फ्री-पिस्टन इंजन

एक फ्री-पिस्टन इंजन एक रैखिक, 'क्रैंकलेस' आंतरिक दहन इंजन  है, जिसमें पिस्टन गति को  क्रैंकशाफ्ट  द्वारा नियंत्रित नहीं किया जाता है, लेकिन  दहन कक्ष  गैसों से बलों की बातचीत से निर्धारित होता है, एक रिबाउंड डिवाइस (उदाहरण के लिए, पिस्टन में एक पिस्टन) बंद सिलेंडर) और एक लोड डिवाइस (जैसे  गैस कंप्रेसर  या  रैखिक अल्टरनेटर )।

ऐसे सभी पिस्टन इंजनों का उद्देश्य शक्ति उत्पन्न करना है। फ्री-पिस्टन इंजन में, यह शक्ति एक क्रैंकशाफ्ट को नहीं दी जाती है, बल्कि इसके बजाय निकास गैस  के दबाव के माध्यम से टर्बाइन को चलाकर निकाला जाता है, एक रैखिक भार जैसे कि  वायवीय  शक्ति के लिए एक एयर कंप्रेसर को चलाकर, या एक रैखिक अल्टरनेटर को सीधे इसमें शामिल करके। पिस्टन विद्युत शक्ति का उत्पादन करने के लिए।

फ्री-पिस्टन इंजन के बुनियादी विन्यास को आमतौर पर दहन सिलेंडरों की संख्या का जिक्र करते हुए एकल पिस्टन, दोहरी पिस्टन या विरोध पिस्टन  के रूप में जाना जाता है। फ्री-पिस्टन इंजन आमतौर पर  फोर स्ट्रोक  ऑपरेटिंग सिद्धांत तक ही सीमित होता है, क्योंकि हर आगे और पीछे के चक्र में एक पावर स्ट्रोक की आवश्यकता होती है। हालाँकि, एक  विभाजित चक्र  चार-स्ट्रोक संस्करण का पेटेंट कराया गया है, GB2480461 (A) प्रकाशित 2011-11-23।

पहली पीढ़ी
आधुनिक फ्री-पिस्टन इंजन का प्रस्ताव राउल पाटेरस पेसकारा|आर.पी. मछली पकड़ने और मूल अनुप्रयोग एक एकल पिस्टन हवा कंप्रेसर  था। पेसकारा ने फ्री-पिस्टन इंजन विकसित करने के लिए ब्यूरो तकनीक पेसकारा की स्थापना की और  रॉबर्ट ह्यूबर (इंजीनियर)  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 फ्री-पिस्टन इंजन अपवाद के बिना पिस्टन इंजन थे, जिसमें सममित गति सुनिश्चित करने के लिए दो पिस्टन यांत्रिक रूप से जुड़े हुए थे। फ्री-पिस्टन इंजन ने कॉम्पैक्टनेस और कंपन-मुक्त डिज़ाइन सहित पारंपरिक तकनीक पर कुछ लाभ प्रदान किए।

एयर कंप्रेशर्स
फ्री-पिस्टन इंजन अवधारणा का पहला सफल अनुप्रयोग एयर कंप्रेशर्स के रूप में था। इन इंजनों में, हवा कंप्रेसर सिलेंडरों को चलते हुए पिस्टन से जोड़ा जाता था, अक्सर एक बहु-चरण विन्यास में। इनमें से कुछ इंजनों ने पिस्टन को वापस करने के लिए कंप्रेसर सिलेंडरों में बची हुई हवा का उपयोग किया, जिससे रिबाउंड डिवाइस की आवश्यकता समाप्त हो गई।

फ्री-पिस्टन एयर कम्प्रेसर जर्मन नौसेना द्वारा दूसरों के बीच उपयोग में थे, और उच्च दक्षता, कॉम्पैक्टनेस और कम शोर और कंपन के फायदे थे।

