프리피스톤 엔진

Free-piston engine
터빈을 구동하기 위한 가스 발생기로 사용되는 프리피스톤 엔진

프리피스톤 엔진은 피스톤 운동이 크랭크축에 의해 제어되지 않고 연소실 가스, 반발 장치(예: 닫힌 실린더 내의 피스톤) 및 부하 장치(예: 가스 압축기 또는 선형 교류 발전기)로부터의 힘의 상호작용에 의해 결정되는 선형 '크랭크리스' 내연기관입니다.

이러한 모든 피스톤 엔진의 목적은 전력을 생산하는 것입니다.이 동력이 크랭크축에 공급되는 것이 아니라 터빈을 구동하는 배기가스 압력, 공압력용 에어컴프레서 등의 선형 부하를 구동하는 것, 또는 피스톤에 직접 선형 교류발전기를 내장하여 전력을 생산하는 것 중 하나를 통해 추출된다.

프리 피스톤 엔진의 기본 구성은 일반적으로 단일 피스톤, 이중 피스톤 또는 대향 피스톤으로 알려져 있으며, 연소 실린더의 수를 나타냅니다.프리피스톤 엔진은 전후 사이클마다 파워 스트로크가 필요하기 때문에 보통 2행정 작동 원리로 제한됩니다.다만, 스플릿 사이클의 4 스트로크 버전이 특허 취득되어 있습니다(GB2480461(A)는 2011-11-23).[1]

제1세대

그림 1: US1657641

현대의 프리 피스톤 엔진은[2] R.P. Pescara에 의해 제안되었으며, 원래 적용 분야는 단일 피스톤 공기 압축기였습니다.페스카라는 프리 피스톤 엔진을 개발하기 위해 Bureau Technical Pescara를 설립했고 Robert Huber는 1924년부터 [3]1962년까지 Bureau의 기술 책임자였다.

엔진 개념은 1930-1960년 동안 많은 관심을 끌었던 주제였으며, 상업적으로 이용 가능한 많은 유닛이 개발되었습니다.이러한 1세대 프리 피스톤 엔진은 예외 없이 반대되는 피스톤 엔진이었으며, 이 엔진에서는 대칭 운동을 보장하기 위해 두 피스톤이 기계적으로 연결되었습니다.프리 피스톤 엔진은 소형성과 무진동 설계 등 기존 기술에 비해 몇 가지 이점을 제공했습니다.

공기 압축기

프리 피스톤 엔진 개념을 최초로 성공적으로 적용한 것은 공기 압축기입니다.이러한 엔진에서 공기 압축기 실린더는 움직이는 피스톤에 결합되었으며, 종종 다단계 구성으로 구성되었습니다.이러한 엔진 중 일부는 컴프레서 실린더에 남아 있는 공기를 사용하여 피스톤을 되돌리므로 반발 장치가 필요하지 않습니다.

프리피스톤 공기 압축기는 독일 해군에 의해 사용되었으며, 고효율, 소형성, 저소음 및 진동 [4]등의 장점을 가지고 있었다.

가스 발생기

프리 피스톤 공기 압축기의 성공 이후, 많은 산업 연구 단체들이 프리 피스톤 가스 발생기의 개발을 시작했습니다.이러한 엔진에는 엔진 자체에 연결된 부하 장치가 없지만, 동력은 배기 터빈에서 추출됩니다.따라서 터빈의 회전 운동은 펌프, 프로펠러, 발전기 또는 기타 장치를 구동할 수 있습니다.

이 배치에서 엔진의 유일한 부하는 흡기를 과급하는 것이지만, 이론적으로 이 공기 중 일부는 원하는 경우 압축 공기 소스로 사용될 수 있습니다.이러한 변경은 앞에서 언급한 배기 구동식 터빈과 함께 사용될 때 프리 피스톤 엔진이 (터빈의 출력축으로부터) 압축 공기 온디맨드 외에 두 가지 원동력을 모두 제공할 수 있도록 합니다.

다수의 프리 피스톤 가스 발생기가 개발되었으며, 이러한 장치는 고정식 및 해양 동력 [5]플랜트와 같은 대규모 애플리케이션에 널리 사용되었습니다.(예를 들어 가스터빈 기관차에서) 차량 추진에 프리 피스톤 가스 발생기를 사용하려고 시도했지만 [6][7]성공하지 못했다.

