1

Разработка линейного двигателя для последовательных гибридных транспортных

средств (часть 3).

Linear Engine Development for

Series Hybrid Electric Vehicles

Csaba Toth-Nagy

Перевод Духанина В.И.

Сайт http://centaurproject.com/

3 Линейный двигатель

Эта глава знакомит с линейным двигателем и представляет литературу, которая

рассматривается в главе. Линейные двигатели сгруппированы соответственно месту, где

происходит сгорание, тип зажигания, принципы рабочего цикла, число рабочих ходов в

цикле, число и конструкция цилиндров и область использования линейного двигателя.

Наименование, линейный двигатель, говорит само за себя. Оно указывает на двигатель с

компонентами движущимися только линейно. Линейный двигатель не имеет коленчатого

вала. Это исключает вращающиеся компоненты кривошипно-шатунного механизма. В

обычном одноцилиндровом двигателей с кривошипно-шатунным механизмом имеется

примерно 50 компонентов, из которых 28 находятся в линейном движении, а 22 – во

вращательном движении [39]. Шатун (соединительный шток) не принадлежит ни к группе

совершающей колебательное линейное движение от одного конца к другому ни к другой

группе, выполняющей круговое движение. В линейном двигателе вращающиеся

компоненты исключаются, приводя в результате к меньшей сложности, более низкой

стоимости производства и почти освобождены от обслуживания. Поскольку здесь не

имеется боковой силы на поршень, снижается эффект износа цилиндра по сравнению

двигателем с кривошипно-шатунным механизмом. Более того, при определенном выборе

материалов линейный двигатель не нуждается в смазке. Это будет исключать

необходимость замены масла и снижает затраты на обслуживание. Линейный двигатель в

некоторой литературе также часто называют двигателем со свободным поршнем, так как

не имеется физической связи, которая бы ограничивала движение поршня. Движение

поршня или подвижного элемента (транслятора) определяется балансом сил,

действующих на подвижный элемент. Существует только одно механическое соединение

– это контакт между поршнями и цилиндрами.

2

3.1 Первые попытки

Первым устройством, приводимым в действие паром, о котором существуют

письменные описания, был привод храмовых дверей в древней Александрии в 1-м

столетии нашей эры. Перед тем, как начиналась церемония, священник зажигал огонь в

алтаре, который нагревал закрытый контейнер снизу очага. Пар, разогреваясь, выталкивал

воду наружу из контейнера в ведро и вес ведра открывал двери, сигнализируя начало

церемонии [25]. На рис.19

показана схема устройства

открывания храмовых дверей,

приводимое в действие паром.

3.2 Двигатель внешнего сгорания против двигателя внутреннего

сгорания.

Со времени приводимых в действие паром храмовых дверей были изобретены

многочисленные двигатели и варианты двигателей. Двигатели могут быть поделены на

группы на основе того, где происходит сгорание, а именно на двигатели внешнего и

внутреннего сгорания. В двигателях внешнего сгорания сгорание имеет место снаружи

цилиндра и некоторая среда переносит энергию в рабочий цилиндр. В двигателях

внутреннего сгорания сгорание происходит в цилиндре и расширяющийся газ сам по себе

является рабочей средой.

Рис.19 Храмовые двери приводимые в действие

паром, 1 в. н.э. [25].

3

3.3 Двигатели внешнего сгорания.

Одним из наиболее важных двигателей внешнего сгорания был паровой двигатель

Джеймса Уатта, который перевернул индустрию в Англии в конце 18-го столетия.

Паровой двигатель Джеймса Уатта, запатентованный в 1769, использовал паровой котел

для перевода воды в пар и клапанная управляющая система, чтобы направлять пар в

цилиндры и из них, сверху или снизу поршня попеременно, чтобы получить в результате

колебательное движение поршня. Первый паровой двигатель Джеймса Уатта был

линейной машиной, которая использовала гравитацию, а также силу пара для достижения

движения. На рис.20 показан Паровой двигатель Уатта [25].

Это неизбежно, что особенной конструкцией

был линейной двигатель. В поздних паровых

двигателях линейное попеременное движение

поршня было преобразовано во вращательное

движение, используя кривошипно-ползунный

механизм. Хотя наиболее известные и более

современные области применения парового

двигатели, приводимый паром локомотив

использовался как главное транспортное средство

примерно до 1970 годов, сегодня паровые

двигатели являются исторической темой.

Другим примером внешнего сгорания

является «экономайзер», как назвал Стирлинг

двигатель, запатентованный им в 1816 году. На

рис.21 показан двигатель Стирлинга.

Двигатель имеет два подвижных

компонента в цилиндре: плунжер или

вытеснитель (сверху) и силовой поршень (снизу).

Связанный с маховиком механизм соединяет

плунжер и поршень, ограничивая их движение

относительно друг друга. Конструкция состоит из

горячей и холодной камер сверху и снизу

плунжера соответственно. Газы сгорания

нагревают горячую камеру (7), а воздух

Рис.20 Паровой двигатель Джеймса

Уатта [25].

Рис.21 Двигатель Стирлинга [26].

4

охлаждает холодную камеру (8). В поздних конструкциях, после 1828 года, Стирлинг

применил водяное охлаждение холодной камеры. Имеется зазор между плунжером и

стенкой цилиндра, который позволяет воздуху протекать между двумя камерами. В

результате средняя секция цилиндра и поршень самостоятельно действует как регенератор

предварительного нагрева и предварительного охлаждения протекающего воздуха.

Плунжер центрируется в цилиндре посредством колес (а). Для более легкого понимания

Харгрейвс [27] представляет работу двигателя Стирлинга в виде непрерывного процесса,

разбитого на 4 этапа. На рис.22 показана модель с 4-мя этапами работы.

Рис.22 Четыре этапа работы двигателя Стирлинга [28].

Четыре этапа работы:

I. Силовой поршень в нижнем положении; вес воздух в холодном пространстве.

II. Вытеснитель пока еще в верхнем положении, однако силовой поршень

движется наверх, сжимая воздух, в то время как воздух имеет низкую

температуру.

III. Силовой поршень остается в его наивысшем положении, однако

выталкиватель движется примерно наполовину пути вниз, перенося воздух

от холодного пространства через регенератор в горячее пространство.

IV. Горячий воздух расширяется, толкая силовой поршень вниз, вытеснитель

движется с ним к самому нижнему положению. В то время силовой поршень

остается здесь, вытеснитель будет затем двигаться наверх, перенося воздух из

горячего пространства через регенератор к холодному пространству как в

этапе I, завершая цикл.

