Электронная обвеска ДВС с генерацией электричества в цилиндре, В чём неразрешимые сложности ? Опции

[san822]

Попалась мне статейка "Поршень на свободе: Двигатель со свободным поршнем", которая напомнила мне о давно витающей в голове идее бензогенератора, в котором электроэнергия вырабатывалась бы прямо в цилиндре.

Его конструкция могла бы быть примерно такой, как на этом рисунке:

http://img-fotki.yandex.ru/get/15536/10333...0f2c4e_orig.jpg

Примечания к рисунку:

1) Размеры взяты "на глазок";
2) Радиаторы, крепления, ГРМ и устройства поджига смеси и другие мелочи не нарисованы;
3) Пружины должны быть максимально мягкими, чтобы не понижать КПД. Их главная цель - не давать сильно болтаться и биться о дно поршням в выключенном режиме;
4) Управление ГРМ, впрыском и поджигом полностью контролируется электроникой, что позволяет создать любые циклы работы цилиндров;
5) Частота колебания магнита не планируется большой для долговечности конструкции и снижения требований к управляющим механизмам и электронике, речь о 20 000 циклах, как в статье выше не идёт.

Преимущества такой конструкции очевидны по сравнению с классической конструкцией бензогенераторов - меньшее число трущихся деталей, меньшая материалоёмкость и компактность.


Хотелось бы поинтересоваться у уважаемой публики - почему при очевидных плюсах и относительно простоте, такие ДВС вообще невозможно встретить нигде ? Ни на транспорте, ни в индустрии производства электроэнергии...

Я ожидаю ответов в профессиональном тоне, поэтому создал тему в этом разделе, а не в разделе "Общение". Просьба не захламлять разговор предположениями типа "Ну, если до сих пор не сделано, значит это невозможно" или "Это всё сговор производителей бензина, они заинтересованы в низком КПД применяемых ДВС" и т. д. Давайте сосредоточимся на технических проблемах в этой теме.

[1113]

имхо
1) отсутствие шатуна не приведёт к "Преимущества такой конструкции очевидны". может, чисто теоретически, это и поможет увеличить КПД на пол-%, но стОит ли игра свечь? основная потеря энергии происходит в механическом движении туда-сюда поршней.
2) чтобы с магнита и катушек снять хоть сколько-нибудь значимую мощность (сотню кВт хотя бы) очевидно частота колебаний должна быть мегагерцы, а в случае механических колебаний ваших поршней это - сотни герц.
3) пружины там вообще не нужны. это как выходной каскад класса АB - можно настроить сквозной ток так, чтобы ничего не болталось.

настольная модель такого двигателя мощностью 10 мЛС заработает, это точно.

upd. забыл самое главное - а за счёт чего циклов в двигателе стало не 4 а 2?

[san822]

имхо
1) отсутствие шатуна не приведёт к "Преимущества такой конструкции очевидны". может, чисто теоретически, это и поможет увеличить КПД на пол-%, но стОит ли игра свечь? основная потеря энергии происходит в механическом движении туда-сюда поршней.

Стоит даже при таком же КПД. Так как конструкция получится проще (а значит и надёжнее) и менее материалоёмкая.

2) чтобы с магнита и катушек снять хоть сколько-нибудь значимую мощность (сотню кВт хотя бы) очевидно частота колебаний должна быть мегагерцы, а в случае механических колебаний ваших поршней это - сотни герц.

Можно более развернуто подать этот ответ ? Почему для эффективного снятия мощности нужны большие частоты ?

3) пружины там вообще не нужны. это как выходной каскад класса АB - можно настроить сквозной ток так, чтобы ничего не болталось.

Можно настроить когда он в рабочем режиме. Но когда двигатель отключен и его переносят или перевозят, то надо как-то предотвратить удары поршней о детали двигателя (в зависимости от размеров удары будут либо по дну камеры сгорания, либо по держателю катушки).

настольная модель такого двигателя мощностью 10 мЛС заработает, это точно.

Мощность многих китайских бензогенераторов, которые сейчас массово продаются в строительных гипермаркетах не превышает и 1 кВт. Т. е. даже при работоспособности на малых мощностях такой ДВС должен быть востребован. Но все упорно продолжают делать бензогенераторы по классической схеме. Почему ?

upd. забыл самое главное - а за счёт чего циклов в двигателе стало не 4 а 2?

Вы про какую конструкцию говорите ? Из статьи или которая мною описана (просто я про циклы ничего пока не говорил) ?

