

Е} = йФШ, иначе Е} = V[dФ/ds], где Е} - ЭДС индукции;

а)

б)

Рис. 1. Изменение магнитного потока (а) и ЭДС индукции (б) от перемещения поршня-магнита диаметром ё=0,029м сквозь один виток проволоки катушки

Ф - магнитный поток, создаваемый постоянным магнитом;

V - скорость движения поршня; з - перемещение поршня.

При создании высокоэффективного СПЭГ необходимо совершенствовать как электротехническую (йФ/й$), так и теплотехническую (V) часть и искать их совместный оптимум.

Электрическая составляющая ЭДС является функцией многих переменных. Так ёФ/ёз - функция диаметра цилиндра, характеристик магнита, количества витков проволоки, материала, способа намотки проволоки и др.

Электрический КПД линейного генератора электроэнергии несколько меньше электрического КПД кругового генератора, вызванного несинусоидальностью периодически меняющейся ЭДС индукции (рис.1б) цэл = 0,7...0,9 [2]. Механический КПД СПЭГ близок к единице (пм ~ 1,0) из-за минимального трения поршня о стенки цилиндра и отсутствия потерь в подшипниках (из-за отсутствия вращающихся частей). Можно запи-

сать, что общий (эффективный) КПД СПЭГ:

Ле = Л/  Лэл  Лм где Л / - индикаторный КПД.

ЭДС индукции характеризуется скоростью изменения магнитного потока, проходящего сквозь обмотки катушки .

Магнитный поток в любой момент времени (рис.1а): 2 2

Ф = к  [(2т^ с1Б$(г) )/йг +а Б5(г)/ёг ]. где Б$ - проекция вектора магнитной индукции на ось катушки,

г - внутренний радиус катушки.

Сила, действующая на магнит со стороны катушки

Рк = т  (ёБ$^), где т - дипольный момент магнита.

Анализируя график изменения ЭДС для одного витка проволоки катушки (рис.1а,б) можно предложить, что для увеличения КПД линейного генератора (состоящего из большого числа витков проволоки, расположенных вдоль оси движения поршня) и устранения вредных индукционных токов рационально применение многосекционной катушки (параллельное соединение витков проволоки).

Теплотехническая составляющая СПЭГ также является функцией многих переменных. Так скорость движения поршня является функцией диаметра цилиндра d, хода поршня я, параметров продувки цилиндра, массы поршня тп, и т.д.

Отличительная особенность свободнопоршневого двигателя заключается в возможности достижения автоматического регулирования степени сжатия в величины полезной нагрузки, что позволяет двигателю работать на оптимальных частотах колебательного движения поршня.

В качестве примера определены основные кинематические и динамические характеристики для СПЭГ с общим объёмом цилиндров Vh = 9,2 см3 в расчётной точке с частотой движения поршня / = 8020,8 циклов/мин и геометрической степенью сжатия е = 20 (рис.2а, б, в).

Из уравнения движения линейного двигателя

Рр - Рс + рм = та% где Рр - сила расширения газов в цилиндре; Рс - сила сжатия газов в цилиндре;

р, Па

а)

V, м/с

б)

в)

Рис. 2. Изменение давления газов р в цилиндре (а), скорости V (б) и ускорения поршня а (в) от перемещения поршня вдоль цилиндра от одной до другой мёртвых точек линейного двигателя

¥м~ 0 сила трения в цилиндре.

Можно определить ускорение а8 и скорость V перемещения магнита-поршня в цилиндре (рис.2):

а = (Рр - Ре)/ тп,

V=,

где тп - масса поршня.

Изменение скорости поршня ^У, влияющее на ЭДС индукции, определяет КПД электрической части двигателя и является функцией многих переменных, в частности / (частоты движения поршня), е(степени сжатия), &4?(отношения хода поршня к диаметру цилиндра), тп, качества продувки и др.

Проанализировано влияние массы поршня тп и диаметра рабочего цилиндра ё (при

неизменном объёме цилиндров Vh = 9,2 см3) на теплотехнические характеристики СПЭГ (рис.3). Как видно из графиков, уменьшение массы поршня наряду с увеличением диаметра рабочей камеры повышает частоту движения поршня. Увеличение диаметра ограничивается уменьшением полезной длины катушки (вследствие уменьшения хода поршня), а также ухудшением продувки цилиндра [3]. Уменьшение массы поршня лимитируется прочностью конструкции и магнитными свойствами магнита.

Отличительная особенность работы СПЭГ - работа в узком диапазоне рабочих частот движения поршня (так при изменении степени сжатия е с 5 до 20 частоты / лежат в пределах от 6000 до 8000 циклов/мин). Возможность выхода сразу на повышенные частоты приводит к увеличению детонационной стойкости двигателя в целом, а также устраняет некоторые проблемы с уравновешенностью системы.

Большинство известных конструкций свободнопоршневых генераторов электроэнергии, поршни которых связаны с магнитами, перемещающимися вдоль оси неподвижных соленоидов, выполнены с механическими системами газораспределения и воспламенения топлива. Создание микропроцессорной системы управления СПЭГ значительно расширяет его возможности и область практического применения.