За последние 185 лет были сконструированы и построены бесчисленное число

двигателей Стирлинга. Двигатели Стирлинга привлекательны для автомобильного

5

использования за их низкий уровень шума, универсальность к использованию топлива и

мягкую работу. Однако, они не быстро реагируют на управление, а для высокой

эффективности теплообменник двигателя достаточно объемистый, что делает их

неподходящими для использования в автомобилях, оставаясь, однако, превосходными

кандидатами для стационарных энергогенерирующих систем.

Принципы двигателя Стирлинга с таким же успехом были применены для нового

концепта линейного двигателя или двигателя со свободным поршнем. Сссылки [31-38]

показывают математические модели, результаты математического моделирования и

конструкции прототипов двигателей Стирлинга со свободным поршнем. В двигателях

Стирлинга со свободным поршнем исключается маховиковый механизм, а воздушная

пружина размещается между плунжером и поршнем. В результате получается «машина, в

которой движение колеблющихся элементов для совершения термодинамического цикла

является следствием сопротивления текучей среды и динамического жидкостного

взаимодействия элементов» [26]. Бейл и др. в своей работе [32] разъясняет работу

двигателя Стирлинга со свободным поршнем четырьмя этапами, аналогично тому, как это

приводит Харгрейвс [27]. На рис.23 показаны схемы двигателя на четырех этапах работы.

Рис. 23 Четыре этапа работы двигателя Стирлинга со свободным поршнем [32].

I-II Поршень расширяет рабочий газ. Выталкиватель на поршне.

II –III Давление в пространстве отбойника больше, чем давление в рабочем

пространстве. Это вынуждает двигаться выталкивателю в сторону горячего

6

пространства, а рабочий газ – двигаться в охлаждаемое пространство.

Давление падает.

III-IV Поршень приводится в рабочее пространство посредством более высокого

давления в пространстве отбойника.

IV-I выталкиватель движется к холодному пространству посредством давления

рабочего пространства, большего, чем давление в пространстве отбойника.

Двигатели Стирлинга со свободным поршнем считаются очень многообещающими

источниками энергии, поскольку они могут использовать различные топлива. Для

сгорания может быть использовано любое топливо. Дочат (Dochat) [36] предложил

прототип двигателя Стирлинга, питаемый солнечным теплом, для аэрокосмического

применения. Горячая камера двигателя была расположена была расположена в фокальной

точке параболического зеркала и работала при температуре 300-500ºС, используя только

солнечную энергию. Устройство производило 500-1100 Вт. Этот двигатель должен

рассматриваться как источник энергии с нулевым выбросом с небольшим техническим

обслуживанием, так как он имеет лишь несколько подвижных компонентов, подвергающихся

трению.

3.2.2 Двигатель внутреннего сгорания

В то время как двигатель внешнего сгорания нагревает рабочую среду, которая

преобразует тепловую энергию в кинетическую энергию, в двигателе внутреннего

сгорания сгорающий и расширяющийся газ сам по себе рабочая среда. Это дает в

результате более высокое давления и температуры в цилиндре и более компактную

конструкцию, чем в двигателях внешнего сгорания. ДВС имеет более высокие отношения

мощности к весу и мощности к объему по сравнению с двигателями внешнего сгорания.

Двигатели внутреннего сгорания стали первичными источниками энергии для

транспортных средств, поскольку их компактная конструкция очень подходит для

автомобильного применения.

Первый успешный двигатель внутреннего сгорания был газовым двигателем,

изготовленный, как считается, Этьеном Ленором в Париже в 1859 г. Хотя двигатель

работал, он появился только в 1878 году, когда он стал коммерчески доступным из-за

работ немецкого изобретателя Николауса Отто. В 1892 Рудольф Дизель, также немец,

изобрел дизельный двигатель. Сначала он работал на тонко измельченном угольном

7

порошке, который Дизель инжектировал в цилиндр, однако позже он использовал

нефтяные продукты.

Жидкое топливо использовалось исключительно в дизельных двигателях до 1893

года, когда два болгарских ученых Банки и Ксонка изобрели карбюратор. Это сделало

жидкое топливо также доступным для использования в двигателе Отто [16]. С этого

времени двумя широко используемыми двигателям внутреннего сгорания были двигатели

с искровым воспламенением (бензиновые) и двигатели с компрессионным

воспламенением (дизельные).

3.3 Искровое зажигание против компрессионного зажигания

Сегодня двумя главными типами топлива для двигателей являются бензин и

дизельное топливо. Хотя в некоторых областях применения используются также сжатый

природный газ и сжиженный газ от нефтепереработки, всемирная топливная

инфраструктура существует только для бензина и дизельного топлива. Два типа топлива

распространены в мире, благодаря двум различным принципам работы двигателей:

двигатели искрового зажигания и двигатели компрессионного зажигания.

Двигатели с искровым зажиганием засасывает смесь топлива и воздуха и с

последующим сжатием искрой поджигают заряд. В обычных двигателях впускаемый

заряд обычно стехиометрический. Однако двигатели на бедной смеси находятся в стадии

разработки с целью увеличения КПД, но результаты различаются. Двигатель управляется

с помощью дроссельного клапана, который ограничивает массу воздуха, засасываемого в

цилиндр путем ограничения давления во впускном патрубке. Отношение топлива к

воздуху не сильно меняется, благодаря конструкции.

Дизельный двигатель засасывает воздух, а топливо инжектируется в цилиндр в

момент примерно соответствующий верхней мертвой точке под высоким давлением и

температуре, возникающих из-за сжатия. Дизельное топливо должно иметь высокое

цетановое число, которое представляет высокую близость к самовоспламенению.

Мощность двигателя управляется количеством топлива, инжектируемого в цилиндр.

Дизельный двигатель большую часть времени работает на низком коэффициенте избытка

топлива. Они являются двигателями, работающими на бедных смесях.

Кроме того факта, что дизельное топливо имеет слегка более высокую плотность и

более высокую теплотворную способность, чем бензин, три причины дают главное

различие в КПД между двигателями: наличие дроссельного клапана в двигателе, который

8

создает насосные потери, коэффициент избытка топлива, на котором работает двигатель,

и степень сжатия двигателя. В двигателя с искровым зажиганием дроссельный клапан

является частью системы управления двигателем, при частичной нагрузке являющийся

причиной главных потерь производительности. В двигателях с компрессионным

зажиганием отсутствие дроссельного клапана дает в результате более высокую

эффективность, чем в случае двигателей с искровым зажиганием, так что можно

заключить, что дроссельный клапан нежелательный компонент двигателя.

