Свобода - в движении
Поговорка «Новое - это хорошо забытое старое» как нельзя лучше применима к такой тепловой машине, как свободнопоршневой двигатель. Терминология здесь ещё до конца не устоялась, поэтому подобные силовые агрегаты называют по-разному: СПД (свободнопоршневой двигатель), СПГГ (свободнопоршневой генератор газа), СПК (свободнопоршневой компрессор). Встречаются и другие названия.
СПД появился на свет в 1927 г. как двигатель внутреннего сгорания (ДВС) четвёртого вида, вставший в ряд с уже известными бензиновым ДВС Николауса Отто, дизельным ДВС Рудольфа Дизеля и роторным двигателем Феликса Ванкеля. В 1925 г. инженер и изобретатель аргентинского происхождения маркиз Руль Патерас Пескара запатентовал «автокомпрессор Пескары». Огромный вклад в дальнейшее развитие идеи СПД внёс Роберт Хубер, швейцарский инженер, ученик основоположника теории паровых и газовых турбин Ауреля Стодолы. Хубер, которого прозвали «мистер Свободный поршень», был техническим директором Технического бюро Пескары, основанного маркизом в Париже в начале 1920-х. В 1927 г. заработал первый экспериментальный СПД AC-2, построенный Хубером в пригороде Парижа.
Наиболее активно теоретические, практические и экспериментальные работы по СПД велись в период с конца 1930-х до начала 1960-х годов. В них отметились своими успехами Франция, Германия, Англия, Советский Союз. Создавались энергетические установки для тепловозов, кораблей, тяжёлых грузовиков, электростанций, предлагались даже проекты для самолётов и вертолётов. Но при общем техническом уровне того времени конструкторы не смогли решить ряд выявившихся на практике проблем, и работы по СПД были практически свёрнуты. Сегодня благодаря развитию управляющей электроники шансы на создание эффективных и технически совершенных конструкций СПД резко возросли, а потому возродился интерес к возможностям силовых установок этого типа.
Без лишних шатаний
Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания - это ДВС, в котором отсутствует кривошипно-шатунный механизм, а ход поршня от одной мёртвой точки до другой регулируется давлением пружины, воздуха, сжимаемого в буферных ёмкостях, или веса поршня. Указанная особенность СПД позволяет строить только двухтактные двигатели. Они могут использоваться для привода машин, совершающих возвратно-поступательное движение (дизель-молоты, дизель-прессы, электрические генераторы с качающимся якорем), работать в качестве компрессоров или генераторов горячего газа.
Преимущественное распространение получила схема СПД с двумя противоположно движущимися поршнями в одном цилиндре. Поршни кинематически связаны друг с другом через синхронизирующий механизм (рычажный или реечный с паразитной шестернёй). В отличие от кривошипно-шатунного механизма, синхронизирующий воспринимает только разность сил, действующих на противоположные поршни, которая при нормальной работе СПД сравнительно мала. Один поршень двигателя управляет открытием впускных окон, другой - выпускных. Имеются также поршни буферных ёмкостей, которые жёстко связаны с соответствующими поршнями двигателя.
К достоинствам СПД относятся сравнительная простота их конструкции, хорошая уравновешенность, долговечность, компактность. Недостатки - сложность пуска и регулирования, неустойчивость работы при частичных нагрузках (с развитием микропроцессорных систем управления последний недостаток устраняется).
В генерацию
В турбокомпрессорных газотурбинных установках (ГТУ) продукты сгорания настолько горячи, что перед подачей в проточную часть турбины их приходится охлаждать путём нагнетания избыточного воздуха. На привод воздушного компрессора затрачивается значительная доля мощности газовой турбины. В газотурбинных установках с поршневыми генераторами газа (рис. 1) топливо сжигается в отдельном цилиндре с последующим охлаждением продуктов сгорания. При их частичном расширении газ совершает работу, используемую для привода поршневого компрессора. В качестве генератора газа для ГТУ обычно используют двигатель с противоположно движущимися поршнями в горизонтальном исполнении.
