फ्री-पिस्टन इंजन

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टर्बाइन चलाने के लिए फ्री-पिस्टन इंजन गैस जनित्र के रूप में उपयोग किया जाता है

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

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

फ्री-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। फ्री-पिस्टन इंजन सामान्यतः चार आघात प्रचालन सिद्धांत तक ही सीमित होता है, क्योंकि हर आगे और पीछे के चक्र में एक ऊर्जा आघात की आवश्यकता होती है। हालाँकि, एक विभाजित चक्र चार-आघात संस्करण का एकस्वीकृत कराया गया है, GB2480461 (A) प्रकाशित 2011-11-23।[1]


पहली पीढ़ी

US1657641 का चित्र 1

आधुनिक फ्री-पिस्टन इंजन का प्रस्ताव राउल पाटेरस पेसकारा द्वारा दिया गया था[2] और मूल अनुप्रयोग एक एकल पिस्टन वायु संपीड़क था। पेसकारा ने फ्री-पिस्टन इंजन विकसित करने के लिए विभाग तकनीक पेसकारा की स्थापना की और रॉबर्ट ह्यूबर 1924 से 1962 तक विभाग के तकनीकी निदेशक थे।।[3]

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 संहतता और कंपन-मुक्त अभिकल्पना सहित पारंपरिक तकनीक पर कुछ लाभ प्रदान किए।

वायु संपीड़क

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

मुक्त-पिस्टन वायु संपीड़क जर्मन नौसेना द्वारा दूसरों के बीच उपयोग में थे, और उच्च दक्षता, संहतता और कम कोलाहल और कंपन के लाभ थे।[4]


गैस जनित्र

मुक्त-पिस्टन वायु संपीड़क की सफलता के बाद, कई औद्योगिक अनुसंधान समूहों ने जनित्र-पिस्टन गैस जनित्र का विकास शुरू किया। इन यन्त्रों में इंजन से जुड़ा कोई भारण इंजन 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 फ्री-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 मापक्रम पर अनुप्रयोगों जैसे स्थिर और समुद्री बिजली संयंत्रों में व्यापक उपयोग में थीं।[5] 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।[6][7]


आधुनिक अनुप्रयोग

फ्री-पिस्टन इंजन अवधारणा के आधुनिक अनुप्रयोगों में प्रमुख मार्ग से दूर वाहनों के लिए लक्षित द्रवचालित इंजन और संकर विद्युत् वाहनों के साथ उपयोग के उद्देश्य से फ्री-पिस्टन इंजन जनित्र सम्मिलित हैं।

द्रवचालित

ये इंजन सामान्यतः एकल पिस्टन प्रकार के होते हैं, जिसमें द्रवचालित सिलेंडर द्रवचालित नियंत्रण प्रणाली का उपयोग करके उद्‍भारण और प्रतिघात इंजन दोनों के रूप में कार्य करता है। यह इकाई को उच्च परिचालन लचीलापन देता है। उत्कृष्ट पार्ट उद्‍भारण प्रदर्शन विवरण किया गया है।[8][9]


जनित्र

Main article: मुक्त पिस्टन रैखिक जनरेटर

मुक्त-पिस्टन रैखिक जनित्र जो पिस्टन और सिलेंडर की दीवारों में बिजली के वक्र के साथ एक भारी अरालदंड को खत्म करते हैं, संकर विद्युत् वाहनों में क्षेत्र विस्तारक (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।[10] उदाहरणों में पेम्पेक तंत्र द्वारा निर्मित स्टेलजर इंजन और फ्री पिस्टन पावर पैक शामिल हैं। Pack.pdfस्टेलजर इंजन और फ्री पिस्टन पावर पैक शामिल हैं। पैक.pdfस्टेलजर इंजन और मुक्त पिस्टन ऊर्जा संकुल सम्मिलित हैं। पैक.pdf और मुक्त पिस्टन शक्ति समूह सम्मिलित हैं। पैक.pdf एक जर्मन एकस्वीकृत अधिकार पर आधारित है।[11] जर्मन अंतरिक्ष प्रौद्योगिकी केंद्र (जर्मन अंतरिक्ष प्रौद्योगिकी केंद्र; DLR) में 2013 में एक एकल पिस्टन मुक्त-पिस्टन रैखिक जनित्र का प्रदर्शन किया गया था।[12]

ये इंजन मुख्य रूप से दोहरे पिस्टन प्रकार के होते हैं, जो उच्च शक्ति-से-भार अनुपात के साथ एक संक्षिप्त इकाई देते हैं। इस अभिकल्पना के साथ एक चुनौती पर्याप्त रूप से कम वजन वाली विद्युत् प्रेरक को खोजना है। दोहरी पिस्टन यन्त्रों के लिए उच्च चक्र-से-चक्र विविधताओं के रूप में नियंत्रण चुनौतियों की सूचना मिली थी।[13][14]