Эффективность (КПД) также является функцией степени сжатия и коэффициента

избытка топлива. Хейвуд (Heywood, [91]) показал пропорциональную зависимость между

КПД двигателя и его степенью сжатия до 15:1. В двигателях с искровым зажиганием

степень сжатия ограничена детонацией, которая является неконтролируемым

самовоспламенением топлива. Детонация нежелательна по причине того, что

неконтролируемое сгорание приводит как к высокому напряжению компонентов

двигателя, так и к потере КПД. С другой стороны в двигателях с компрессионным

зажиганием максимальная степень сжатия ограничена только прочностью компонента,

потерями тепла и прорывом газов. Хейвуд (Heywood, [91]) показал обратную

пропорциональность между КПД и коэффициентом избытка топлива из-за высоких потерь

тепла и прорыва газов в рабочей области повышенного коэффициентом избытка топлива.

Двигатели с искровым зажиганием обычно работают при стехиометрическом

соотношении топлива и воздуха, чтобы гарантировать распространение пламени и полное

сгорание в цилиндре. С другой стороны средний коэффициент избытка воздуха в

цилиндре в двигателях с искровым зажиганием может быть снижен до тех пор, пока

двигатель не остановится и не будет получено в результате правильное сгорание.

Наличие дроссельного клапана, ограниченная степень сжатия и высокий

коэффициент избытка топлива приводят к потерям КПД в двигателях с искровым

зажиганием, в то время как отсутствие дроссельного клапана, более высокая степень

сжатия дают в сравнении относительно более высокий тепловой КПД двигателей с

компрессионным зажиганием. Как искровое, так и компрессионное зажигание были

использованы в прошлом в концептах линейного двигателя. Кларк и др. (Clark et al. [83])

представили линейный двигатель с искровым зажиганием, а линейный двигатель с

компрессионным зажиганием обсуждался в нескольких ссылках [61, 65, 80].

3.4 Прямая инжекция против компрессионного зажигания гомогенного

заряда.

9

Повышающийся КПД двигателя был всегда целью исследователей, работающих над

разработкой двигателя. Максимальный теоретический КПД был определен посредством

цикла сгорания при постоянном объеме, который является идеальным циклом Отто. Как

результат попыток достичь КПД идеального цикла Отто, были разработаны двигатели с

компрессионным зажиганием гомогенного заряда (homogeneous charge compression

ignition – HCCI). Кроме HCCI, наиболее усовершенствованная двигательная технология

компрессионного сжатия обратилась к системам прямой инжекции с общей топливной

магистралью [93]. Весомыми факторами между двумя усовершенствованными

технологиями являются КПД, выхлопные выбросы и контролируемость в широких

диапазонах момента и скорости. Двигатели режима HCCI засасывают бедную,

гомогенную топливно-воздушную смесь. Вблизи верхней мертвой точки при

возрастающих давлении и температуре гомогенный заряд самовоспламеняется. Топливо

воспламеняется по всему объему цилиндра, в то же время приближаясь к теоретическому

циклу Отто и давая в результате высокий КПД. С точки зрения выбросов по имеющимся

сообщениям технология HCCI значительно снижает выбросы NOx и незначительно

повышается количество несгоревших

углеводородов и CO по сравнению с

технологией прямого впрыска. Грей и др.

(Gray and al. [98]) сообщают о 98%

снижении NOx. Прямая инжекция с общей

топливной магистралью дает пониженный

КПД, чем HCCI в двигателя, когда сгорание

не мгновенное, так как топливный заряд

(неоднородный) гетерогенный. В случае

неоднородного заряда сгорание происходит

на наружной поверхности инжекционной

струи, потому что внутри топливного облака

смесь слишком богата для воспламенения

(избыток топлива, недостаток кислорода).

Горение по периметру топливного облака

дает в результате вихрь в цилиндре,

который перемешивает объем воздуха и

топлива. Это поддерживает горение

топлива. Горение в двигателях внутреннего

сгорания (DICI) с прямым впрыском занимает больше времени, чем в двигателях HCCI.

Рис.24 График давление-объем для

стандартных циклов идеального газа

постоянного объема, ограниченного

давления и постоянного давления [91].

10

Выбросы NOx выше из-за чрезмерных температур, возникающих на фронте пламени и

увеличивающих воздействие тепла. Недостаток технологии HCCI в том, что

производительность двигателя ограничена детонацией и пропуском зажигания и оставляет

очень узкий диапазон работы в обычных двигателях. Прямая инжекция с общей

топливной магистралью с другой стороны полностью разработана и управляема на всем

диапазоне работы двигателя. Исследования технологии HCCI показывает

обнадеживающие результаты, однако управление двигателем HCCI пока еще

разрабатывается. Ван Блариган и др. (Van Blarigan et al. [74]) показали линейный

двигатель HCCI, а Ахтен [60] продемонстрировал линейный двигатель с общей

топливной магистралью.

На рис.24 показан график давление-объем для стандартного цикла идеального газа

постоянного объема, ограниченного давления и постоянного давления.

Производительность равна площади, охватываемой кривой P-V. Двигатель HCCI

приближается к циклу постоянного объема и дизель с общей топливной магистралью

лежит где-нибудь между циклом с ограниченным давлением и циклом постоянного

давления.

3.5 Четыре такта против двух тактов

Двумя главными принципами работы двигателей внутреннего сгорания являются

четырехтактная и двухтактная работа. Тактами четырехтактного двигателя

последовательно являются:

впуск;

сжатие;

сгорание;

выпуск.

Четыре такта в обычном кривошипно-шатунном двигателе происходят в два оборота

коленчатого вала, получая в результате один силовой ход за два оборота на цикл.

Впускные и выпускные клапана управляют процессом продувки. Работа клапана

синхронизирована с движением поршня через коленчатый вал, синхронизирующий

ремень или цепь и шкивы. Заряд поступает в цилиндр через впускной клапан, в то время

как поршень движется вниз. Когда поршень достигает нижней мертвой точки (НМТ),

впускной клапан закрывается и поршень начинает свой путь к верхней мертвой точке

(ВМТ), сжимая заряд выше него. Заряд является смесью воздуха и топлива в обычном

11

бензиновом двигателе и чистым воздухом в дизельном двигателе. В современных

двигателях рециркулирует, чтобы понизить выбросы NOx, так впуск является смесью

воздуха и выпускного газа. Подобно обычным дизельным двигателям, бензиновый

двигатель с прямым впрыском засасывает чистый воздух, а топливо инжектируется

непосредственно в цилиндр вблизи ВМТ. В ВМТ искра зажигает заряд в бензиновом

двигателе. В дизельном двигателе топливо инжектируется в воздух, который имеет

высокую температуру из-за резкого повышения давления, и самовоспламеняется. Топливо

сгорает и расширяющиеся газы толкают поршень вниз, создавая силу. В НМТ

открывается выпускной клапан, позволяя сгоревшим газам выходить из цилиндра, когда

поршень движется наверх. Вблизи ВМТ выпускной клапан закрывается, открывается

впускной клапан, завершая четырехтактный цикл. Двухтактная работа значительно

различается для бензиновых и дизельных двигателей.