[1113]

http://lib.alnam.ru/book_phis9.php?id=121

[san822]

http://lib.alnam.ru/book_phis9.php?id=121

Можно было бы привести ссылку на Википедию хотя бы, чтобы не заставлять читателей смотреть сайт обвешанный рекламой.

Главная фраза из Википедии такова:

Для катушки, находящейся в переменном магнитном поле, закон Фарадея можно записать следующим образом:

E = −N(dΦB/dt) = −dΨ/dt
где

E — электродвижущая сила,
N — число витков,
ΦB — магнитный поток через один виток,
Ψ — потокосцепление катушки.

Да, ЭДС зависит от скорости, но что мешает найти компромисс между скоростью и постоянным магнитом с высокой остаточной намагниченностью ?

В общем, это не такая уж неразрешимая проблема, которая не даёт ДВС со свободным поршнем войти в массы.

[Егоров]

Его конструкция могла бы быть примерно такой, как на этом рисунке:

Хотелось бы поинтересоваться у уважаемой публики - почему при очевидных плюсах и относительно простоте, такие ДВС вообще невозможно встретить нигде ?

Такой двигатель реализован. Еще лет десять назад были публикации. Но простота схемы обернулась дополнительными сложностями в реализации.
Прежде всего, линейный генератор не удается сделать приемлемого качества.
Ведь в обычном двигателе бесполезно туда-сюда гоняется масса легкого поршня и шатуна. А тут приходится ускорять-тормозить большую массу якоря генератора. Передать всю его кинетическую энергию в электрику не получается.
Если бы результаты были получше или хоть обнадеживающие, то за десяток лет были бы подвижки. Любая работоспособная идея не заглохнет просто так.

[AlexandrY]

В общем, это не такая уж неразрешимая проблема, которая не даёт ДВС со свободным поршнем войти в массы.

До последнего времени видимо была проблема в размагничивании ниодимовых магнитов на высоких температурах и ухудшении параметров железа.
Один сбой в системе охлаждения и весь мотор на капремонт.

Потом характер нагрузки.
Она резко нелинейная.
В точке прохождения через середину катушки возникает максимальное сопротивление.
А в краевых положениях минимальное.
Чтобы симулировать нагрузку как в обычном движке думаю нужно цепью катушки активно управлять как в солнечных батареях в поисках точки максимальной отдачи энергии но с гораздо большей частотой.
Скажем микроконтроллер от Freescale типа MK70 на 150 МГц такое бы уже не потянул если задачу как принято начнут решать на размытой нейрологике и распознавании образов.

[san822]

Такой двигатель реализован. Еще лет десять назад были публикации. Но простота схемы обернулась дополнительными сложностями в реализации.
Прежде всего, линейный генератор не удается сделать приемлемого качества.

Вот было бы хорошо, если бы Вы ознакомили аудиторию с этим двигателем, чтобы было о чём конкретно говорить.

Ведь в обычном двигателе бесполезно туда-сюда гоняется масса легкого поршня и шатуна. А тут приходится ускорять-тормозить большую массу якоря генератора. Передать всю его кинетическую энергию в электрику не получается.
Если бы результаты были получше или хоть обнадеживающие, то за десяток лет были бы подвижки. Любая работоспособная идея не заглохнет просто так.

В чём именно проблема ? В дизель-молотах бабы имеют массу измеряемую десятками тонн и работают ведь !

До последнего времени видимо была проблема в размагничивании ниодимовых магнитов на высоких температурах и ухудшении параметров железа.
Один сбой в системе охлаждения и весь мотор на капремонт.

Судя по открытым источникам, эта проблема решаема.

Редкоземельные магниты SmCo (Самарий-Кобальт)
Изготавливаются методом порошковой металлургии из композиционного сплава SmCo5/Sm2Co17 и характеризуются высокими магнитными свойствами, отличной коррозионной устойчивостью и хорошей стабильностью параметров при температурах до 350 °C, что обеспечивает им преимущества на высоких температурах перед магнитами NdFeB

Магниты Альнико (российское название ЮНДК)
Изготавливаются основе сплава Al-Ni-Co-Fe. К их преимуществам можно отнести высокую температурную стабильность в интервале температур до 550 °C, высокую временну́ю стабильность параметров в сочетании с большой величиной коэрцитивной силы, хорошую коррозионную устойчивость. Важным фактором в пользу их выбора может являться значительно меньшая стоимость по сравнению с магнитами из Sm-Co.

