Vlastnosti motorgenerátoru
Prezentované řešení motor-generátoru, je výsledkem naší rozsáhlé práce na splnění požadavků na vytvoření dobíjecího motor-generátoru, často nazývaného ‚prodlužovač dojezdu‘ určený pro elektrická letadla.
Naším hlavním cílem bylo splnit dva základní požadavky:
- Minimalizace vibrací: Prvořadý požadavkem byla eliminace vibrací pocházejících z pohonné jednotky. Tyto vibrace se přenášejí do rámu letadla a to se stává zvláště kritickým pro nutnost umístění vysoce přesných optických přístrojů.
- Redukce hmotnosti a rozměrů: Druhý klíčový cíl zahrnoval minimalizaci hmotnosti a rozměrů motorgenerátoru.
Stručný rozbor problému vibrací
V oblasti spalovacích motorů s jedním klikovým hřídelem jsme identifikovali dva hlavní zdroje vibrací. První zdroj vzniká dynamickým pohybem klikového mechanismu, druhý je výsledkem kolísání točivého momentu během spalovacího cyklu.
První zdroj vibrací: Setrvačné síly vzniklé pohybem klikového mechanismu
Tyto vibrace jsou důsledkem setrvačných sil a jejich momentů generovaných pohybem součástí klikového mechanismu. Například píst koná vratný cyklický pohyb po lineární dráze, přičemž rychlost jeho pohybu se v průběhu cyklu mění, nebo ojnice vykonávající obecný rovinný pohyb. V obou těchto případech způsobuje změna rychlosti, směru a zrychlení vznik setrvačných sil. Pokud tyto síly nejsou v motoru kompenzovány vhodným vyvažovacím systémem, přenášejí se přes blok motoru a uložení motoru a dále do trupu letadla, což vede k nežádoucím vibracím.
Problematika vyvážení setrvačných sil klikového mechanismu je poměrně složitá a za dobu existence strojů s klikovým mechanismem vyčerpávajícím způsobem popsána. Nebudeme tedy podrobně rozebírat obecnou problematiku.
U běžných provedení konstrukcí jsou vyváženy zpravidla první nebo první a druhé harmonické složky setrvačných sil. I když to není zcela dokonalé vyvážení, pro většinu aplikací zcela vyhovuje, protože vibrace od spalovacího procesu ve válci motoru jsou výrazně větší než vibrace dalších harmonických složek setrvačných sil.
Druhý zdroj vibrací: Kolísání točivého momentu vyvolané spalovacím cyklem
Na rozdíl od elektromotorů přináší spalovací motor značné problémy související s kolísáním točivého momentu. Přenos energie na výstupní hřídel není rovnoměrný, což má za následek značné okamžité kolísání točivého momentu. Kromě setrvačných sil na klikový mechanismus působí síly od plynů ve válci, a tyto síly se sčítají a vytváření výsledný kolísavý točivý momentu motoru.
Na grafu výše je znázorněn červenou čárou tlak plynu ve válci, zatímco tmavě modrá čára představuje výsledný točivý moment jednoválcového motoru. Světle modrá čára označuje střední hodnotu točivého momentu, která odpovídá výkonu generovanému během celého spalovacího cyklu.
Při provozu spalovacího motoru vzniká klopný moment v důsledku dvojice sil (Fn) a (Fn’) působící na blok motoru v každém cyklu. Intenzita tohoto klopného momentu je primárně závislá na spalovacím tlaku. Výše uvedené schéma znázorňuje rozklad výsledné síly (Fr), která zahrnuje tlak ve válci a setrvačné síly na pístovou skupinu, která vytváří klopný moment, Mn = Fn x d/2.
Tento kolísavý klopný moment se přenáší přes uložení motoru, což má za následek vibrace, které obecně převyšují vibrace vyvolané setrvačnými silami. Tento problému je u standardních motorů s jedním klikovým hřídelem obtížně řešitelný a vyžaduje pokročilý systém uložení motoru. Zejména v případě moderních motorgenerátorů, jako jsou „range extendry“, zůstává odstranění těchto vibrací významnou výzvou, zejména u motorů vyznačujících se vysokou kompresí, spalovacím tlakem a omezeným počtem válců.