Тактами большинства типичных двухтактных бензиновых двигателей являются:

Продувка и сжатие в цилиндре. Впуск в кривошипную камеру.

Сгорание и выпуск в цилиндре. Нагнетание давления в кривошипной камере.

Двухтактный бензиновый двигатель использует впускные и выпускные отверстия

и поршень для управления продувкой цилиндра. Заряд (воздушно-топливная смесь)

вводится в кривошипную камеру под поршнем, в то время как сам поршень движется

вверх и сжимает воздух над ним. Впускное и выпускное отверстия закрыты. В ВМТ искра

зажигает заряд и расширяющиеся газы толкают поршень к НМТ, создавая усилие. В то же

время поршень поджимает заряд в кривошипной камере. Входное отверстие кривошипной

камеры может управляться посредством обратного пластинчатого клапана, юбки поршня

или вращающегося дискового клапана. Когда поршень движется вниз, он открывает

выпускное отверстие, позволяя выхлопу выходить из цилиндра. Движущийся дальше вниз

поршень открывает продувочное отверстие, которое соединяет цилиндр сверху поршня и

кривошипную камеру. Сжатый заряд перетекает в цилиндр, выталкивая наружу

оставшийся выхлоп. Тем временем поршень достигает НМТ и затем начинает двигаться к

ВМТ. Сначала он закрывает впускное отверстие, затем выпускное отверстие, завершая

двухтактный бензиновый цикл.

Такты типичного двухтактного дизельного двигателя:

впуск-сжатие;

расширение-выпуск.

Современный типичный двухтактный дизельный двигатель использует

комбинированное управление клапаном и отверстием для достижения продувки. Имеется

выпускной клапан, который обычно работает механически, а впускное отверстие

12

открывается и закрывается поршнем. Двухтактный дизельный двигатель также использует

нагнетатель или турбонаддув, который снабжает двигатель сжатым воздухом. поршень

движется к ВМТ, сжимая воздух в цилиндре. Как впускное отверстие, так и выпускной

клапан закрыты. При ВМТ в цилиндр инжектируется топливо, где оно

самовоспламеняется. Сгоревшие газы толкают поршень вниз, создавая силу. Перед НМТ

открывается выпускной клапан, последовательно за ним – впускное отверстие и

совершается продувка. Тем временем поршень достигает НМТ и возвращается. Сначала

закрывается выпускной клапан, затем закрывается впускное отверстие, завершая цикл.

В двухтактных бензиновых двигателях процесс продувки управляется поршнем,

открывая и закрывая впускные и выпускные отверстия. Двухтактные дизели имеют

комбинированное управление клапаном и отверстием. В четырехтактных двигателях в

основном клапаны применяются для выполнения той же самой роли. Механически

синхронизированные времязадающие связи управляют работой клапанов в

четырехтактном кривошипном двигателе, где наличие вращательного движения дает

простое решение. В линейных двигателях при отсутствии вращательного движения

должны быть применены другие способы. Электронное синхронизирующее управление и

линейные электрические приводы рассматриваются, как возможное решение привода

клапана в четырехтактных линейных двигателях. [41, 51,52]. С другой стороны

двухтактные бензиновые двигатели используют обычные управляемые поршнем

отверстия, что привлекательно для использования в линейных двигателях для

управляемой продувки, не требующей дополнительного механизма.

3.6 Количество цилиндров и конструкция

В обычных двигателях линейное колебательное движение поршня преобразуется во

вращательное движения, используя кривошипно-шатунный механизм. Поскольку в

четырехтактных двигателях имеется один рабочий ход (такт) на два оборота, а в

двухтактных двигателях один рабочий ход на каждый оборот, практически применяется

маховик на коленчатом валу. Маховик поглощает и сохраняет энергию рабочего хода и

возвращает энергию и движет поршень во время рабочих ходов, потребляющих энергию,

а именно, сжатия и выпускного хода. Маховик также помогает двигателю создавать менее

пульсирующий момент, или мягкую работу на коленчатом валу. Поскольку маховик

движет поршень во время рабочих ходов, потребляющих энергию, маховик необходим

для одноцилиндрового двигателя. Однако, в линейных двигателях применение маховика

13

не является предметом выбора (необходимым) в виду отсутствия вращательного

движения. Теоретически, отсутствие маховика должно быть преодолено применением

множество цилиндров на одном и том же коленчатом валу, или подвижным элементом с

одним цилиндром на каждый рабочий ход как минимум. Поршень во время такта

расширения будет двигать другие поршни в их тактах, потребляющих энергию. Хотя во

вращательных двигателях дополнение большим количеством цилиндров дает более

мягкую работу, для линейных двигателей это неверно. С другой стороны имеется

минимальное число цилиндров, которые дают в результате работу, не требующей

использования аккумулятора энергии. Это количество, равное четырем цилиндрам для

четырехтактного линейного двигателя и двум цилиндрам для двухтактного линейного

двигателя, было бы минимальным для сохранения работы без требования источника

энергии или аккумулятора энергии.

Практически достижимы следующие конструкции линейных двигателей:

однопоршневая;

двухпоршневая;

сдвоенный поршень;

оппозитный поршень;

четырехпоршневая;

сдвоенный поршень;

оппозитный поршень;

сложная поршневая конструкция;

Многопоршневая;

сдвоенный поршень;

оппозитный поршень;

сложная поршневая конструкция;

Одноцилиндровая конструкция показана на рис.25.

Как минимум два поршня

должны быть связаны вместе,

когда используется двухтактные

двигатели и четыре поршня

должны быть связаны вместе,

когда используется

четырехтактный двигатель,

чтобы обеспечить силовой ход на каждом ходе. Исключением является случай, когда

Рис.25 Одноцилиндровая конструкция линейного

двигателя

14

используется поршень двойного действия и для сгорания используется объем снизу

поршня также, как объем выше его. Как следствие, силовой такт нужен для каждой

половины периодического цикла (оборот в обычных двигателях). Однако, если имеется

несколько цилиндров в конструкции, тогда требуется дополнительный источник энергии,

чтобы двигать поршень (поршни), во время такта (тактов) потребляющего энергию.

