फ्री-पिस्टन इंजन

मुक्त-पिस्टन इंजन एक रैखिक, 'क्रैंकलेस' अन्तर्दहन इंजन है, जिसमें पिस्टन गति को अरालदंड द्वारा नियंत्रित नहीं किया जाता है, लेकिन दहन कक्ष गैसों से बलों की पारस्परिक प्रभाव से निर्धारित होता है, एक प्रतिघात यन्त्र (उदाहरण के लिए, पिस्टन में एक पिस्टन) बंद सिलेंडर) और एक भार यन्त्र (जैसे गैस संपीड़क या रैखिक प्रत्यावर्ति)।

ऐसे सभी पिस्टन इंजनों का उद्देश्य शक्ति उत्पन्न करना है। मुक्त-पिस्टन इंजन में, यह शक्ति एक अरालदंड को नहीं दी जाती है, बल्कि इसके स्थान पर निकास गैस के दबाव के माध्यम से टर्बाइन को चलाकर निकाला जाता है, एक रैखिक भार जैसे कि वायवीय शक्ति के लिए एक वायु संपीड़क को चलाकर, या एक रैखिक प्रत्यावर्ति को सीधे इसमें सम्मिलित करके। पिस्टन विद्युत शक्ति का उत्पादन करने के लिए।

मुक्त-पिस्टन इंजन के बुनियादी विन्यास को सामान्यतः दहन सिलेंडरों की संख्या का उद्धरण करते हुए एकल पिस्टन, दोहरी पिस्टन या विरोध पिस्टन के रूप में जाना जाता है। मुक्त-पिस्टन इंजन सामान्यतः चार आघात प्रचालन सिद्धांत तक ही सीमित होता है, क्योंकि हर आगे और पीछे के चक्र में एक पावर आघात की आवश्यकता होती है। हालाँकि, एक विभाजित चक्र चार-आघात संस्करण का एकस्वीकृत कराया गया है, GB2480461 (A) प्रकाशित 2011-11-23।

पहली पीढ़ी
आधुनिक मुक्त-पिस्टन इंजन का प्रस्ताव राउल पाटेरस पेसकारा द्वारा दिया गया था और मूल अनुप्रयोग एक एकल पिस्टन वायु संपीड़क था। पेसकारा ने मुक्त-पिस्टन इंजन विकसित करने के लिए ब्यूरो तकनीक पेसकारा की स्थापना की और रॉबर्ट ह्यूबर (अभियन्ता) 1924 से 1962 तक ब्यूरो के तकनीकी निदेशक थे। 1930-1960 की अवधि में इंजन अवधारणा बहुत रुचि का विषय था, और कई व्यावसायिक रूप से उपलब्ध इकाइयाँ विकसित की गईं। ये पहली पीढ़ी के मुक्त-पिस्टन इंजन अपवाद के बिना पिस्टन इंजन थे, जिसमें सममित गति सुनिश्चित करने के लिए दो पिस्टन यांत्रिक रूप से जुड़े हुए थे। मुक्त-पिस्टन इंजन ने संहतता और कंपन-मुक्त अभिकल्पना सहित पारंपरिक तकनीक पर कुछ लाभ प्रदान किए।

वायु संपीड़क
मुक्त-पिस्टन इंजन अवधारणा का पहला सफल अनुप्रयोग वायु संपीड़क के रूप में था। इन इंजनों में प्रायः एक बहु-चरण विन्यास में, वायु संपीड़क सिलेंडरों को चलते हुए पिस्टन से जोड़ा जाता थ। इनमें से कुछ इंजनों ने पिस्टन को वापस करने के लिए संपीड़क सिलेंडरों में बची हुई वायु का उपयोग किया, जिससे प्रतिघात यन्त्र की आवश्यकता समाप्त हो गई।

मुक्त-पिस्टन वायु संपीड़क जर्मन नौसेना द्वारा दूसरों के बीच उपयोग में थे, और उच्च दक्षता, संहतता और कम शोर और कंपन के लाभ थे।