Кроме того, двигатель можно сконструировать так, чтобы зона с катушкой не сильно нагревалась. Ведь поршни до той зоны всё равно не доходят, нагрузки на неё меньше, и её можно сделать, например, из спецкерамики. Не зря у меня на рисунке была условно выделена "Холодная зона".

http://img-fotki.yandex.ru/get/15536/10333...0f2c4e_orig.jpg

Потом характер нагрузки.
Она резко нелинейная.
В точке прохождения через середину катушки возникает максимальное сопротивление.
А в краевых положениях минимальное.
Чтобы симулировать нагрузку как в обычном движке думаю нужно цепью катушки активно управлять как в солнечных батареях в поисках точки максимальной отдачи энергии но с гораздо большей частотой.
Скажем микроконтроллер от Freescale типа MK70 на 150 МГц такое бы уже не потянул если задачу как принято начнут решать на размытой нейрологике и распознавании образов.

Да, с катушки оптимально снимать напряжение через умный инвертор. Желательно выпрямитель ставить с управляемыми ключами (но это уже оптимизация на будущее), конденсатор побольше(чтобы пики потребления конечного потребителя не слишком влияли на ДВС) и т. д. По поводу сопротивления поршням - не забываем, что ГРМ, впрыск и поджиг у нас по идее полностью управляемые электроникой и тут тоже есть возможности оптимизации.

Что касается контроллеров, то полагаю, что лидеры современного двигателестроения за каждый процент повышения КПД готовы ставить по Freescale типа MK70 на 150 МГц, так как механические доработки часто стоят заметно дороже.

[Егоров]

Да в дизель-молоте скорость той бабы некритична. Энергию удара по свае можно набрать как раз тонной массы. А вот перегнать это в электроэнергию на скоростях свободного падения с метра высоты не удастся ничего.
Давайте упростим задачу для наглядности. Ушлого народу предостаточно. Не утруждая себя конструированием оригинальных ДВС, один парень просто попытался заменить генератор в мотоцикле линейным генератором. Он приспособил к коленвалу нечто вроде дополнительного цилиндра-катушки с поршнем-магнитом. Ничего толкового от самого генератора он не получил. Так что проблема не в поршневой группе, а в самом линейном генераторе.
ЭДС проводника в магнитном поле Е=BLs *cos alfa, где
B индукция, L длина проводника, s скорость, cos alfa угол пересечения силовых линий.
Отбросим последнее, полагая его равным единице, движемся строго поперек. Ну и получим при 1 тесла и 1м/с скорости на метр обмотки 1 вольт...
Маловато будет. В обычном манюсеньком бензогенераторе линейная скорость движения раз в 50 больше. И при этом ротор генератора не разгоняется и тормозится со всей своей железячной массой 50 раз в секунду.
Немного в сторону, но гораздо перспективнее термоакустические стирлинги. Англичане как-то создали образец достаточно интересный, там металлическая мембрана резонировала с частотой так 200-400Гц. и генератор с легким пластинчатым якорем давал что-то заметное.
В Харькове есть мужик, профессионально долбящий тему много лет. Он этот стирлинг сумел повторить. Ну, игрушка получилась занимательная, но чтобы что-то серийноспособное так нет. Достаточно капризная технология и настройка.
Тема ДВС или какого-либо иного работоспособного теплового двигателя диапазона мощностей в 10-50 Вт, конкурента по КПД и надежности паровой машине, никем пока на практике не раскрыта, увы. Разве что есть уже 200 лет сама паровая машина, но она требует постоянного обслуживания.

Прикрепленные файлы

 ________.jpg ( 149.94 килобайт ) Кол-во скачиваний: 88

 

[syoma]

ИМХО задачу можно упростить другим образом. Мне очевидно, что при правильном управлении катушкой схема обращаема - то есть подавая напряжение на катушку можно управлять движением или положением поршня - что собственно давно делают в погружных насосах.
Значит в первом приближении надо собрать механику, к катушке подключить транзисторный мост с датчиком тока и контроллером, и запрограммировать на последнем алгоритм ШИМ, при котором получаются устойчивые и контроллируемые колебания поршня, скажем с частотой в 10 Гц и амплитудой 10см, независимо от нагрузки. Тарахтеть эта штука должна знатно, ну и воздух качать до кучи.

Затем добавляем такой фактор, как цикл ДВС с впуском, сжатием, поджигом и выпуском, синхронно с колебаниями. Наверное 2-х тактный для начала. Очевидно, что с определенного момента при расширении газов в камере сгорания, поршень начнет совершать работу, что в результате приведет к тому, что в некоторых участках хода поршня, контроллеру придется тормозить ключами и соответственно заряжать звено постоянного тока, чтобы удерживать поршень на траектории. Получим выход электроэнергии в виде приращения напряжения звена постоянного тока. Вопрос собственно в КПД.

