Нетрадиционным направлением развития конструкций двигателей внутреннего сгорания, является разработка свободнопоршневых энергетических установок. Их особенности работы связаны с отсутствием кривошипно-шатунного механизма, преобразующего в традиционном двигателе возвратно-поступательное движение поршня в однонаправленное вращение выходного вала. Отсутствие ограничителя движения поршня (кривошипно-шатунного механизма) приводит к иному закону движения, что позволяет получить качественно новые его характеристики.
В традиционной силовой установке среди нагромождения этих систем практически не виден сам двигатель, структурная схема основного механизма которого осталась неизменной со времѐн Ленуара, Отто, Бенца и Даймлера.
Существует своеобразное «табу» на основной механизм ДВС при котором значительно изменяется конструкция различных систем: газообмена, впрыска топлива и т.д., но существенным образом не изменяется схема кривошипно-шатунного механизма. И это при том, что кривошипно-шатунный механизм имеет много принципиальных недостатков: он обеспечивает возможность реализации далеко не идеального термодинамического процесса при постоянно изменяющемся рабочем объѐме и не позволяет преобразовывать максимальную нагрузку на поршень в крутящий момент на валу при нулевом эффективном плече; быстротекущие процессы расширения-сжатия определяют политропный процесс преобразования тепловой энергии, существенно отличающийся от идеального; прижатие поршня к цилиндру существенно ограничивает работоспособность и ресурс двигателя, а механизм одноцилиндрового двигателя вовсе кинематически неработоспособен и необходимо применение лишней массивной детали - маховика.
Кроме того повышение частоты вращения и степени сжатия, как способ увеличения литровой мощности двигателя, приводит к снижению его термодинамического совершенства. Как следствие имеется объективная причина поиска принципиально новых механизмов двигателей силовых установок.
Оригинальная концепция двигателя внутреннего сгорания - простота.
Одна из самых радикальных концепций ДВС в истории — двигатель со свободным поршнем. Первые упоминания о нем в специальной литературе относятся к 20-м годам прошедшего столетия. С 1930-х по 1960-е годы такие двигатели использовались в качестве воздушных компрессоров и газогенераторов, поскольку они обладали заметными преимуществами перед обычными двигателями внутреннего сгорания и газовыми турбинами.
Свободнопоршневой двигатель аналогичен обычному поршневому двигателю внутреннего сгорания, но с заменой системы коленчатого вала линейным поршневым узлом, который может работать свободно и только в линейном перемещении.
КПД такого двигателя теоретически больше 70%. Он легок и прост в производстве, а, значит, дешев. Но, не смотря на то, что этот двигатель известен около ста лет, широкого распространения он не получил. Причин тому несколько, и самая главная из них состоит в том, что до последнего времени инженеры не знали, каким способом можно было бы снять мощность с поршня, движущегося взад-вперед внутри цилиндра с частотой 20 000 раз в минуту.
Первостепенная проблема - как снять мощность с такого двигателя, который механически представляет собой замкнутую систему? Как подключиться к поршню, который перемещается с высокой частотой?
Эта задача долго оставалась нерешенной, хотя попытки производились регулярно. В частности об нее обломали зубы инженеры General Motors в 1960-х годах в процессе разработки компрессора экспериментального газотурбинного автомобиля. Действующие образцы судовых насосов на основе свободнопоршневых двигателей в начале 1980-х были изготовлены французской компанией Sigma и британской Alan Muntz, но в серию они не пошли.
Растущий интерес к исследованиям и разработкам, а также инвестиции в эту технологию привели к появлению большего числа конфигураций прототипов двигателя со свободным поршнем. В целом они могут быть различного типа: двухтактные с оппозитными поршнями, четырехтактные с оппозитными поршнями, двухтактные с одним поршнем и двухтактные с двумя поршнями, используя свечи зажигания или принцип дизельного двигателя и пр. Известны даже двигатели со свободным поршнем, работающим по принципу Стирлинга.
Свободнопоршневой двигатель можно считать наиболее простой конструкцией хорошо приспособленной к требованиям массового производства, исходя из основных требований - простота, минимум подвижных звеньев, высокий КПД.
Преимущества свободнопоршневого двигателя заманчивы:
- организация и условия протекания рабочего процесса, которые обеспечивают высокие КПД и динамические показатели при отсутствии дымления (сажи) (преимущества свободного поршня в дизеле заключаются в оптимальном подводе тепла, отсутствии ограничений на жесткость и максимальное давление цикла, высокий механический КПД, незначительный (до 10%) провал коэффициента избытка воздуха при наборе нагрузки;
- многотопливность, возможность применения низкосортных альтернативных топлив и газов произвольного состава, включая сбросные и тощие (содержание метана более 10 – 20 % без потери мощности) с воспламенением от сжатия;
- динамическая уравновешенность, отсутствие вибраций;
- низкие затраты при эксплуатации и ремонте;
- высокие пусковые качества при низких температурах;
- возможность отключения одного или нескольких секций без остановки остальных;
- возможность повышения давления наддува и максимального давления сгорания;
- простота, надежность и технологичность конструкции;
- удобство компоновки в пространстве (возможен модульный принцип построения):
- удельная массовая и габаритная мощность значительно выше дизелей.
Свободнопоршневой двигатель можно считать наиболее простым по конструкции и хорошо приспособленным к требованиям массового производства среди всех используемых ДВС.
Свободнопоршневой двигатель. Источник: DLR
Однако не все так просто. Перед учеными стоят две важнейшие проблемы свободнопоршневого двигателя: отбор полученной мощности и управление капризным поршнем. Не так то просто снять механически мощность с двигателя, представляющего собой замкнутую систему, и контролировать работу установки при частоте до 20 000 циклов в минуту. Кроме того, верхняя мертвая точка траектории зависит от степени сжатия и скорости сгорания топливного заряда. Фактически торможение поршня происходит за счет создания критического давления в камере и последующего самопроизвольного возгорания смеси. В обычном ДВС каждый последующий цикл является аналогом предыдущего благодаря жестким механическим связям между поршнями и коленчатым валом. В свободнопоршневом же длительность тактов и верхняя мертвая точка — плавающие величины. Малейшая неточность в дозировке топливного заряда или нестабильность режима сгорания вызывают остановку поршня или удар в один из торцов цилиндра.
Таким образом, для двигателя такого типа требуется мощная и быстродействующая электронная система управления. Создать ее не так просто, как кажется. Многие эксперты считают эту задачу трудновыполнимой. Гарри Смайт, научный руководитель лаборатории General Motors по силовым установкам, утверждает: «Двигатели внутреннего сгорания со свободным поршнем обладают рядом уникальных достоинств. Но чтобы создать надежный серийный агрегат, нужно еще очень много узнать о его термодинамике и научиться управлять процессом сгорания смеси». Ему вторит профессор Массачусетского технологического института Джон Хейвуд: «В этой области еще очень много белых пятен. Не факт, что для свободнопоршневого двигателя удастся разработать простую и дешевую систему управления».
Но наука и техника развиваются настолько стремительно, что проблемы, реализация которых была невозможна вчера, сегодня вполне реализуемые за счет новых материалов, технологий, микропроцессорной техники и интеллектуальных систем управления.