गैस जनित्र
मुक्त-पिस्टन वायु संपीड़क की सफलता के बाद, कई औद्योगिक अनुसंधान समूहों ने जनित्र-पिस्टन गैस जनित्र का विकास शुरू किया। इन इंजनों में इंजन से जुड़ा कोई भारण यन्त्र नहीं होता है, लेकिन बिजली एक निर्वात टर्बाइन से निकाली जाती है। इस प्रकार टर्बाइन की घूर्णी गति एक पंप, प्रेरक, जनित्र, या अन्य उपकरण चला सकती है। इस व्यवस्था में, इंजन के लिए एकमात्र भारण प्रवेशिका वायु को अतिभरक कर रहा है, यद्यपि सिद्धांत रूप में इस वायु में से कुछ को संपीड़ित-वायु स्रोत के रूप में उपयोग करने के लिए यदि वांछित हो मोड़ा जा सकता है। ऐसा संशोधन मुक्त-पिस्टन इंजन को सक्षम करेगा, जब मांग पर संपीड़ित वायु के अलावा उपरोक्त निकास-संचालित टरबाइन के संयोजन के साथ प्रयोग किया जाता है, दोनों प्रेरक शक्ति (टरबाइन के उत्पादन शाफ्ट से) प्रदान करने के लिए। कई मुक्त-पिस्टन गैस जनित्र विकसित किए गए थे, और ऐसी इकाइयां बड़े पैमाने पर अनुप्रयोगों जैसे स्थिर और समुद्री बिजली संयंत्रों में व्यापक उपयोग में थीं। वाहन प्रणोदन (जैसे गैस टरबाइन स्वचालित यंत्र में) के लिए मुक्त-पिस्टन गैस जनित्र का उपयोग करने का प्रयास किया गया, लेकिन सफलता नहीं मिली।

आधुनिक अनुप्रयोग
मुक्त-पिस्टन इंजन अवधारणा के आधुनिक अनुप्रयोगों में ऑफ-हाइवे वाहनों के लिए लक्षित हाइड्रोलिक इंजन और हाइब्रिड इलेक्ट्रिक वाहनों के साथ उपयोग के उद्देश्य से मुक्त-पिस्टन इंजन जनित्र सम्मिलित हैं।

हाइड्रोलिक
ये इंजन सामान्यतः एकल पिस्टन प्रकार के होते हैं, जिसमें हाइड्रोलिक सिलेंडर हाइड्रोलिक नियंत्रण प्रणाली का उपयोग करके लोड और प्रतिघात यन्त्र दोनों के रूप में कार्य करता है। यह इकाई को उच्च परिचालन लचीलापन देता है। उत्कृष्ट पार्ट लोड प्रदर्शन रिपोर्ट किया गया है।

जेनरेटर
मुक्त-पिस्टन रैखिक जनित्र जो पिस्टन और सिलेंडर की दीवारों में बिजली के कॉइल के साथ एक भारी अरालदंड को खत्म करते हैं, हाइब्रिड इलेक्ट्रिक वाहनों में रेंज एक्सटेंडर (वाहन)  के रूप में उपयोग के लिए कई शोध समूहों द्वारा जांच की जा रही है। पहला मुफ्त पिस्टन जनित्र 1934 में एकस्वीकृत कराया गया था। उदाहरणों में Pempek Systems द्वारा निर्मित [[ स्टेलजर इंजन] और फ्री पिस्टन पावर पैक शामिल हैं। Pack.pdf] और फ्री पिस्टन पावर पैक सम्मिलित हैं। Pack.pdf एक जर्मन एकस्वीकृत पर आधारित है। जर्मन वायुोस्पेस सेंटर (जर्मन वायुोस्पेस सेंटर; डीएलआर) में 2013 में एक एकल पिस्टन मुक्त-पिस्टन रैखिक जनित्र का प्रदर्शन किया गया था। ये इंजन मुख्य रूप से दोहरे पिस्टन प्रकार के होते हैं, जो उच्च शक्ति-से-भार अनुपात के साथ एक कॉम्पैक्ट इकाई देते हैं। इस डिजाइन के साथ एक चुनौती पर्याप्त रूप से कम वजन वाली इलेक्ट्रिक मोटर को खोजना है। दोहरी पिस्टन इंजनों के लिए उच्च चक्र-से-चक्र विविधताओं के रूप में नियंत्रण चुनौतियों की सूचना मिली थी।

