Motor de pistones libres
A motor de pistones libres es un linear, 'crankless' motor de combustión interna, en que el movimiento del pistón no es controlado por un cigüeñal Pero determinado por la interacción de las fuerzas de la cámara de combustión gases, un dispositivo de rebote (por ejemplo, un pistón en un cilindro cerrado) y un dispositivo de carga (por ejemplo un compresor de gas o un alternador lineal).
La configuración básica de motores de émbolo libre es comúnmente conocida como único pistón, pistón de doble o pistones opuestos, refiriéndose al número de cilindros de combustión. El motor de pistones libres es en la práctica se limita a la dos tiempos funcionamiento, ya que un movimiento de energía se requiere cada ciclo longitudinalmente.
Contenido
- 1 Primera generación
- 1.1 Compresores de aire
- 1.2 Generadores de gas
- 2 Aplicaciones modernas
- 2.1 Hidráulico
- 2.2 Generadores
- 3 Características y ventajas potenciales
- 3.1 Ventajas
- 3.2 Desafíos
- 4 Referencias
- 5 Fuentes
- 6 Enlaces externos
Primera generación
En 1807, de Rivaz prueba un motor temprano que operaba un pistón libre en una cadena.[1] El moderno motor de pistones libres fue propuesto por R.P. Pescara [2] y la aplicación original era un pistón único compresor de aire. El concepto del motor era un tema de mucho interés en el período 1930-1960, y se desarrollaron una serie de unidades disponibles comercialmente. Estos motores de pistones libres de primera generación eran sin excepción se opuso a motores de pistón, en el que los dos pistones están enlazados mecánicamente para asegurar el movimiento simétrico. Los motores de pistón libre ofrece algunas ventajas sobre la tecnología convencional, incluyendo compacticidad y un diseño libre de vibraciones.
Compresores de aire
La primera aplicación exitosa del concepto libre del doble-pistón era como compresores de aire. En estos motores, cilindros del compresor de aire fueron acoplados a los pistones móviles, a menudo en una configuración de múltiples etapas. Algunos de estos motores utilizan el aire que queda en los cilindros del compresor para devolver el pistón, eliminando así la necesidad de un dispositivo de rebote.
Compresores de aire de pistones libres estaban en uso entre otros por la marina alemana y tenían las ventajas de alta eficiencia, compacidad y bajo nivel de ruido y vibración.[3]
Generadores de gas
Después del éxito del compresor de pistón sin aire, un número de grupos de investigación industrial comenzó el desarrollo de generadores de gas de pistones libres. En estos motores no hay ningún dispositivo de carga acoplada al motor mismo, pero el poder se extrae de una turbina del extractor. (La carga solamente para el motor es sobrealimentar a la entrada de aire).
Se desarrollaron una serie de generadores de gas de pistones libres, y estas unidades eran de uso generalizado en aplicaciones a gran escala tales como centrales eléctricas estacionarias y marinos.[4] Intentó utilizar generadores de pistón sin gas para la propulsión de vehículos (por ejemplo en locomotoras de turbina de gas) pero sin éxito.[5][6]
Aplicaciones modernas
Las aplicaciones modernas del concepto libre del doble-pistón incluyen motores hidráulicos, destinados a los vehículos fuera de carretera y generadores de motor de pistón libre, destinados para el uso con los vehículos eléctricos híbridos.
Hidráulico
Estos motores suelen ser del tipo de pistón único, con el cilindro hidráulico actúa como dispositivo de carga y la recuperación mediante un sistema de control hidráulico. Esto da la unidad alta flexibilidad operativa y carga parcial excelente rendimiento se ha divulgado para tales motores.[7][8]
Generadores
El uso de un motor de pistones libres con una Generador lineal está siendo investigado por un número de grupos de investigación, impulsada por el creciente interés en el concepto de vehículo eléctrico híbrido como extensores de rango en la industria automotriz. El primer generador de pistones libres fue patentado en 1959,[9] y desde entonces, se han propuesto una serie de variaciones. Los ejemplos incluyen el Stelzer Motor y el pistón Power Pack gratis fabricado por Sistemas de Pempek basado en una patente alemana.[10] Un generador lineal pistón opuesto pistón libre fue demostrado en 2013 en el Centro Aeroespacial Alemán (Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt; DLR). [11]
Estos motores son principalmente de tipo pistón doble, dando una unidad compacta con alto cociente del energía-a-peso. Un reto con este diseño es encontrar una máquina eléctrica con suficientemente bajo peso y desafíos de control en el formulario de altas-a-ciclo variaciones se han divulgado para motores de pistón doble.[12][13]
En junio de 2014 Toyota mostró un prototipo llamado el libre del pistón del motor Linear generador (FPEG). Como el pistón es forzado hacia abajo durante el movimiento de su energía, pasa a través de las bobinas en el cilindro para generar una explosión de electricidad de la CA trifásica. Completa un ciclo completo en sólo dos tiempos pero utiliza los mismos pasos como un motor de cuatro tiempos tradicional para mantener la alta eficiencia y bajas emisiones. El diseño utiliza inyección directa de gasolina y válvulas electrónicamente. El motor puede modificarse para su uso con cualquiera diesel o gasolina y puede funcionar en virtud de compresión para el combustible diesel o chispa para gasolina regular.