[Егоров]

ИМХО задачу можно упростить другим образом. ....Получим выход электроэнергии в виде приращения напряжения звена постоянного тока. Вопрос собственно в КПД.

Дык умозрительных решений масса.
В свое время Александр Белл заметил что-то вроде:
Техника достигла такого уровня, что мы можем в принципе и самого человека передать по проводам. Но мелкие технические трудности встречающиеся на пути заставляют нас пока отказаться от этой затеи.

Поршень должен работать при высоких температурах. Редкоземельные магниты чуть за 100С теряют свойства. Рабочий зазор из стенки цилиндра великоват для магнитной цепи.
Начинаем выводить магнитную систему из температурной зоны - появляются штоки, подшипники скольжения и куча других мелких технических трудностей.
Было бы там что-то обнадеживающее - был бы давно технический прорыв в этом направлении.
После разговоров с несколькими специалистами я понял, что низкотемпературный двигатель такого типа технически возможен но его КПД будет явно хуже паровой машины при 250С. Оптимистично 3-5%.
Плюс только технологические трудности и обслуживание.
Вот тот мужик на которого я ссылался выше по стирлингам , термодинамику и механику понимает отлично. Жаль только что прошлифовать до зеркала поршень ему намного легче чем измерить мощность потребляемую светодиодом.
Попытки были. В частности, двигатель Мэнсона. Он в пределе сводится к тому, что если просто греть цилиндр двухтактного двигателя, то он заработает на нагретом воздухе. Но КПД менее 1%. Двигатель еле-еле сам себя крутит.

[syoma]

Дык умозрительных решений масса.
В свое время Александр Белл заметил что-то вроде:
Техника достигла такого уровня, что мы можем в принципе и самого человека передать по проводам. Но мелкие технические трудности встречающиеся на пути заставляют нас пока отказаться от этой затеи.

Я все понимаю. Но в последнее время меня все больше посещает идея, что благодаря развитию совершенно иных технологий, сегодня тот же ДВС мог бы выглядеть совсем иначе, если бы был разработан с нуля.
Ему сейчас приделывают костыли в виде катализаторов и 9-и ступенчатые коробки передач, пытаясь улучшить. Уже сейчас собираются менять привод клапанов на электромагнитный.
А кто знает - может быть паровая машина при текущем развитии технологий могла бы иметь КПД и повыше?

Больше всего меня, конечно, привлекает силовая электроника. Лет 20-30 назад сама идея такого ДВС, как у ТС, была бы сразу отброшена, потому что не было таких черных коробочек:

Соответственно ни о каком активном выпрямителе,да еще на килогерцы, не могло бы быть и речи.
А сейчас есть. И даже на 25кГц Si-C вырывается. И возможно теперь создание такого двигателя стало возможным.

[Егоров]

А кто знает - может быть паровая машина при текущем развитии технологий могла бы иметь КПД и повыше?

Да чего тут знать? Еще лет 70 назад было понятно, что паровая машина ничуть не хуже, а во многих отношениях и лучше ДВС для применения на автомобиле. По крайней мере, по КПД городского цикла (8-9% )ничуть не хуже. А по динамике - вообще на голову выше. Ведь паровые автомобили выпускались серийно аж до начала 30-х.
Единственный существенный недостаток - большое время готовности. У лучших моделей оно было порядка 20-30 минут перед поездкой. Ну и водой заправляться нужно, желательно чистой.
Мельком почитал, что "Мерседес" ведет исследовательские работы в надежде осовременить старую идею.

[alexunder]

...Уже сейчас собираются менять привод клапанов на электромагнитный.

Немного оффтоп: в серийном пр-ве это где-то предлагается или пока что это дороже обычной механики с распред-валами? Я был бы рад на ДВС своёго пепелаца такую систему установить.

[In_an_im_di]

Ведь в обычном двигателе бесполезно туда-сюда гоняется масса легкого поршня и шатуна. А тут приходится ускорять-тормозить большую массу якоря генератора. Передать всю его кинетическую энергию в электрику не получается.
Если бы результаты были получше или хоть обнадеживающие, то за десяток лет были бы подвижки. Любая работоспособная идея не заглохнет просто так.

вот тоже так считаю. колебать якорь нужен этот двигатель. всё, что сверху-и есть полезный выхлоп, ибо, невесомых магнитов ещё не изобрели.

Сообщение отредактировал In_an_im_di - Dec 8 2014, 16:44