Гидравлический аккумулятор, линейный электрический мотор или даже пружина могут

быть использованы для движения поршня на потребляющих энергию тактах в

непрерывной работе. Ахтен [40] представил работающий прототип двухтактного,

одноцилиндрового двигателя - гидравлического насоса со свободным поршнем,

использующий гидравлический аккумулятор, чтобы давать энергию во время такта

сжатия. Прадос [41] в своих тезисах рассмотрел компьютерную модель для

четырехтактного одноцилиндрового линейного генератора переменного тока, в котором

генератора переменного тока давал энергию, чтобы двигать поршень во время тактов

впуска, сжатия и выпуска. Прадос пришел к выводу, что такая конструкция не могла бы

быть возможной для генерации полезной

мощности.

На рис.26 и 27 показаны

соответственно устройства со сдвоенным

поршнем и оппозитным поршнем для

двухцилиндрового линейного двигателя. На

рис. 26 показаны два устройства. У одного

из них каждый поршень имеет свой

собственный цилиндр, а нагрузка

размещается между ними. У другого

поршни объединены и делят цилиндр, а

нагрузка приложена на каждой из сторон. В

последнем случае сгорание имеет место на соединительном штоке сбоку поршня, делая

уплотнение цилиндров значительной проблемой.

Версия со сдвоенной версией желательна для двухтактной работы, поскольку дает

рабочий такт на каждом такте двигателя. Два цилиндра для устройства со сдвоенным

поршнем двухтактной работы достаточно, чтобы запустить двигатель без внешнего

источника энергии или аккумулятора энергии. Однако, поршни, соединительный шток и

подвижные компоненты нагрузки являются большими колеблющимися массами, что

приводит к нежелательным вибрациям. Браун [39] представил линейный двигатель,

который использовал противовес посредством механизма рейка - зубчатое колесо – рейка

Рис.26 Конструкция линейного двигателя

со сдвоенным поршнем.

Рис.27 Конструкция линейного двигателя с

оппозитными поршнями.

15

для баланса колеблющейся массы и исключения вибрации. Браун не рассматривал потери

производительности из-за противовеса. Аналогичный противовес должен применяться в

конструкции со многими цилиндрами для снижения вибрации. Однако, конструкция с

оппозитными поршнями будет исключать проблему вибрации, поскольку поршни всегда

движутся в противоположных направлениях, получая в результате нулевую силу,

действующую на цилиндры и корпус.

Рис.28 Составная четырехцилиндровая конструкция

На рис.28 показана четырехцилиндровое устройство с составной конструкцией с

сдвоенными и оппозитными поршнями. При двухтактном цикле этот двигатель будет

иметь рабочий такт на каждом цикле, а

противоположное движение двух

узлов с нагруженными поршнями будет

исключать вибрацию.

На рис.29 и 30 показаны

соответственно устройства с

сдвоенными и оппозитными поршнями

для четырехтактного линейного

двигателя. Цилиндр, в котором

происходит такт расширения, движет

остальные цилиндры. Это создает

боковую силу на поршни, что

нежелательно. Хотя конструкции с

двумя цилиндрами должны быть

связаны вместе, составляя в результате

конструкции с числом цилиндров четыре, шесть, восемь или больше, практически было

бы выгодно иметь на борту транспортного средства множество двух или четырех

цилиндровых дополнительных энергетических устройств (auxiliary power units - APU),

которые могли бы включаться или выключаться независимо друг от друга, когда

изменяющиеся энергетические требования делают это необходимым. Это подобно

деактивации цилиндра, которая предлагается во многих вращающихся двигателях с

прогнозируемой 8-10%-ным улучшениям топливной экономичности [56]. Например,

транспортное средство спортивного назначения могут иметь три APU, однако будет

Рис.29 Четырехцилиндровая конструкция

линейного двигателя со спаренными

поршнями.

Рис.30 Четырехцилиндровая конструкция с

оппозитными поршнями.

16

требоваться включение только одного устройства, когда транспортное средство ползет

бампер к бамперу в условиях городского движения, для того чтобы привести в движение

транспортное средство и удовлетворить требования питания электрического рулевого

управления, кондиционирования воздуха и комфорта, а также оборудования безопасности

транспортного средства. При движении по высокоскоростной магистрали со скоростью 70

миль/час (125 км/час) может потребоваться включение двух APU, а при движении с

тяжелой нагрузкой будут использоваться все три устройства. В этом способе потери на

трение и тепло шести цилиндров будут снижены к уровню, соответствующему двум или

четырем цилиндрам во время легких дорожных условий. Андервуд (Underwood)

представил работающий прототип двухтактного четырехцилиндрового устройства,

используемого как источник газа для газовой турбины [57]. Он назвал его сиамским

двигателем, в котором два двухцилиндровых линейных двигателя разделяют общий

корпус, впускной и выпускной трубопроводы, а воздушная камера, однако не имеет

физического соединения между ними. Преимущество сиамской конструкции в то что, в то

время как один двигатель продувается, другой осуществляет сжатие, давая в результате

лучшую вентиляцию двигателя. Петреану представил компьютерную модель

четырехцилиндрового четырехтактного линейного двигателя в своей диссертации [59]. Он

проанализировал устройство, подобное приведенному на рис.29. В таком двигателе

будет иметься сила между стенкой цилиндра и поршнем, которая будет давать в

результате повышенное трение, исключая одно из преимуществ линейных двигателей.

3.7 Моделирование линейного двигателя.

Компьютерное моделирование линейных двигателей может проводиться в три этапа:

моделирование двигателя, моделирование нагрузки и моделирование двигателя и

нагрузки, что представляет объединенную вместе нагрузку. Подавляющее большинство

литературы обсуждает моделирование самого линейного двигателя [35, 50, 51, 59, 68-70,

81, 82, 84], используя одно- или двухшаговое моделирование, как описано Каарио (Kaario

[69]), и нулевые или одноразмерные модели, как описано Ларми и др.(Larmi et al.[64]).

Совсем малая часть литературы описывала комбинированную модель двигателя-

нагрузки. Олсон [58] интегрировал газогенераторную насосную модель в свою модель, а

Бомборски и др. [77] интегрировал модель линейного генератора переменного тока в

моделирование. Можно сделать вывод, что для полного моделирования будет решающим

17

исследовать комбинированную систему двигатель-нагрузка. Только это будет в результате

точные предсказания работы прототипа.