최신 어플리케이션

프리피스톤 엔진 컨셉의 현대적인 적용 분야에는 오프로드 차량을 위한 유압 엔진과 하이브리드 전기 자동차 사용을 위한 프리피스톤 엔진 제너레이터가 있습니다.

유압

이러한 엔진은 일반적으로 단일 피스톤 유형으로 유압 실린더가 유압 컨트롤 시스템을 사용하여 부하 및 반발 장치 역할을 합니다.이것에 의해, 유닛의 운용 유연성이 높아집니다.뛰어난 부품 부하 퍼포먼스가 [8][9]보고되었습니다.

제너레이터

주요 기사:자유 피스톤 선형 발전기

피스톤 및 실린더 벽에 전기 코일이 있는 무거운 크랭크축을 제거하는 자유 피스톤 선형 발전기는 하이브리드 전기 차량에 레인지 익스텐더로 사용하기 위해 여러 연구 그룹에 의해 조사되고 있습니다.최초의 무료 피스톤 발전기는 [10]1934년에 특허를 받았다.예를 들어, 독일 [11]특허를 기반으로 Pempek Systems[4]에서 제조한 Stelzer 엔진과 Free Piston Power Pack이 있습니다.단일 피스톤 자유-피스톤 선형 발전기는 2013년 독일 항공우주 센터에서 시연되었습니다(Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt; DLR).[12]

이러한 엔진은 주로 듀얼 피스톤 유형으로, 높은 출력 대 중량비의 소형 장치를 제공합니다.이 설계의 과제는 무게가 충분히 작은 전기 모터를 찾는 것입니다.이중 피스톤 [13][14]엔진의 경우 높은 사이클 대 사이클 변동 형태의 제어 문제가 보고되었습니다.

2014년 6월, 토요타는 프리 피스톤 엔진 리니어 제너레이터(FPEG) 시제품을 발표했습니다.파워 스트로크 중에 피스톤이 아래로 강제되면 피스톤은 실린더 내의 권선을 통과하여 3상 AC 전기의 버스트를 생성합니다.피스톤은 두 스트로크 모두에서 전기를 발생시켜 피스톤 데드 손실을 줄입니다.제너레이터는 유압 작동식 배기 포핏 밸브, 가솔린 직분사 및 전자 작동식 밸브를 사용하여 2행정 사이클로 작동합니다.엔진은 수소, 천연가스, 에탄올, 가솔린, 디젤 등 다양한 연료에서 작동하도록 쉽게 개조됩니다.2기통 FPEG는 본질적으로 [15]평형이다.

도요타는 연속 사용 시 열효율 등급이 42%로 오늘날의 평균인 25-30%를 크게 웃돌고 있습니다.도요타는 길이 24인치, 직경 2.5인치로 15마력(11kW 이상)[16]을 발휘했다.

특징들

프리 피스톤 엔진의 작동 특성은 기존의 크랭크축 엔진과 다릅니다.주된 차이는 피스톤 운동이 프리 피스톤 엔진의 크랭크축에 의해 제한되지 않기 때문에 가변 압축비의 잠재적인 가치가 있다는 것입니다.그러나 연료 점화 및 효율적인 연소를 보장하고 과도한 실린더 내 압력 또는 더 나쁜 경우 피스톤이 실린더 헤드와 충돌하는 것을 방지하기 위해 데드 센터의 위치를 정확하게 제어해야 하기 때문에 이 또한 제어 문제를 야기합니다.프리피스톤 엔진은 여러 가지 고유한 기능을 갖추고 있으며, 일부는 잠재적인 이점을 제공하며, 일부는 프리피스톤 엔진이 기존 기술에 대한 현실적인 대안이 되기 위해 극복해야 하는 과제를 나타냅니다.

엔드포인트 간의 피스톤 운동이 크랭크 메커니즘에 의해 기계적으로 제한되지 않기 때문에 프리피스톤 엔진은 광범위한 운전 최적화, 높은 부분 부하 효율 및 가능한 다중 연료 작동을 제공할 수 있는 가변 압축비라는 귀중한 특징을 가진다.이러한 기능은 적절한 제어 방법을 통해 가변 연료 분사 타이밍 및 밸브 타이밍에 의해 향상됩니다.