Определены четыре основных режима этой системы.

Режим основной. Ведущее звено - поршень, совершающий перемещения за счёт циклически изменяющегося давления в рабочей камере цилиндра; магнит возбуждает в обмотке катушки переменное напряжение (режим электрогенератора).

Режим запуска. Ведущее звено - магнит, совершающий перемещения за счёт подачи напряжения изменяющейся частоты на обмотку катушки; поршень создаёт в рабочей камере цилиндра давление рабочей смеси (режим электродвигателя).

Режим контроля. Если в режиме запуска достигнуто воспламенение смеси в рабочей камере (зажигание), осуществляется переход к режиму электрогенератора.

1 / / / 1

/ / / / /

/ / / / /

/ / / у

/ * у

0 0 4 .1

1 _ тп = 66 г., d = 15 мм.,

Уь (е = 20) = 9,2 см3.

2 Шп = 133 г., d = 15 мм.,

Уь (е = 20) = 9,2 см3.

3 — -- Шп = 66 г., d = 21 мм.,

Уь (е = 20) = 9,2 см3.

4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

1, цикл/мин

Рис. 3. Влияние массовых и геометрических показателей подвижного элемента (поршня) на изменение

степени сжатия е и частоту движения поршня

Если в основном режиме к моменту достижения максимального давления в рабочей камере отсутствует зажигание, то задаётся переход к режиму электродвигателя на частоте основного режима.

Режим регулирования. При изменении нагрузки на электрогенератор по определённой программе осуществляется подача топлива и момент искрообразования по сигналам датчиков положения поршней или давления в рабочей камере, корректируя работу СПЭГ.

Смена режимов контроля и регулирования происходит автоматически как при запуске, так и при работе электрогенератора.

Помимо всего вышеперечисленного система управления СПЭГ должна включать систему зарядки аккумулятора, систему выпрямления переменного (несинусоидального) тока, вырабатываемого СПЭГ, систему поддержания постоянства напряжения, поступающего на обмотки аккумулятора и к потребителю.

Система СПЭГ-аккумулятор (СА) предполагает как совместную, так и раздельную работу СПЭГ и аккумулятора в качестве выработки электроэнергии потребителю. Система управления должна обеспечить оптимальную работу комбинации СА, так при разрядке аккумулятора включается в работу СПЭГ, который в свою очередь подзаряжает

аккумулятор и вырабатывает электроэнергию потребителю; при увеличении потребностей в электроэнергии осуществляется совместная их работа.

Необходимость применения относительно сложной микропроцессорной системы ограничивает возможности создания «идеального» СПЭГ, а использование внешнего источника электропитания несколько ограничивает область его применения. Практический интерес могут представлять и варианты СПЭГ с менее совершенной системой управления.

На основе анализа известных конструкций с учётом многообразия физических эффектов преобразования энергии можно выделить несколько перспективных направлений исследований:

1. Поиск вариантов СПЭГ с развитой микропроцессорной системой управления.

2. Поиск вариантов СПЭГ различной мощности с механической или электрической схемой управления.

3. Поиск вариантов СПЭГ для работы на альтернативных видах топлива.

Приведённые выше направления исследований требуют различных подходов как к формулированию технических требований, так и к выбору принципиальных схем перспективных энергоустановок [2].

Создано методическое обеспечение

обобщённой модели СПЭГ, обеспечивающей на всех этапах проектирования количественный и качественный сравнительный анализ различных вариантов [3].

Современные конструкционные материалы позволяют существенно снизить массу подвижных частей СПЭГ, а следовательно, увеличить частоту их колебательных движений, что снижает вес и габариты электрогенератора.

Математическое моделирование убедительно доказывает перспективность силовых установок со съёмом мощности в виде электрической энергии, а, следовательно, и практическую полезность научно-исследовательских работ в данном направлении.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Семёнов Б.П., Герасимов Д.В. Примитивизм как направление композиции механизмов двигателя // Motauto99 Proceeding, Internal Combustion Engines. Plovdiv. 1999.

2. Нейман Л.Р., Демирчан К.С. Теоретические основы электротехники. Л.: Энергия, 1967.

3. Орлин А.С. Теория рабочих процессов поршневых и комбинированных двигателей. М.: Машиностроение, 1971.

4. Семёнов Б.П., Косенок Б.Б., Тихонов А.Н. Модульное моделирование механизмов. Самара: СГАУ, 1997.

RESEARCH OF FEATURES OF DESIGNING OF THE LINEAR ENGINE WITH ELECTRICAL TRANSFORMATION OF ENERGY OF MOVEMENT

OF THE PISTON

© 2000 D.V. Gerasimov

Samara Science Centre of Russian Academy of Sciences

Prospects of use of the Piston engine as power part of a vehicle with transformation of a forward movement of the piston to electrical energy are considered in the Scientific article.