Во время рабочего хода поршни 1 расходятся от первой мёртвой точки к второй, а при обратном ходе - сближаются. Когда поршни находятся вблизи первой мёртвой точки, в цилиндр 3 через топливные форсунки 4 подаётся топливо, которое сгорает, и образовавшиеся продукты сгорания создают давление на поршни 1. При их рабочем ходе поршни 6 воздушных компрессоров сжимают воздух в буферных цилиндрах 10. Через нагнетательные клапаны 11 сжатый воздух поступает во внешний цилиндр 12. В конце рабочего хода открываются выпускные окна 5 и затем продувочные окна 2, осуществляются выпуск газов и продувка цилиндра 3. Отработавшие в двигателе газы, смешиваясь с продувочным воздухом, охлаждаются и через ресивер Б направляются к газовой турбине А. Потенциальная энергия воздуха, сжатого в буферных цилиндрах, обеспечивает обратный ход поршней 1. При этом в буферные цилиндры через клапаны 9 всасывается атмосферный воздух, а в цилиндре 3 двигателя происходит сжатие свежего топливного заряда до параметров, обеспечивающих его самовоспламенение. После этого цикл повторяется. Для синхронизации работы поршней служат зубчатое колесо 8 и рейка 7.
На транспорт
Интересно, что устройство, за которым специалисты когда-то видели будущее авиации, нашло применение не на самолётах и вертолётах, а на малых электростанциях, кораблях, локомотивах, тракторах и тяжёлых грузовиках, то есть там, где главное не столько вес, сколько экономичность. А в этом мало какой двигатель может поспорить с СПГГ, работающим в паре с газовой турбиной, ибо КПД такой комбинации может достигать 40%, тогда как у малой паротурбинной установки он составляет 20-25%, у ГТУ - 25-36%, бензинового ДВС - 28-30%, лучших дизелей - 32-35%.
Сейчас ситуация меняется. До самолётов и вертолётов СПД пока не добрались, а до гибридных автомобилей - почти. Инженеры компании Toyota работают над конфигурацией СПД, оптимального для применения в составе гибридной силовой установки в качестве электрогенератора. Toyota назвала свою разработку FPEG - Free Piston Engine Linear Generator (линейный генератор на СПД).
Это компактное устройство предназначено исключительно для выработки электроэнергии, подзаряжающей аккумуляторы. На данном этапе опытный образец FPEG выдаёт мощность 10 кВт (14 л. с.). Пары таких моторов достаточно, чтобы обеспечить постоянное движение электромобиля класса Toyota Yaris со скоростью 120 км/ч.
FPEG состоит из камеры сгорания, линейного генератора и пневмокамеры (см. рис. 2). При движении поршня прикреплённые к нему магниты перемещаются внутри линейной катушки, преобразуя кинетическую энергию поршня в электрическую. Это и есть линейный электрогенератор. Инженеры Toyota отмечают привлекательность СПД в нескольких отношениях: высокий КПД, малые потери на трение и небольшие вибрации. В компании изначально рассматривали две основных конструкции СПД: с двумя противоположными камерами сгорания и с одной камерой сгорания и одной пневмокамерой. Во втором случае поршень возвращается в исходную точку за счёт давления газа, сжатого в пневмокамере во время рабочего хода. Именно такая конфигурация была выбрана для дальнейшего изучения путём численного моделирования и экспериментов.
В космос
Компания Sunpower Inc. создала для разработчиков энергетических систем вариант промышленного свободнопоршневого двигателя Стирлинга мощностью 1 кВт, работающего на пропане или природном газе. Основа генератора Sunpower - СПД Стирлинга (Free Piston Stirling Engine, FPSE), который преобразует тепло в электричество в герметически закрытом сосуде с помощью термодинамического цикла Стирлинга. Sunpower использует запатентованную технологию газовых подшипников, которая предотвращает механический контакт деталей во время работы, устраняя износ и необходимость смазки, что позволяет обеспечить производство электроэнергии с высоким КПД на протяжении 20 лет без технического обслуживания установки. НАСА финансировало разработку и производство FPSE SunPower в расчёте на потенциальное применение системы для преобразования энергии в дальних космических полётах.
По данным компании, подобный генератор сможет работать от любого источника теплоты и будет способен подстраивать свою мощность в зависимости от потребности в электроэнергии. Электрический КПД у него должен быть больше, чем у термоэлектрических преобразователей.