가변 스트로크 길이는 제어 가능한 유압 실린더를 반발 장치로 사용하여 BDC에서 피스톤 운동을 일시 중지하는 PPM(펄스 일시 중지 변조) 제어 [1]와 같은 적절한 주파수 제어 방식에 의해 달성됩니다.따라서 피스톤이 BDC에 도달한 시점부터 다음 스트로크를 위한 압축 에너지 방출 사이에 일시 정지를 적용하여 주파수를 제어할 수 있습니다.

가동 부품이 적기 때문에 마찰 손실과 제조 비용을 줄일 수 있습니다.심플하고 콤팩트한 설계로 유지보수가 적게 소요되어 수명이 길어집니다.

순수하게 선형 운동을 하면 피스톤의 측면 부하가 매우 낮아지므로 피스톤에 대한 윤활 요구 사항이 줄어듭니다.

프리 피스톤 엔진의 연소 프로세스는 사전 혼합된 전하가 압축되고 자체 점화되므로 정확한 점화 타이밍 제어에 대한 요구 사항이 낮아지는 동시에 매우 빠른 연소가 발생하는 균질 충전 압축 점화(HCCI) 모드에 적합합니다.또한 거의 일정한 체적 연소와 희박 혼합물을 연소시켜 가스 온도를 낮추고 그에 따라 일부 유형의 배출물을 배출할 수 있는 가능성으로 인해 높은 효율성을 얻을 수 있습니다.

여러 엔진을 병렬로 작동시키면 균형 문제로 인한 진동을 줄일 수 있지만, 이를 위해서는 엔진 속도를 정확하게 제어해야 합니다.또 다른 가능성은 균형추 적용으로 인해 설계가 더 복잡해지고 엔진 크기와 무게가 증가하며 마찰 손실이 추가로 발생합니다.

기존 엔진의 플라이휠과 같은 에너지 저장 장치가 없으면 엔진을 여러 번 회전시킬 수 없습니다.따라서 엔진이 충분한 압축을 구축하지 못하거나 다른 요인이 분사/점화 및 연소에 영향을 미치는 경우 엔진이 정지할 수 있습니다.따라서 오발과 정확한 스피드 컨트롤이 필요합니다.

이점

프리피스톤 개념의 잠재적인 장점은 다음과 같습니다.

  • 가동 부품이 적은 심플한 설계로 유지 보수 비용이 저렴하고 마찰 손실이 적은 컴팩트한 엔진을 제공합니다.
  • 가변 압축비를 통한 작동 유연성은 모든 작동 조건 및 다중 연료 작동을 최적화할 수 있습니다.프리 피스톤 엔진은 균질 전하 압축 점화(HCCI) [17]작동에 더욱 적합합니다.
  • 상사점(TDC) 주위의 피스톤 속도가 높고 파워 스트로크 확장이 빠르면 연료와 공기의 혼합이 개선되고 열 전달 손실 및 질소 산화물(NOx)[18][19]과 같은 온도에 의존하는 배기 가스 생성에 사용할 수 있는 시간이 단축됩니다.

과제들

프리피스톤 엔진의 주요 과제는 엔진 제어이며, 이는 싱글 피스톤 유압 프리피스톤 엔진의 경우에만 완전히 해결된다고 할 수 있습니다.이중 피스톤 엔진의 과도 작동 중 연소 프로세스에서 사이클 간 변화의 영향 및 엔진 성능과 같은 문제는 추가 조사가 필요한 주제입니다.크랭크축 엔진은 교류 발전기, 오일 펌프, 연료 펌프, 냉각 시스템, 스타터 등과 같은 기존 액세서리를 연결할 수 있습니다.

교류발전기, 에어컨 컴프레서, 파워 스티어링 펌프 및 오염 방지 장치와 같은 기존 자동차 엔진 부속품을 회전시키는 회전 움직임을 배기 스트림에 위치한 터빈에서 포착할 수 있다.

대향 피스톤 엔진

대부분의 자유 피스톤 엔진은 중앙 연소실이 1개인 대향 피스톤 유형입니다.변형은 두 개의 개별 연소실이 있는 대향 피스톤 엔진입니다.예를 들어 Stelzer 엔진이 있습니다.