Шукрай (Shoukry [85]) разработал программу численного моделирования,

использующую принципы предыдущей модели четырехтактного линейного двигателя с

компрессионным зажиганием [59] с изменениями, сделанными, чтобы сделать возможным

исследование двухтактного линейного двигателя компрессионного зажигания в его

исследовании. Для обобщения результатов программа была видоизменена, чтобы

получить безразмерный параметрический анализ. Безразмерные перемещения, масса и

время были определены в соответствии с эффективной длиной рабочего хода, подвижной

массой узла и давлением в выпускном отверстии, непосредственно после закрытия

отверстия. Входными параметрами программы были отношение диаметра цилиндра к

эффективной длине рабочего хода, коэффициент избытка топлива, безразмерная позиция

инжекции, безразмерная нагрузка постоянная для генератора переменного тока и

предварительно смешанный и диффузионный коэффициенты сгорания. Выходными

параметрами программы были безразмерная частота, безразмерная индикаторная

мощность, безразмерная сила трения, безразмерная средняя скорость, безразмерная

мгновенная скорость, индикаторный КПД, степень сжатия, безразмерная индикаторное

отношение мощность/масса генератор, безразмерная отношение энергия/масса

генератор, безразмерная индикаторное отношение мощность/объем цилиндра и

безразмерная отношение энергия/объем генератора.

3.8 Области использования линейных двигателей

Имеется три главных области применения линейных двигателей. Они

использовались как газогенераторы вместе с газовыми турбинами, для привода линейных

объемных гидравлических насосов или соединялись с линейными генераторами

переменного тока.

3.8.1 Двигатель со свободным поршнем

Линейные двигатели в литературе часто называются двигателями со свободным

поршнем, хотя поршень в этих устройствах не свободен, поскольку его путь в конечном

счете ограничен головками цилиндров или нижним краем цилиндра. С другой стороны

огнестрельное оружие следует рассматривать двигатели со свободным поршнем, не

18

имеющим физических ограничений на поршень (пулю) после того, как он покинет камеру,

исключая цель или гравитацию. Поскольку вооружение находится за пределами

рассмотрения настоящего исследования, этот документ называет тему линейный

двигатель.

3.8.2 Гвоздевой пистолет

Компания Паслод разработала гвоздевой пистолет, который использует линейный

двигатель для забивания гвоздей в деревянные поверхности [49]. Пистолет имеет

вентилятор в цилиндре для обеспечения продувки и точного смешения воздуха и топлива.

Пользователь использует двойной пусковой механизм посредством сжимания пистолета

напротив поверхности и затем, дергая спусковой крючок. Прижимом пистолета к

поверхности закрываются впускное и выпускное отверстия и инжектируется топливо в

цилиндр, а дерганием за спусковой крючок активируется свеча зажигания. Давление

сгорания сверху поршня двигает гвоздь в поверхность и сжимает воздух под поршнем.

Когда пользователь удаляет пистолет от поверхности, механизм открывает выпускное

отверстие, позволяя сгоревшим газам выходить наружу. В то же время сжатый воздух под

поршнем движет поршень в верхнюю позицию, а вентилятор продувает свежий воздух в

цилиндр, устанавливая гвоздевой пистолет для следующего цикла. Гвоздевой пистолет

фирмы Паслод использует маленький топливный бак и шестивольтовую перезаряжаемую

батарею. Он может забить до 1200 гвоздей на одном баке топлива и 4000 гвоздей на

полностью заряженной батарее. Пистолет использует 16 калибр для гвоздей длиной 1,25

дюйма до 2,5 дюйма [49].

3.8.3 Газогенератор

Газогенераторы на линейном двигателе различных размеров и устройства были

сконструированы, смоделированы и произведены компаниями GM, Ford, Renault, Junkers,

Sigma и другими [50-58]. Они все выполняли одну и ту же роль: они были камерами

сгорания для газовых турбин.

Газогенераторный двигатель накачивает чистый воздух и его собственный выхлоп в

бак, где нагретая, сжатая смесь воздуха и выхлопа идет к входу газовой турбины. Рабочие

этапы газогенератора показаны на рис.31.

19

Детальная конструкция, показанная на рис.31 является устройством с оппозитными

поршнями с общей камерой сгорания в середине и отбойными цилиндрами на двух

концах. Отбойные цилиндры по существу воздушные пружины, которые аккумулируют

энергию во время расширения и возвращает ее во время сжатия. Когда достигается

соответствующее сжатие, инжектируется топливо в камеру сгорания, где оно

самовоспламеняется и давит на поршни наружу, сжимая воздух в отбойных камерах и

засасывая воздух в объем под большим поршнем насоса. Когда отверстия открываются ,

выхлоп покидает цилиндр, а свежий воздух из воздушной камеры протекает через

цилиндр к воздушному баку. Поршень начинает движение вовнутрь, как результат

пониженного давления в камере сгорания и высокого давления в отбойной камере. Сжатие

начинается, когда впускное и выпускное отверстия закрываются поршнями и тем самым

поршень перемещает воздух от пространства под насосным поршнем к емкости под

давлением и цикл начинается снова.

Рис.31 Рабочая последовательность газогенератора с линейным двигателем с

оппозитными поршнями [57].

3.8.4 Гидравлический или пневматический насос

Линейный двигатель

может быть соединен с

нагнетательным компрессором,

линейным, гидравлическим или

пневматическим устройствами,

такими как поршневой или

мембранный насосы для

генерации давления или потока

для питания гидравлического

Рис.32 Двойной поршневой гидравлический насос,

разработанный в Университете технологии Тампере

[65].

20

или пневматического привода или мотора. За последние 40 лет были разработаны и

смоделированы для различных целей несколько различных конструкций и устройств [39,

40, 60-69]. В этом ряду двойная поршневая конструкция из Университета технологии

Тампере [64, 65] была типичным устройством и показана на рис.32. Конструкция

Университета Тампере названа Эмма2.

Эмма2 являлся дизельным линейным двухтактным двигателем со сдвоенным

поршнем с петлевой продувкой, который приводил в движение гидравлический насос,

размещенный между цилиндрами. Так как это была двухтактная конструкция со

сдвоенным поршнем, Эмма2 не требовала помощи от гидравлического насоса для

поддержания работы. Диаметр поршня был 90 мм, а рабочий ход был 120 мм. Двигатель

использовал общую магистраль инжекторной системы Ganser-Hydromag. Тикканен и др.

[65] сообщал о выходной мощности 11,3 кВт при рабочей частоте 28 Гц степени сжатия

16:1. Двигатель начинал работать, используя гидравлический насос в качестве

гидромотора. Тикканен и др. сообщал о приблизительно 23% общего КПД для

гидравлического двигателя со свободным поршнем Эмма2 [65].

Одноцилиндровая

конструкция фирмы Innas B.V.