जून 2014 में टोयोटा ने प्रतिमान मुक्त पिस्टन इंजन रैखिक जनित्र (FPEG) की घोषणा की। जैसा कि पिस्टन को अपने शक्‍ति आघात के दौरान नीचे की ओर विवश किया जाता है, यह तीन-चरण AC बिजली के फटने के लिए सिलेंडर में आवलन से गुजरता है। पिस्टन दोनों आघात पर बिजली उत्पन्न करता है, जिससे पिस्टन हानियाँ कम होती है। जनित्र दो-आघात चक्र पर काम करता है, द्रवचालित रूप से सक्रिय निकास छत्राकार वाल्व, पेट्रोल प्रत्यक्ष अंतःक्षेपण और इलेक्ट्रॉनिक रूप से संचालित अभिद्वार 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 FPEG स्वाभाविक रूप से संतुलित है।[15]

टोयोटा निरंतर उपयोग में 42% की ऊष्मीय-दक्षता अनुमतांकन 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।[16]

सुविधाएँ

मुक्त-पिस्टन यन्त्रों की परिचालन विशेषताएँ पारंपरिक, अरालदंड यन्त्रों से भिन्न होती हैं। मुख्य अंतर फ्री-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 प्रस्तुत 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 अंतिम बिंदुओं के बीच पिस्टन गति यांत्रिक रूप से एक क्रैंक तंत्र द्वारा प्रतिबंधित नहीं है, फ्री-पिस्टन इंजन में चर संपीड़न अनुपात की मूल्यवान विशेषता है, जो व्यापक संचालन अनुकूलन, उच्च भाग दक्षता और संभव बहु-ईंधन संचालन प्रदान कर सकता है। इन्हें उचित नियंत्रण विधियों के माध्यम से परिवर्तनीय ईंधन अंतःक्षेप समय और वाल्व समय से बढ़ाया जाता है।

परिवर्तनीय आघात लंबाई एक उचित आवृत्ति नियंत्रण योजना जैसे PPM (सपन्द यति प्रतिरुपण) नियंत्रण [1] द्वारा प्राप्त की जाती है, जिसमें प्रतिघात इंजन के रूप में नियंत्रित द्रवचालित सिलेंडर का उपयोग करके BDC पर पिस्टन गति को रोका जाता है। इसलिए आवृत्ति को नियंत्रित किया जा सकता है जब पिस्टन BDC तक पहुंचता है और अगले आघात 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 संक्षिप्त 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 प्रभार संपीड़न प्रज्वलन (HCCI) प्रणाली के लिए अच्छी तरह से अनुकूल है, जिसमें पूर्व मिश्रित प्रभार को संपीड़ित और स्वयं प्रज्वलित किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप बहुत तेजी से दहन होता है, साथ ही सटीक प्रज्वलन कालसमंजन 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 यन्त्रों 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 प्रतिसंतुलन लागू करना है, जिसके परिणामस्वरूप अधिक जटिल अभिकल्पना, इंजन के आकार और वजन में वृद्धि और अतिरिक्त घर्षण हानि होती है।

एक गतिज ऊर्जा भंडारण उपकरण की कमी, पारंपरिक यन्त्रों में एक चक्का की तरह, फ्री-पिस्टन इंजन इंजन चक्र के समय या दबाव में मिनट की भिन्नता के कारण कामबंदी 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 अंतःक्षेप/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 अभिकल्पना, कम रखरखाव लागत और कम घर्षण नुकसान के साथ एक संक्षिप्त 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 प्रभार संपीड़न प्रज्वलन (HCCI) संचालन के लिए और भी उपयुक्त है।[17]
  • शीर्ष मृत केंद्र (TDC) के आसपास उच्च पिस्टन गति और एक तेज पावर आघात विस्तार ईंधन-वायु मिश्रण को बढ़ाता है और गर्मी हस्तांतरण के हानि और तापमान-निर्भर उत्सर्जन जैसे नाइट्रोजन ऑक्साइड (NOX) के गठन के लिए उपलब्ध समय को कम करता है।[18][19]


चुनौतियां

फ्री-पिस्टन इंजन के लिए मुख्य चुनौती इंजन नियंत्रण है, जिसे केवल एकल पिस्टन द्रवचालित फ्री-पिस्टन इंजन के लिए पूरी तरह हल किया जा सकता है। दोहरी पिस्टन यन्त्रों 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, ईंधन पम्प, शीतलन प्रणाली, प्रवर्तक यंत्र आदि को जोड़ सकते हैं।