최근의 동향

21세기에는 프리피스톤 엔진에 대한 연구가 계속되고 있으며 많은 나라에서 특허가 발표되었습니다.영국에서는 뉴캐슬 대학이 프리 피스톤 [20]엔진에 대한 연구를 진행하고 있다.

새로운 종류의 프리피스톤 엔진인 프리피스톤 선형 발전기는 독일 [21]항공우주 센터에 의해 개발되고 있다.

이러한 프로토타입 외에도 미국 웨스트버지니아 대학의 연구진은 90Hz의 [22]작동 주파수의 기계 스프링을 갖춘 단일 실린더 프리 피스톤 엔진 프로토타입 개발에 힘쓰고 있습니다.

레퍼런스

  1. ^ "Espacenet - Original document".
  2. ^ Pescara R.P., 모터 컴프레서 장치, 미국 특허 1,657,641, 1928.
  3. ^ "History". freikolben.ch. Archived from the original on 2012-04-22. Retrieved 2015-03-27.
  4. ^ Toutant, W.T. (1952). "The Worthington–Junkers free-piston air compressor". Journal of the American Society of Naval Engineers (64): 583–594.
  5. ^ 런던 A.L., 오펜하임 A.K, 프리 피스톤 엔진 개발 -- 현황 및 설계 측면, ASME 1952:74:1349–1361.
  6. ^ 언더우드 A.F. GMR 4-4 'HYPREX' 엔진 – 자동차용 프리 피스톤 엔진의 개념, SAE 트랜잭션 1957:65:377–391.
  7. ^ 프레이 D.N. 등자동차 프리 피스톤 터빈 엔진, SAE 트랜잭션 1957:65:628–634.
  8. ^ Achten P.A.J. 등 두뇌를 가진 마력:키론 프리 피스톤 엔진 설계, SAE Paper 2000–01–2545, 2000.
  9. ^ Brunner H. et al., 르네상스 아이너 콜벤머신, Antriebstechnik 2005:4:66-70.
  10. ^ P. 오스텐버그전기 발전기미국 특허 2362151 A - 1959.
  11. ^ Willimczik W. Hubkolbenmaschine mit elektrischem Triebwerk, insondeee Hubkolben-Lineargenerator, WP113 593, 1974
  12. ^ 닥터-잉Horst E.Friedrich, 독일항공우주센터(DLR), [1], 2013년 2월 19일
  13. ^ Clark N. et al., 선형 엔진의 모델링 및 개발, Proc. ASME 스프링 컨퍼런스, 내연기관 부문, 1998:30:49-57.
  14. ^ Tikkanen S. et al., 이중 유압 프리 피스톤 엔진의 첫 번째 사이클, SAE Paper 2000–01–2546,
  15. ^ BioAge Media. "Toyota Central R& developing free-piston engine linear generator; envisioning multi-FPEG units for electric drive vehicles". greencarcongress.com.
  16. ^ Cammisa, Jason (June 30, 2014). "No crankshaft, no problem: Toyota's free piston engine is brilliant". Road and Track.
  17. ^ 반 블라리건 P.첨단 내연 발전기
  18. ^ 미칼슨 R, 로스킬리 A.P.발전용 2행정 프리 피스톤 압축 점화 엔진의 설계 및 시뮬레이션.응용 열공학, Volume 28, 제5-6호, 589-600페이지, 2008.[2]
  19. ^ 미칼슨 R, 로스킬리 A.P.프리 피스톤 디젤 엔진 연소에 대한 계산 연구.Applied Energy, Volume 86, 제7-8호, 1136-1143페이지, 2009.[3]
  20. ^ "Home". free-piston.eu.
  21. ^ DLR 연구진이 전기 자동차용 새로운 종류의 레인지 익스텐더를 공개하다
  22. ^ 베이드, 메하, 나이젤 N. 클라크, 매튜 C로빈슨, 그리고 파르비즈 파무리.'진동 리니어 엔진 교류발전기의 연소 및 열전달 특성 파라미터 연구' 2018년 연소저널(2018년).

원천

  • 미칼슨 R., 로스킬리 AP.프리 피스톤 엔진 이력 및 응용 프로그램 검토.응용 열공학, 제27권, 제14-15호, 2339-2352페이지, 2007. [5].

외부 링크