[40, 60-63] выделяется ее

оригинальностью. На рис.33

показан гидравлический насос с

одноцилиндровым линеным

двигателем “CHIRON” фирмы

Innas B.V. Так как это была

двухтактная одноцилиндровая

конструкция, был использован

гидравлический аккумулятор для

сохранения энергии во время

силового такта, которая

использовалась для привода поршня во время такта сжатия. “CHIRON” использовал

импульсно-паузную модуляцию для управления рабочей частотой. Когда поршень был в

силовом такте, гидравлический насос использовал его энергию, чтобы нагнетать

жидкость, как полезную выходную мощность. В то же время часть энергии

использовалась для повышения давления в компрессионном аккумуляторе через обратный

клапан. Поскольку “CHIRON” был одноцилиндровым двигателем, не имелось ничего, что

толкало бы поршень, чтобы выполнить сжатие. Система останавливалась и оставалась в

Рис.33 Однопоршневой гидравлический насос,

разработанный Innas B.V. [62].

21

состоянии готовности до тех пор, пока не открывался клапан управления частотой и не

позволял давлению аккумулятора действовать на сжимающий поршень, что двигало

поршень к ВМТ, сжимая воздух в цилиндре. После сжатия воздуха инжектировалось

топливо и происходило сгорание, давая в результате силовой цикл, накачивающий

жидкость со стороны низкого давления в сторону высокого давления, а также

гидравлический аккумулятор. Процесс повторялся при открывании клапана управления

частотой. Ахтен и др. [61] сообщал как о низких рабочих частотах, так и о необходимости

создавать требуемый уровень потока или давление. В самом деле поршень движется с

похожими скоростями при различных рабочих частотах, однако он тратит различное

количество времени при ожидании в НМТ, для того, чтобы открывать клапан управления

частотой, реализована импульсная-паузная модуляция.

“CHIRON” имел рабочий ход 120-125 мм и поршень диаметром 110 мм. Его полная

эффективная мощность составляла 17 кВт с индикаторным КПД до 51%. Как сделал

вывод Ахтен и др. КПД и выбросы должны контролироваться посредством временной

синхронизации инжекции и давления в аккумуляторе сжатия [65]. Авторы сообщали о

значительном увеличении выхлопных выбросов из-за холодного старта двигателя. Они не

сообщили и потерях КПД из-за потерь тепла в холодные стенки цилиндра.

3.8.5 Электрический генератор

Рис.34 Линейный двигатель-генератор переменного тока с компрессионным зажиганием

гомогенного заряда, разработанный в Национальной лаборатории Сандиа [73].

22

Линейный двигатель может быть соединен с линейным генератором в виде

электрического генераторного блока. Генераторный блок может быть использован, как

отдельный мобильный генератор электроэнергии или как дополнительный энергетический

блок для гибридных автомобилей. Несколько исследовательских групп произвели

концептуальный анализ, моделирование и конструкцию прототипа линейного двигателя-

генератора переменного тока [59, 70-84]. Здесь показаны успехи двух групп ученых:

Национальная лаборатория Сандия (Sandia National Laboratories [71-74]) и Университет

Западной Вирджинии (West Virginia University [77-83]). Прототип “RCEM” (быстрая

копрессионно-расширительная машина) Национальной лаборатории Сандия можно

увидеть на рис.34.

Линейный двигатель, разработанный в SNL, имел устройство с двойным поршнем и

работал на двухтактном цикле, таким образом генератор никогда не работал как

двигатель, за исключением старта двигателя. RCEM был двухтактным

экспериментальным линейным двигателем с компрессионным зажиганием гомогенного

заряда. Он работал при низком коэффициенте избытка топлива (0,3) и при высоких

степенях сжатия (30:1-70:1). Гомогенный заряд и компрессионное сжатие позволяют

произвести сжигание в цилиндре при условии близком к постоянному объему, как

результат, это позволяет двигателю достичь КПД идеального цикла Отто. Ван Блариган

[71] утверждал, что 95% топливо сгорало в 80 миллисекунд. Это дало в результате 48%

теплового КПД при нижней величине для тестируемого топлива в их экспериментальном

двигателе. Ван Блариган и др.[74] испытал экспериментальный двигатель на восьми

различных топливах и обнаружил такой же высокий КПД 56% для пропана и природного

газа. RCEM имел диаметр цилиндра 76,2 мм и максимальный рабочий ход 254 мм.

Исследователи из Национальной лаборатории Сандия не сообщали о непрерывной работе.

Прототип машины был испытан при одном рабочем ходе одновременно с гомогенным

зарядом сжимаемом до самовоспламенения в одном цилиндре и вспомогательным

средством сжатого гелия, создающим сжимающую силу в другом. Линейный генератор

использовал для управления степенью сжатия для исследования. Предполагалось, что

устройство должно давать примерно максимально 30 кВт выходной мощности при

колебательной частоте 40 Гц [71].

Предыдущие исследования в Университете Западной Вирджинии включали

моделирование четырехцилиндрового четырехтактного линейного двигателя [59],

моделирование двухцилиндрового двухтактного линейного двигателя [78, 81, 83, 84, 85] и

разработку двухцилиндрового двухтактного линейного двигателя с искровым зажиганием

23

[82]. Прототип линейного двигателя, разработанный в Университете Западной

Вирджинии, можно увидеть на рис.35.

Линейный двигатель первого поколения Университете Западной Вирджинии (УЗВ)

был также двухпоршневой, двухтактной моделью, аналогичной модели Национальной

лаборатории Сандия. Главное различие заключается в том факте, что линейный двигатель

УЗВ был искрового зажигания. Двигатель имел диаметр цилиндра 36.5 мм и

максимальный рабочий ход 50 мм. Кларк и др. [82] сообщали о продолжительной работе

как на холостом режиме и, так и под нагрузкой. Бесщеточный генератор постоянного с

постоянными магнитами был использован для приложения нагрузки и получаемой

мощности от системы. Как сообщалось, нагрузка бала доведена до 316 Вт, прежде чем

двигатель был остановлен. Авторы пришли к заключению, что существующий линейный

двигатель был настолько далек от оптимального, что о КПД даже не сообщалось. Другое

предложение по исследованию было в том, что работа дросселя нежелательна ввиду

насосных потерь, которые привносит дроссель. Это требует использовать дизельную

версию показанной конструкции.

Рис.35 Линейный двигатель, разработанный в Университете Западной Вирджинии, первое

поколение [82].

24

3.9 Заключение

Эта глава суммирует существующее состояние исследования и разработки линейных

двигателей. После того как было сделано введение в линейный двигатель, были

представлены возможные вариации, такие как внешнее или внутреннее сгорание,

двухтактные или четырехтактные, работающие на основе дизельного или Отто циклов.

