Un motor de pistón libre es un motor lineal de combustión interna 'sin cigüeñal' , en el que el movimiento del pistón no está controlado por un cigüeñal sino que está determinado por la interacción de fuerzas de los gases de la cámara de combustión , un dispositivo de rebote (por ejemplo, un pistón en un cilindro cerrado) y un dispositivo de carga (por ejemplo, un compresor de gas o un alternador lineal ).
El propósito de todos estos motores de pistón es generar energía. En el motor de pistón libre, esta potencia no se entrega a un cigüeñal, sino que se extrae a través de la presión de los gases de escape que impulsa una turbina, a través de la impulsión de una carga lineal, como un compresor de aire para energía neumática , o mediante la incorporación de un alternador lineal directamente en el motor. los pistones para producir energía eléctrica.
La configuración básica de los motores de pistón libre se conoce comúnmente como pistón simple, pistón doble o pistones opuestos , en referencia al número de cilindros de combustión. El motor de pistón libre generalmente se limita al principio de funcionamiento de dos tiempos , ya que se requiere una carrera de potencia en cada ciclo de avance y retroceso. Sin embargo, se ha patentado una versión de cuatro tiempos de ciclo dividido , GB2480461 (A) publicado 2011-11-23. [1]
Primera generación
El motor moderno de pistón libre fue propuesto por RP Pescara [2] y la aplicación original era un compresor de aire de un solo pistón . Pescara creó el Bureau Technique Pescara para desarrollar motores de pistón libre y Robert Huber fue director técnico del Bureau desde 1924 hasta 1962. [3]
El concepto de motor fue un tema de gran interés en el período 1930-1960, y se desarrollaron varias unidades disponibles comercialmente. Estos motores de pistón libre de primera generación eran, sin excepción, motores de pistones opuestos, en los que los dos pistones estaban vinculados mecánicamente para garantizar un movimiento simétrico. Los motores de pistón libre proporcionaron algunas ventajas sobre la tecnología convencional, incluida la compacidad y un diseño sin vibraciones.
Compresores de aire
La primera aplicación exitosa del concepto de motor de pistón libre fue como compresores de aire. En estos motores, los cilindros del compresor de aire se acoplaron a los pistones móviles, a menudo en una configuración de varias etapas. Algunos de estos motores utilizaron el aire que quedaba en los cilindros del compresor para devolver el pistón, eliminando así la necesidad de un dispositivo de rebote.
Los compresores de aire de pistón libre estaban en uso, entre otros, por la Armada alemana, y tenían las ventajas de alta eficiencia, compacidad y bajo nivel de ruido y vibración. [4]
Generadores de gas
Después del éxito del compresor de aire de pistón libre, varios grupos de investigación industrial comenzaron el desarrollo de generadores de gas de pistón libre. En estos motores no hay ningún dispositivo de carga acoplado al propio motor, pero la potencia se extrae de una turbina de escape. (La única carga para el motor es sobrecargar el aire de entrada).
Se desarrollaron varios generadores de gas de pistón libre, y tales unidades se usaban ampliamente en aplicaciones a gran escala, como centrales eléctricas estacionarias y marinas. [5] Se intentó utilizar generadores de gas de pistón libre para la propulsión de vehículos (por ejemplo, en locomotoras de turbina de gas ), pero sin éxito. [6] [7]
Aplicaciones modernas
Las aplicaciones modernas del concepto de motor de pistón libre incluyen motores hidráulicos, destinados a vehículos todo terreno, y generadores de motor de pistón libre, destinados a su uso con vehículos eléctricos híbridos.