जून 2014 में टोयोटा ने प्रोटोटाइप फ्री पिस्टन इंजन लीनियर जेनरेटर (एफपीईजी) की घोषणा की। जैसा कि पिस्टन को अपने पावर स्ट्रोक के दौरान नीचे की ओर मजबूर किया जाता है, यह तीन-चरण एसी बिजली के फटने के लिए सिलेंडर में वाइंडिंग से गुजरता है। पिस्टन दोनों स्ट्रोक पर बिजली पैदा करता है, जिससे पिस्टन डेड लॉस कम होता है। जनित्र दो-स्ट्रोक चक्र पर काम करता है, हाइड्रॉलिक रूप से सक्रिय निकास पॉपपेट वाल्व,  गैसोलीन प्रत्यक्ष इंजेक्शन  और इलेक्ट्रॉनिक रूप से संचालित वाल्व का उपयोग करता है। हाइड्रोजन, प्राकृतिक गैस, इथेनॉल, गैसोलीन और डीजल सहित विभिन्न ईंधनों के तहत संचालित करने के लिए इंजन को आसानी से संशोधित किया जाता है। एक दो-सिलेंडर एफपीईजी स्वाभाविक रूप से संतुलित है। टोयोटा निरंतर उपयोग में 42% की थर्मल-दक्षता रेटिंग का दावा करती है, जो आज के औसत 25-30% से बहुत अधिक है। टोयोटा ने 15 hp (11 kW से अधिक) का उत्पादन करने वाली 24 इंच लंबी 2.5 इंच व्यास वाली इकाई का प्रदर्शन किया।

सुविधाएँ
मुक्त-पिस्टन इंजनों की परिचालन विशेषताएँ पारंपरिक, अरालदंड इंजनों से भिन्न होती हैं। मुख्य अंतर मुक्त-पिस्टन इंजन में अरालदंड द्वारा पिस्टन गति को प्रतिबंधित नहीं किए जाने के कारण है, जिससे चर संपीड़न अनुपात की संभावित मूल्यवान विशेषता होती है। हालांकि, यह एक नियंत्रण चुनौती भी पेश करता है, क्योंकि ईंधन के प्रज्वलन और कुशल दहन को सुनिश्चित करने के लिए मृत केंद्रों की स्थिति को सटीक रूप से नियंत्रित किया जाना चाहिए, और अत्यधिक इन-सिलेंडर दबावों से बचने के लिए या इससे भी बदतर, पिस्टन सिलेंडर सिर से टकराता है।. मुक्त-पिस्टन इंजन में कई अनूठी विशेषताएं हैं, कुछ इसे संभावित लाभ देते हैं और कुछ उन चुनौतियों का प्रतिनिधित्व करते हैं जिन्हें मुक्त-पिस्टन इंजन को पारंपरिक तकनीक के यथार्थवादी विकल्प के रूप में दूर किया जाना चाहिए।

चूंकि एंडपॉइंट्स के बीच पिस्टन गति यांत्रिक रूप से एक क्रैंक तंत्र द्वारा प्रतिबंधित नहीं है, मुक्त-पिस्टन इंजन में चर संपीड़न अनुपात की मूल्यवान विशेषता है, जो व्यापक संचालन अनुकूलन, उच्च भाग लोड दक्षता और संभव बहु-ईंधन संचालन प्रदान कर सकता है। इन्हें उचित नियंत्रण विधियों के माध्यम से परिवर्तनीय ईंधन इंजेक्शन समय और वाल्व समय से बढ़ाया जाता है।