Toyota asegura una eficiencia térmica rating de 42% en uso continuo, enormemente superior a promedio de hoy de 25-30%. Un bicilíndrico FPEG es inherentemente equilibrado y Toyota demostró un 24 pulgadas largo por 2,5 en unidad de diámetro que salidas hasta 15 hp (mayor de 11kW).[14]
Características y ventajas potenciales
Las características operacionales de los motores de pistón sin difieren de las de los motores convencionales, cigüeñal. La principal diferencia es debido al movimiento del pistón no está restringida por un cigüeñal en el motor de pistones libres, llevando a la característica potencialmente valiosa de la relación de compresión variable. Esto, sin embargo, también presenta un desafío de control, puesto que la posición de los centros muertos debe ser controlada con precisión para garantizar la ignición del combustible y una combustión eficiente y para evitar presiones excesivas en cilindros o, peor aún, el pistón golpea la cabeza del cilindro.
Ventajas
Las ventajas potenciales del concepto de pistón sin incluir
- Diseño sencillo y con pocas piezas móviles, dando un motor compacto con bajos costos de mantenimiento y reducido las pérdidas por fricción.
- La flexibilidad operativa a través de la relación de compresión variable permite optimizar la operación para todas las condiciones de funcionamiento y operación multi-combustible. El motor de pistón sin más está bien adaptado para encendido por compresión carga homogénea Operación (HCCI).[15]
- Pistón alta velocidad alrededor de punto muerto superior (TDC) y una expansión de movimiento rápido poder mejora la mezcla de aire y combustible y reduce el tiempo disponible para las pérdidas de transferencia de calor y la formación de emisiones dependientes de la temperatura como los óxidos de nitrógeno (NOx).[16][17]
Desafíos
El principal desafío para el motor de pistones libres es el control del motor, que sólo puede decirse a resolverse completamente para motores hidráulicos de pistones libres monopistón. Cuestiones como la influencia del ciclo a variaciones en el rendimiento de proceso y motor de combustión durante la operación transitoria en los motores de pistón doble son temas que se necesitan más investigación. Motores del cigüeñal pueden conectar los accesorios tradicionales tales como alternador, bomba de aceite, bomba de combustible, sistema de enfriamiento, motor de arranque etc..
Movimiento rotatorio para hacer girar los accesorios convencionales del motor del automóvil tales como alternadores, compresores de aire acondicionado, bombas de dirección asistida y dispositivos anticontaminación pudiera ser capturada de una turbina situada en la corriente de escape.
Referencias
- ^ "Automóvil trimestral". Automóvil trimestral (Instituto de Princeton para la investigación histórica) 24 (1): 7. 1986.
- ^ Pescara R.P., aparato de Motor compresor, Patente 1.657.641, 1928.
- ^ W.T. Toutant, Worthington – Junkers el compresor de pistón sin aire, Revista de la sociedad americana de ingenieros navales 1952:64:583 – 594.
- ^ Londres A.L., A.K. Oppenheim, el desarrollo libre del doble-pistón, estado actual y aspectos de diseño Las transacciones de la ASME 1952:74:1349 – 1361.
- ^ Underwood A.F., motor de '' HYPREX'' de la GMR 4-4 – un concepto del motor de pistones libres para uso automotriz, SAE transacciones 1957:65:377 – 391.
- ^ Frey D.N. et al., el motor libre de pistón-turbina de automoción, SAE transacciones 1957:65:628 – 634.
- ^ Mira P.A.J. et al., caballos de fuerza con el cerebro: el diseño del motor de pistones libres Chiron, SAE papel 2000 – 01 – 2545, 2000.
- ^ Brunner H. et al., Renacimiento einer Kolbenmachine, 2005:4:66 Antriebstechnik – 70.
- ^ Fuentes de Baruch S.N. Power. Patente 2.900.592, 1959.
- ^ Willimczik W. Hubkolbenmaschine mit elektrischem Triebwerk, insbesondere Hubkolben-Lineargenerator, 593 WP113, 1974
- ^ Prof. Dr.-Ing.. Horst E. Friedrich, Centro Aeroespacial Alemán (DLR), [1], 19 de febrero de 2013
- ^ Clark N. et al., modelado y desarrollo de un motor lineal, Conferencia de primavera de ASME proc., combustión interna del motor división, 1998:30:49 – 57.
- ^ Tikkanen S. et al., primeros ciclos del motor de doble pistón hidráulico gratis, SAE papel 2000 – 01 – 2546, 2000.
- ^ Cammisa, Jason (30 de junio de 2014). "No hay cigüeñal, no hay problema: motor de pistones libres de Toyota es brillante". Carretera y pista.
- ^ Generador eléctrico de van Blarigan P. Advanced combustión interna
- ^ Mikalsen R, Roskilly A.P. El diseño y simulación de un motor de dos tiempos pistón sin compresión para generación de energía eléctrica. Aplicar ingeniería térmica, volumen 28, temas 5-6, páginas 589-600, 2008. [2]
- ^ Mikalsen R, Roskilly A.P. Un estudio computacional de libre-pistón diesel motor de combustión. Aplica energía, volumen 86, temas 7-8, páginas 1136-1143, 2009. [3]
Fuentes
- R. Mikalsen, Roskilly A.P. Una revisión del motor de pistón sin historia y aplicaciones. Ingeniería térmica aplicada, Volumen 27, temas 14-15, páginas 2339-2352, 2007. [4].
Enlaces externos
- Presentación suizo sobre motores de pistones libres
- Y BV
- Universidad de Newcastle
- Universidad de Vanderbilt libre pistón del motor compresor
- "Motor de mañana - va a trabajar hoy." Divulgación científica, De septiembre de 1957, pp. 138-141/294, detallado artículo/cutaway dibujo en los motores diesel de pistones libres.
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