Hidráulico
Estos motores son comúnmente del tipo de pistón único, con el cilindro hidráulico actuando como dispositivo de carga y rebote usando un sistema de control hidráulico. Esto le da a la unidad una gran flexibilidad operativa. Se ha informado de un excelente rendimiento a carga parcial. [8] [9]
Generadores
Varios grupos de investigación están investigando los generadores lineales de pistón libre que eliminan un cigüeñal pesado con bobinas eléctricas en las paredes del pistón y del cilindro para su uso en vehículos eléctricos híbridos como extensores de rango . El primer generador de pistón libre fue patentado en 1934. [10] Los ejemplos incluyen el motor Stelzer y el Power Pack Free Piston fabricado por Pempek Systems [4] basado en una patente alemana. [11] En 2013 se demostró un generador lineal de pistón libre de un solo pistón en el Centro Aeroespacial Alemán (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt; DLR). [12]
Estos motores son principalmente del tipo de pistón doble, lo que proporciona una unidad compacta con una alta relación potencia / peso. Un desafío con este diseño es encontrar un motor eléctrico con un peso suficientemente bajo. Se informaron desafíos de control en forma de altas variaciones de ciclo a ciclo para motores de doble pistón. [13] [14]
En junio de 2014, Toyota anunció un prototipo de Generador Lineal de Motor de Pistón Libre (FPEG). A medida que el pistón es empujado hacia abajo durante su carrera de potencia, pasa a través de los devanados del cilindro para generar una ráfaga de electricidad CA trifásica. El pistón genera electricidad en ambas carreras, lo que reduce las pérdidas muertas del pistón. El generador opera en un ciclo de dos tiempos, usando válvulas de asiento de escape activadas hidráulicamente , inyección directa de gasolina y válvulas operadas electrónicamente. El motor se modifica fácilmente para funcionar con varios combustibles, incluidos hidrógeno, gas natural, etanol, gasolina y diesel. Un FPEG de dos cilindros está inherentemente equilibrado. [15]
Toyota afirma una calificación de eficiencia térmica del 42% en uso continuo, superando con creces el promedio actual de 25-30%. Toyota demostró una unidad de 24 pulgadas de largo por 2,5 pulgadas de diámetro que producía 15 caballos de fuerza (más de 11 kW). [dieciséis]
Características
Las características operativas de los motores de pistón libre difieren de las de los motores de cigüeñal convencionales. La principal diferencia se debe a que el movimiento del pistón no está restringido por un cigüeñal en el motor de pistón libre, lo que conduce a la característica potencialmente valiosa de la relación de compresión variable. Sin embargo, esto también presenta un desafío de control, ya que la posición de los puntos muertos debe controlarse con precisión para garantizar el encendido del combustible y una combustión eficiente, y para evitar presiones excesivas dentro del cilindro o, peor aún, el pistón golpea la culata. . El motor de pistón libre tiene una serie de características únicas, algunas le otorgan ventajas potenciales y otras representan desafíos que deben superarse para que el motor de pistón libre sea una alternativa realista a la tecnología convencional.
Como el movimiento del pistón entre los extremos no está restringido mecánicamente por un mecanismo de manivela, el motor de pistón libre tiene la valiosa característica de una relación de compresión variable, que puede proporcionar una amplia optimización de la operación, una mayor eficiencia de carga parcial y una posible operación con múltiples combustibles. Estos se mejoran mediante la sincronización variable de la inyección de combustible y la sincronización de las válvulas mediante métodos de control adecuados.
La longitud de carrera variable se logra mediante un esquema de control de frecuencia adecuado, como el control PPM (Pulse Pause Modulation) [1], en el que el movimiento del pistón se detiene en BDC utilizando un cilindro hidráulico controlable como dispositivo de rebote. Por lo tanto, la frecuencia se puede controlar aplicando una pausa entre el momento en que el pistón alcanza BDC y la liberación de energía de compresión para la siguiente carrera.
Dado que hay menos partes móviles, se reducen las pérdidas por fricción y el costo de fabricación. El diseño simple y compacto requiere menos mantenimiento y esto aumenta la vida útil.
El movimiento puramente lineal conduce a cargas laterales muy bajas en el pistón, por lo tanto, menores requisitos de lubricación para el pistón.