परिवर्तनीय स्ट्रोक लंबाई एक उचित आवृत्ति नियंत्रण योजना जैसे पीपीएम (पल्स पॉज मॉड्यूलेशन) नियंत्रण [1] द्वारा प्राप्त की जाती है, जिसमें प्रतिघात यन्त्र के रूप में नियंत्रित हाइड्रोलिक सिलेंडर का उपयोग करके बीडीसी पर पिस्टन गति को रोका जाता है। इसलिए आवृत्ति को नियंत्रित किया जा सकता है जब पिस्टन बीडीसी तक पहुंचता है और अगले स्ट्रोक के लिए संपीड़न ऊर्जा जारी करता है।

चूंकि कम चलने वाले हिस्से हैं, घर्षण नुकसान और निर्माण लागत कम हो जाती है। इस प्रकार सरल और कॉम्पैक्ट अभिकल्पना को कम रखरखाव की आवश्यकता होती है और यह जीवनकाल बढ़ाता है।

विशुद्ध रूप से रेखीय गति से पिस्टन पर बहुत कम साइड लोड होता है, इसलिए पिस्टन के लिए कम स्नेहन की आवश्यकता होती है।

फ्री पिस्टन इंजन की दहन प्रक्रिया सजातीय चार्ज संपीड़न इग्निशन  (एचसीसीआई) मोड के लिए अच्छी तरह से अनुकूल है, जिसमें प्रीमिक्स्ड चार्ज को संपीड़ित और स्वयं प्रज्वलित किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप बहुत तेजी से दहन होता है, साथ ही सटीक इग्निशन टाइमिंग नियंत्रण के लिए कम आवश्यकताएं होती हैं। इसके अलावा, लगभग निरंतर मात्रा में दहन और गैस के तापमान को कम करने के लिए लीन मिश्रण को जलाने की संभावना और इस तरह कुछ प्रकार के उत्सर्जन के कारण उच्च दक्षता प्राप्त होती है।

कई इंजनों को समानांतर में चलाने से, संतुलन संबंधी मुद्दों के कारण होने वाले कंपन को कम किया जा सकता है, लेकिन इसके लिए इंजन की गति पर सटीक नियंत्रण की आवश्यकता होती है। एक अन्य संभावना काउंटरवेट लागू करना है, जिसके परिणामस्वरूप अधिक जटिल डिजाइन, इंजन के आकार और वजन में वृद्धि और अतिरिक्त घर्षण हानि होती है।

एक गतिज ऊर्जा भंडारण उपकरण की कमी, पारंपरिक इंजनों में एक चक्का की तरह, मुक्त-पिस्टन इंजन इंजन चक्र के समय या दबाव में मिनट की भिन्नता के कारण शटडाउन के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं। गति और समय का सटीक नियंत्रण आवश्यक है, क्योंकि यदि इंजन पर्याप्त संपीड़न बनाने में विफल रहता है या यदि अन्य कारक इंजेक्शन/प्रज्वलन और दहन को प्रभावित करते हैं, तो इंजन विफल हो सकता है या बंद हो सकता है।

लाभ
मुक्त-पिस्टन अवधारणा के संभावित लाभों में सम्मिलित हैं:


 * कम चलने वाले हिस्सों के साथ सरल डिजाइन, कम रखरखाव लागत और कम घर्षण नुकसान के साथ एक कॉम्पैक्ट इंजन देता है।
 * परिवर्तनीय संपीड़न अनुपात के माध्यम से परिचालन लचीलापन सभी परिचालन स्थितियों और बहु-ईंधन संचालन के लिए संचालन अनुकूलन की अनुमति देता है। मुक्त-पिस्टन इंजन सजातीय चार्ज संपीड़न इग्निशन (एचसीसीआई) ऑपरेशन के लिए और भी उपयुक्त है।
 * शीर्ष मृत केंद्र (टीडीसी) के आसपास उच्च पिस्टन गति और एक तेज पावर स्ट्रोक विस्तार ईंधन-वायु मिश्रण को बढ़ाता है और गर्मी हस्तांतरण के नुकसान और तापमान-निर्भर उत्सर्जन जैसे नाइट्रोजन ऑक्साइड (एनओएक्स) के गठन के लिए उपलब्ध समय को कम करता है।

चुनौतियां
मुक्त-पिस्टन इंजन के लिए मुख्य चुनौती इंजन नियंत्रण है, जिसे केवल सिंगल पिस्टन हाइड्रोलिक मुक्त-पिस्टन इंजन के लिए पूरी तरह हल किया जा सकता है। दोहरी पिस्टन इंजनों में क्षणिक संचालन के दौरान दहन प्रक्रिया और इंजन के प्रदर्शन में चक्र-दर-चक्र विविधताओं के प्रभाव जैसे मुद्दे ऐसे विषय हैं जिन्हें आगे की जांच की आवश्यकता है। अरालदंड इंजन पारंपरिक सामान जैसे प्रत्यावर्ति, ऑयल पंप, फ्यूल पंप, कूलिंग सिस्टम, स्टार्टर आदि को जोड़ सकते हैं।

प्रत्यावर्ति, वायु कंडीशनर संपीड़क, पावर स्टीयरिंग पंप, और प्रदूषण-रोधी उपकरणों जैसे पारंपरिक ऑटोमोबाइल इंजन सहायक उपकरण को स्पिन करने के लिए घूर्णी गति को निकास धारा में स्थित टरबाइन से पकड़ा जा सकता है।

पिस्टन इंजन का विरोध
अधिकांश मुफ्त पिस्टन इंजन एक केंद्रीय दहन कक्ष के साथ विपरीत पिस्टन प्रकार के होते हैं। एक भिन्नता विपक्षी पिस्टन इंजन है जिसमें दो अलग-अलग दहन कक्ष हैं। एक उदाहरण स्टेलज़र इंजन है।

हाल के घटनाक्रम
21वीं सदी में मुक्त-पिस्टन इंजन में शोध जारी है और कई देशों में एकस्वीकृत प्रकाशित किए गए हैं। यूके में, न्यूकैसल विश्वविद्यालय  मुक्त-पिस्टन इंजन में शोध कर रही है। जर्मन वायुोस्पेस सेंटर द्वारा एक नए प्रकार का मुक्त-पिस्टन इंजन, एक मुक्त-पिस्टन रैखिक जनित्र विकसित किया जा रहा है। इन प्रोटोटाइप के अलावा, यूएस में वेस्ट वर्जीनिया यूनिवर्सिटी के शोधकर्ता, 90 हर्ट्ज की प्रचालन फ्रीक्वेंसी पर मैकेनिकल स्प्रिंग के साथ सिंगल सिलेंडर मुक्त-पिस्टन इंजन प्रोटोटाइप के विकास पर काम कर रहे हैं।

स्रोत

 * मिकलसेन आर., रोस्किली ए.पी. मुक्त-पिस्टन इंजन इतिहास और अनुप्रयोगों की समीक्षा। एप्लाइड थर्मल अभियन्तािंग, खंड 27, अंक 14-15, पृष्ठ 2339-2352, 2007। ।

बाहरी कड़ियाँ

 * DLR researchers unveil a new kind of range extender for electric cars
 * Extensive homepage about Free Piston Engines
 * Innas BV
 * Newcastle University
 * Vanderbilt University Free Piston Engine Compressor
 * "Engine of Tomorrow - Goes to Work Today." Popular Science, September 1957, pp. 138–141/294, detailed article/cutaway drawing on free-piston diesel engines.