Были также показаны различные устройства поршня и цилиндра, получив в результате

большое количество возможных конструкций линейных двигателей. К тому же, были

кратко представлены области применения линейного двигателя находящиеся в процессе

разработки.

Было показано, что бездроссельная работа была бы в результате с большим КПД,

чем дроссельная. Было также показано, что версия линейного двигателя и

компрессионным зажиганием гомогенного заряда буде достигать КПД, близкого к циклу

Отто. Хотя HCCI в обычных двигателях требует сложного контроля и позволяет

ограниченные изменения нагрузки и рабочей скорости, он подходит для областей

использования линейного двигателя, потому что двигатель может достигать любой

возможной степени сжатия. Также было показано, что линейные двигатели будут менее

дороги для производства и обслуживания в процессе эксплуатации, чем кривошипно-

шатунные двигатели [39]. Таким образом, можно заключить, что бездроссельный HCCI-

двигатель будет создавать повышение КПД и снижение цены, по сравнению с обычными

двигателями. Было также показано, что четырехцилиндровое комбинированное

устройство с двойным оппозитным поршнем не будет требовать внешнего источника

энергии или применять энергию аккумулятора, захватывая преимущество перед

устройством со сдвоенным поршнем. В то же время оппозитное устройство будет

исключать проблему с вибрацией, которая свойственна двойным поршневым

конструкциям. Основываясь на этих фактах, можно прийти к выводу, линейный двигатель

представляет собой многообещающую платформу, как высокоэффективный источник

энергии и превосходный кандидат для блока дополнительной мощности в

последовательных гибридных электрических транспортных средствах.

Хотя несколько научных групп произвели моделирование линейного двигателя,

лишь немногие из них реализовали работающий прототип. Это показывает возможные

сложности в управлении механически простой системы и факт, что линейный двигатель

пока еще нуждается во всесторонней разработке, прежде чем он будет коммерчески

доступен.

25

4 Теоретический анализ

В этой главе представлен динамический и термодинамический анализ линейного

двигателя, далее следует размерный анализ и компьютерное моделирование двигателя.

4.1 Анализ линейного двигателя

В линейном двигателе отсутствует коленчатый вал, который бы определял движение

поршня или его верхнюю и нижнюю мертвые точки. Вместо этого скорость поршня и

положение является результатом сил, действующих на подвижный элемент, а верхняя и

нижняя мертвые точки могут изменяться от цикла к циклу. В настоящем исследовании

был проанализирован линейный двигатель с устройством с двойным поршнем.

Колеблющаяся масса состоит из поршней, поршневых колец, поршневых пальцев,

стопоров пальцев, соединительного штока, подвижных компонентов электрической

машины и крепежных элементов. Силами, действующими на подвижный элемент

являются сила инерции, сила трения, газовые силы (сжатия и расширения) и сила

нагрузки. Линейный двигатель может мыслиться как простая система из массы и

пружины, как показано на рис.36. На рис.37 показана схема свободного тела подвижного

элемента.

Рис.36 Линейный двигатель может мыслиться как система из массы и пружины. Силы,

действующие на колеблющуюся массу (подвижный элемент), определяют его движение.

На рис.37 показано схема свободного тела подвижного элемента линейного

двигателя приводимого в движение путем расширения газов сгорания.

Рис.37 Схема свободного тела линейного двигателя. Гравитация обозначена g, а сила

реакции обозначена R.

Масса представлена в виде комбинации массы подвижного элемента, две пружины

представляют газ, сжимаемый в цилиндрах, а возбуждающая сила представляет собой

силы газов во время расширения или сжатия. Зазор между подвижным элементом и

пружиной с правой стороны представляет собой пространство, где отверстия открываются

в обоих цилиндрах в одно и то же время. Выпускное отверстие уже не закрывается в

26

расширяющемся цилиндре, позволяя сбросить давление расширения. В то же самое время

отверстия еще не закрыты в цилиндре сжатия, следовательно, сжатие пока не начинается.

Только силы инерции, нагрузки и трения действуют на массу в это время. Это является

расстоянием свободного пути. Как определяет равновесие сил, суммв сид, дествующмх на

массу должна быть равна нулю.

∑ (1)

4.1.1 Сила инерции

Второй закон Ньютона определяет силу инерции на основе массы и ускорения

подвижного элемента:

(2)

4.1.2 Сила трения

В значительном количестве литературы обсуждаются задачи трения в двигателе

внутреннего сгорания в обычных вращающихся двигателях. Ученые разработали

упрощенные модели трения для моделирования трения в двигателе [110-113]. В линейном

двигателе ситуация уже упрощена по сравнению с вращающимся двигателем, поскольку

отсутствует коленчатый вал. Исключая воздействие силы тяжести (которой можно

пренебречь по сравнению с боковой силой в кривошипно-шатунном двигателе), здесь

отсутствует боковая сила на поршень, так что поршень не движется в цилиндре в

радиальном направлении. Источниками силы трения в линейном двигателе являются

трение между поршневыми кольцами и гильзой цилиндра и трение между юбкой поршня

и гильзой цилиндра. Простым методом была выбрана модель силы трения в модели.

Уравнение (3) показывает уравнение, которое было использовано для вычисления силы

трения в моделировании. представляет скорость подвижного элемента, а

(3)

Постоянная была коэффициентом трения. Она представлена как функция

диаметра цилиндра и массы подвижного элемента. Эти два параметра были выбраны,

поскольку диаметр цилиндра влияет на трение, вызванное напряжением в кольце, а масса

влияет на трение. вызванное силой тяжести. Простое испытание и ошибочный подход

27

применялся , чтобы установить и найти коэффициент трения для модели процесса для

согласования с экспериментальной работой.

Дальнейшие подробности приведены в главе 8.

4.1.3 Газовые силы

Два типа газовых сил действуют на поршневую нагрузочную группу - сила сжатия м

сила расширения. Так как двигатель работает на двухтактном цикле, в то время как в

одном цилиндре имеет место сжатие, в другом цилиндре происходит расширение и

наоборот. Поскольку двигатель симметричный, моделируемые процессы, имеющие место

в двух цилиндрах, идентичны, происходя со сдвигом на половину времени цикла между

ними. Газовая сила ( ) может быть вычислена из давления газа, умноженного на площадь

нижней части поршня (А), как показано в уравнении (4). Давление было вычислено из

уравнения выделения тепла.

(4)

4.1.3.1 Распространение тепла

Хейвуд [91] описал процесс сгорания в двигателе внутреннего сгорания как

однозонную модель с первым законом термодинамики, как показано в уравнении (5):

(5)

Первый закон термодинамики не включает эффекты переноса тепла к стенкам

цилиндра, поток внутрь и наружу в зазорах и утечки.