El proceso de combustión del motor de pistón libre es adecuado para el modo de encendido por compresión de carga homogénea (HCCI), en el que la carga premezclada se comprime y se enciende automáticamente, lo que da como resultado una combustión muy rápida, junto con requisitos más bajos para un control preciso del tiempo de encendido. Además, se obtienen altas eficiencias debido a un volumen de combustión casi constante y la posibilidad de quemar mezclas magras para reducir la temperatura del gas y, por lo tanto, algunos tipos de emisiones.
Al hacer funcionar varios motores en paralelo, las vibraciones debidas a problemas de equilibrio pueden reducirse, pero esto requiere un control preciso de la velocidad del motor. Otra posibilidad es aplicar contrapesos, lo que da como resultado un diseño más complejo, un mayor tamaño y peso del motor y pérdidas adicionales por fricción.
Con la ausencia de un dispositivo de almacenamiento de energía, como el volante en los motores convencionales, no será capaz de impulsar el motor durante varias revoluciones. Por lo tanto, si el motor no logra generar suficiente compresión o si otros factores influyen en la inyección / encendido y la combustión, el motor puede detenerse. Esto resulta en fallas de encendido y la necesidad de un control de velocidad preciso.
Ventajas
Las ventajas potenciales del concepto de pistón libre incluyen:
- Diseño simple con pocas partes móviles, dando un motor compacto con bajos costos de mantenimiento y pérdidas por fricción reducidas.
- La flexibilidad operativa a través de la relación de compresión variable permite la optimización de la operación para todas las condiciones de operación y operación con múltiples combustibles. El motor de pistón libre es además muy adecuado para el funcionamiento de encendido por compresión de carga homogénea (HCCI). [17]
- La alta velocidad del pistón alrededor del punto muerto superior (TDC) y una rápida expansión de la carrera de potencia mejoran la mezcla de aire y combustible y reducen el tiempo disponible para las pérdidas por transferencia de calor y la formación de emisiones dependientes de la temperatura, como los óxidos de nitrógeno (NOx). [18] [19]
Desafíos
El principal desafío para el motor de pistón libre es el control del motor, que solo se puede decir que está completamente resuelto para los motores hidráulicos de pistón libre de un solo pistón. Cuestiones como la influencia de las variaciones de ciclo a ciclo en el proceso de combustión y el rendimiento del motor durante la operación transitoria en motores de doble pistón son temas que necesitan más investigación. Los motores de cigüeñal pueden conectar accesorios tradicionales como alternador, bomba de aceite, bomba de combustible, sistema de refrigeración, motor de arranque, etc.
El movimiento de rotación para hacer girar los accesorios del motor de automóvil convencional, como alternadores, compresores de aire acondicionado, bombas de dirección asistida y dispositivos anticontaminación, podría capturarse desde una turbina situada en la corriente de escape.
Motor de pistón opuesto
La mayoría de los motores de pistón libre son del tipo de pistón opuesto con una sola cámara de combustión central. Una variación es el motor de pistón opuesto que tiene dos cámaras de combustión separadas. Un ejemplo es el motor Stelzer .
Desarrollos recientes
En el siglo XXI, la investigación continúa sobre motores de pistón libre y se han publicado patentes en muchos países. En el Reino Unido, la Universidad de Newcastle está investigando los motores de pistón libre. [20]
El centro aeroespacial alemán está desarrollando un nuevo tipo de motor de pistón libre, un generador lineal de pistón libre . [21]
Además de estos prototipos, los investigadores de la Universidad de West Virginia en los EE. UU. Están trabajando en el desarrollo de un prototipo de motor de pistón libre de un solo cilindro con resortes mecánicos a una frecuencia de funcionamiento de 90 Hz. [22]
Referencias
- ^ http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/originalDocument?CC=GB&NR=2480461A&KC=A&FT=D&ND=3&date=20111123&DB=&locale=en_EP
- ^ Pescara RP, Aparato compresor de motor, Patente de Estados Unidos 1.657.641, 1928 .