प्रत्यावर्ति, वायु अनुकूलक संपीड़क, शक्ति परितालन पंप, और प्रदूषण-रोधी उपकरणों जैसे पारंपरिक वाहन इंजन सहायक उपकरण को चक्रण 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।

नवागत घटनाक्रम

21वीं सदी में फ्री-पिस्टन इंजन में शोध जारी है और कई देशों में एकस्वीकृत प्रकाशित किए गए हैं। यूके में, न्यूकैसल विश्वविद्यालय फ्री-पिस्टन इंजन में शोध कर रही है।[20]

जर्मन अंतरिक्ष प्रौद्योगिकी केंद्र द्वारा एक नए प्रकार का फ्री-पिस्टन इंजन, एक मुक्त-पिस्टन रैखिक जनित्र विकसित किया जा रहा है।[21]

इन प्रतिमान के अलावा, US में वेस्ट वर्जीनिया यूनिवर्सिटी के शोधकर्ता, 90 हर्ट्ज की प्रचालन आवृति पर यांत्रिक स्प्रिंग के साथ सिंगल सिलेंडर फ्री-पिस्टन इंजन प्रतिमान के विकास पर काम कर रहे हैं।[22]


संदर्भ

  1. ↑ "Espacenet - Original document".
  2. ↑ Pescara R.P., Motor compressor apparatus, US Patent 1,657,641, 1928.
  3. ↑ "इतिहास". freikolben.ch. Archived from the original on 2012-04-22. Retrieved 2015-03-27.
  4. ↑ Toutant, W.T. (1952). "The Worthington–Junkers free-piston air compressor". Journal of the American Society of Naval Engineers (64): 583–594.
  5. ↑ London A.L., Oppenheim A.K., The free-piston engine development -- Present status and design aspects, Transactions of the ASME 1952:74:1349–1361.
  6. ↑ Underwood A.F., The GMR 4-4 ‘‘HYPREX’’ engine – A concept of the free-piston engine for automotive use, SAE Transactions 1957:65:377–391.
  7. ↑ Frey D.N. et al., The automotive free-piston-turbine engine, SAE Transactions 1957:65:628–634.
  8. ↑ Achten P.A.J. et al., Horsepower with brains: The design of the Chiron free piston engine, SAE Paper 2000–01–2545, 2000.
  9. ↑ Brunner H. et al., Renaissance einer Kolbenmachine, Antriebstechnik 2005:4:66–70.
  10. ↑ P. OSTENBERG. Electric generator. US Patent 2362151 A - 1959.
  11. ↑ Willimczik W. Hubkolbenmaschine mit elektrischem Triebwerk, insbesondere Hubkolben-Lineargenerator, WP113 593, 1974
  12. ↑ Prof. Dr.-Ing. Horst E. Friedrich, German Aerospace Center (DLR), [1], 19 February 2013
  13. ↑ Clark N. et al., Modelling and development of a linear engine, Proc. ASME Spring Conference, Internal Combustion Engine Division, 1998:30:49–57.
  14. ↑ Tikkanen S. et al., First cycles of the dual hydraulic free piston engine, SAE Paper 2000–01–2546, 2000.
  15. ↑ BioAge Media. "Toyota Central R& developing free-piston engine linear generator; envisioning multi-FPEG units for electric drive vehicles". greencarcongress.com.
  16. ↑ Cammisa, Jason (June 30, 2014). "No crankshaft, no problem: Toyota's free piston engine is brilliant". Road and Track.
  17. ↑ Van Blarigan P. Advanced internal combustion electric generator
  18. ↑ Mikalsen R, Roskilly A.P. The design and simulation of a two-stroke free-piston compression ignition engine for electrical power generation. Applied Thermal Engineering, Volume 28, Issues 5-6, Pages 589-600, 2008. [2]
  19. ↑ Mikalsen R, Roskilly A.P. A computational study of free-piston diesel engine combustion. Applied Energy, Volume 86, Issues 7-8, Pages 1136-1143, 2009. [3]
  20. ↑ "Home". free-piston.eu.
  21. ↑ DLR researchers unveil a new kind of range extender for electric cars
  22. ↑ Bade, Mehar, Nigel N. Clark, Matthew C. Robinson, and Parviz Famouri. "Parametric Investigation of Combustion and Heat Transfer Characteristics of Oscillating Linear Engine Alternator." Journal of Combustion 2018 (2018).


स्रोत

बाहरी कड़ियाँ

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