गैस जनरेटर
फ्री-पिस्टन एयर कंप्रेसर की सफलता के बाद, कई औद्योगिक अनुसंधान समूहों ने फ्री-पिस्टन गैस जनरेटर का विकास शुरू किया। इन इंजनों में इंजन से जुड़ा कोई लोड डिवाइस नहीं होता है, लेकिन बिजली एक एग्जॉस्ट टर्बाइन से निकाली जाती है। इस प्रकार टर्बाइन की घूर्णी गति एक पंप, प्रोपेलर, जनरेटर, या अन्य उपकरण चला सकती है। इस व्यवस्था में, इंजन के लिए एकमात्र लोड इनलेट हवा को सुपरचार्ज कर रहा है, यद्यपि सिद्धांत रूप में इस हवा में से कुछ को संपीड़ित-वायु स्रोत के रूप में उपयोग करने के लिए मोड़ा जा सकता है यदि वांछित हो। ऐसा संशोधन मुक्त-पिस्टन इंजन को सक्षम करेगा, जब मांग पर संपीड़ित हवा के अलावा उपरोक्त निकास-संचालित टरबाइन के संयोजन के साथ प्रयोग किया जाता है, दोनों प्रेरक शक्ति (टरबाइन के आउटपुट शाफ्ट से) प्रदान करने के लिए। कई फ्री-पिस्टन गैस जनरेटर 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 लोकोमोटिव  में) के लिए फ्री-पिस्टन गैस जनरेटर का उपयोग करने का प्रयास किया गया, लेकिन सफलता नहीं मिली।

आधुनिक अनुप्रयोग
फ्री-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 फ्री-पिस्टन इंजन जनरेटर शामिल हैं।

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

जेनरेटर
फ्री-पिस्टन रैखिक जनरेटर जो पिस्टन और सिलेंडर की दीवारों में बिजली के कॉइल के साथ एक भारी क्रैंकशाफ्ट 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 जनरेटर 1934 में पेटेंट कराया गया था। उदाहरणों में Pempek Systems द्वारा निर्मित [[ स्टेलजर इंजन] और फ्री पिस्टन पावर पैक शामिल हैं। Pack.pdf] एक जर्मन पेटेंट पर आधारित है। जर्मन एयरोस्पेस सेंटर (जर्मन एयरोस्पेस सेंटर; डीएलआर) में 2013 में एक एकल पिस्टन मुक्त-पिस्टन रैखिक जनरेटर 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। जनरेटर 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
फ्री-पिस्टन इंजनों की परिचालन विशेषताएँ पारंपरिक, क्रैंकशाफ्ट इंजनों से भिन्न होती हैं। मुख्य अंतर फ्री-पिस्टन इंजन में क्रैंकशाफ्ट 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।. फ्री-पिस्टन इंजन में कई अनूठी विशेषताएं हैं, कुछ इसे संभावित लाभ देते हैं और कुछ उन चुनौतियों का प्रतिनिधित्व करते हैं जिन्हें फ्री-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 रिबाउंड डिवाइस 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 डिज़ाइन 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, फ्री-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
फ्री-पिस्टन अवधारणा के संभावित लाभों में शामिल 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। फ्री-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
फ्री-पिस्टन इंजन के लिए मुख्य चुनौती इंजन नियंत्रण है, जिसे केवल सिंगल पिस्टन हाइड्रोलिक फ्री-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। क्रैंकशाफ्ट इंजन पारंपरिक सामान जैसे अल्टरनेटर, ऑयल पंप, फ्यूल पंप, कूलिंग सिस्टम, स्टार्टर आदि को जोड़ सकते हैं।

अल्टरनेटर, एयर कंडीशनर कम्प्रेसर, 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 फ्री-पिस्टन इंजन में शोध जारी है और कई देशों में पेटेंट प्रकाशित किए गए हैं। यूके में, न्यूकैसल विश्वविद्यालय  फ्री-पिस्टन इंजन में शोध कर रही है। जर्मन एयरोस्पेस सेंटर द्वारा एक नए प्रकार का फ्री-पिस्टन इंजन, एक फ्री-पिस्टन रैखिक जनरेटर विकसित किया जा रहा है। इन प्रोटोटाइप के अलावा, यूएस में वेस्ट वर्जीनिया यूनिवर्सिटी के शोधकर्ता, 90 हर्ट्ज की ऑपरेटिंग फ्रीक्वेंसी पर मैकेनिकल स्प्रिंग के साथ सिंगल सिलेंडर फ्री-पिस्टन इंजन प्रोटोटाइप के विकास पर काम कर रहे हैं।

स्रोत

 * मिकलसेन आर., रोस्किली ए.पी. फ्री-पिस्टन इंजन इतिहास और अनुप्रयोगों की समीक्षा। एप्लाइड थर्मल इंजीनियरिंग, 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.