- ^ "Historia" . freikolben.ch . Archivado desde el original el 22 de abril de 2012 . Consultado el 27 de marzo de 2015 .
- ^ Toutant, WT (1952). "El compresor de aire de pistón libre Worthington-Junkers". Revista de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Navales (64): 583–594.
- ^ Londres AL, Oppenheim AK, El desarrollo del motor de pistón libre - Estado actual y aspectos de diseño, Transacciones de ASME 1952: 74: 1349-1361 .
- ^ Underwood AF, El motor GMR 4-4 '' HYPREX '' - Un concepto del motor de pistón libre para uso automotriz, SAE Transactions 1957: 65: 377–391 .
- ^ Frey DN et al., El motor de turbina de pistón libre automotriz, SAE Transactions 1957: 65: 628–634 .
- ^ Achten PAJ et al., Caballos de fuerza con cerebros: el diseño del motor de pistón libre Chiron, SAE Paper 2000–01–2545, 2000 .
- ^ Brunner H. et al., Renaissance einer Kolbenmachine, Antriebstechnik 2005: 4: 66–70 .
- ^ P. OSTENBERG. Generador eléctrico. Patente de Estados Unidos 2362151 A - 1959.
- ^ Willimczik W. Hubkolbenmaschine mit elektrischem Triebwerk, insbesondere Hubkolben-Lineargenerator, WP113 593, 1974
- ^ Prof. Dr.-Ing. Horst E. Friedrich, Centro Aeroespacial Alemán (DLR), [1] , 19 de febrero de 2013
- ^ Clark N. et al., Modelado y desarrollo de un motor lineal, Proc. Conferencia de primavera de ASME, División de motores de combustión interna, 1998: 30: 49–57 .
- ^ Tikkanen S. et al., Primeros ciclos del motor de pistón libre hidráulico dual, SAE Paper 2000–01–2546, 2000 .
- ^ BioAge Media. "Toyota Central R & desarrollo de generador lineal de motor de pistón libre; imaginando unidades multi-FPEG para vehículos de propulsión eléctrica" . greencarcongress.com .
- ^ Cammisa, Jason (30 de junio de 2014). "Sin cigüeñal, no hay problema: el motor de pistón libre de Toyota es brillante". Carretera y pista.
- ^ Van Blarigan P. Generador eléctrico de combustión interna avanzado
- ^ Mikalsen R, Roskilly AP El diseño y simulación de un motor de encendido por compresión de pistón libre de dos tiempos para la generación de energía eléctrica. Ingeniería térmica aplicada, volumen 28, números 5-6, páginas 589-600, 2008. [2]
- ^ Mikalsen R, Roskilly AP Un estudio computacional de la combustión de motores diesel de pistón libre. Energía aplicada, volumen 86, números 7-8, páginas 1136-1143, 2009. [3]
- ^ http://www.free-piston.eu/
- ^ Los investigadores de DLR presentan un nuevo tipo de extensor de rango para autos eléctricos
- ^ Bade, Mehar, Nigel N. Clark, Matthew C. Robinson y Parviz Famouri. "Investigación paramétrica de las características de transferencia de calor y combustión de un alternador de motor lineal oscilante". Revista de combustión 2018 (2018).
Fuentes
- Mikalsen R., Roskilly AP Una revisión de la historia y las aplicaciones del motor de pistón libre. Ingeniería térmica aplicada , volumen 27, números 14-15, páginas 2339-2352, 2007. [5] .
enlaces externos
- Investigadores de DLR presentan un nuevo tipo de extensor de rango para autos eléctricos
- Amplia página de inicio sobre motores de pistón gratuitos
- Innas BV
- Universidad de Newcastle
- Compresor de motor de pistón gratuito de la Universidad de Vanderbilt
- "Engine of Tomorrow: funciona hoy". Popular Science , septiembre de 1957, págs. 138–141 / 294, artículo detallado / dibujo recortado sobre motores diésel de pistón libre.