Popis konstrukčního řešení prezentovaného motorgenerátoru
Motorgenerátor je sestaven s dvou jednoválcových motorů uspořádané symetricky v jedné rovině a dvěma generátory. Osy válců leží v jedné přímce. Klikové hřídele jsou uloženy v bloku a jsou propojeny ozubenými koly s převodovým poměrem 1/-1, což znamená opačný směr otáčení.
První klikový hřídel je spojen s prvním generátorem, zatímco druhý klikový hřídel je spojen s druhým generátorem nebo setrvačníkem. Kritický je požadavek na moment setrvačnosti prvního klikového hřídele spolu s jeho generátorem, aby byl v souladu s momentem setrvačnosti druhého klikového hřídele s generátorem nebo setrvačníkem. Osy válců jsou umístěny kolmo k rovině symetrie, která se nachází mezi klikovými hřídeli, a oba písty dosahují horní úvratě (TDC) současně.
Podrobnější informace naleznete v patentových souborech dostupných na této webové stránce.
Eliminace prvního zdroje vibrací
Jak již bylo zmíněno, první zdroj vibrací pochází ze setrvačných sil vyvolaných pohybem součástí klikového mechanismu as nimi spojenými silovými momenty.
V našem provedení jsou jednotlivé klikové mechanismy vyváženy tak, že nevyvážené rotační hmoty jsou vyváženy vývažky na 100 %. To znamená, že odstředivé síly se vzájemně zcela vyruší (Fc + Fb = 0). Zatímco posuvné hmoty jednotlivých klikových mechanismů zůstávají nevyvážené. Jejich symetrické provedení zajišťuje, že zrychlení těchto posuvných hmot v každém okamžiku stejnou velikost, ale opačný směr. V důsledku toho se setrvačné síly (Fs) vznikající od posuvných hmot vzájemně ruší. Tím je zajištěna dokonalá eliminace všech harmonických složek spojených s těmito setrvačnými silami. Vzhledem k tomu, že se všechny posuvné hmoty pohybují podél jedné osy, nevzniká ani žádný moment od působících setrvačných sil, za předpokladu, že hmotnosti všech součástí v obou klikových mechanismů jsou stejné.
Toto provedení komplexně eliminuje všechny harmonické složky setrvačných sil. Dodržením výše uvedených kritérií návrhu dosáhneme ideální rovnováhy.
Odstranění druhého zdroje vibrací
Jak jsme zmínili v části „Stručný rozbor problému vibrací“. Je druhým zdrojem vibrací značné kolísání momentu na klikové hřídeli v průběhu spalovacího cyklu, což vede ke vzniku reakčního momentu v uložení motoru.
Prezentovaný motorgenerátor má výše uvedenou konstrukci se dvěma klikovými hřídeli. Tyto klikové hřídele se otáčejí v opačných směrech a mají stejné momenty setrvačnosti. Jelikož jsou tyto klikové hřídele dokonale synchronizovány ozubenými koly, jsou i všechna uhlová zrychlení shodné velikosti ale opačného smyslu.
Tato dokonalá synchronizace účinně odstraňuje reakční momenty (Mn) způsobené nepravidelnostmi točivého momentu na klikovém hřídeli, které vyplývají ze specifik spalovacího cyklu. V případech, kdy se směs vznítí současně v obou válcích, má síla (Fr) přenášená na klikový mechanismus podobnou velikost. Téměř shodné síly působící na oba klikové mechanismy znamenají minimální namáhání synchronizačních kol.
Tato konfigurace nabízí výrazné výhody. Použití dvou menších generátorů snižuje celkovou výšku motoru a zároveň zajišťuje efektivní distribuci energie. V situacích, kdy je preferován jeden generátor, může pracovat ve spojení se setrvačníkem na druhém klikovém hřídeli, přičemž ozubená kola přenášejí pouze užitečný výkon. I v takovém případě je silové zatížení ozubených kol velmi příznivé.
Důležité je, že synchronizační převod klikových hřídelí zajišťuje shodné úhlové zrychlení. I v případě že dojde u jednoho válce k selhání zapalování, zůstane soustrojí ideálně vyváženo. Stojí za zmínku, že tato situace může zvýšit namáhání synchronizačních převodů.
Výhody řešení
Námi představené řešení motor-generátoru nepřenáší do uložení motoru žádné kolísavé síly ani momenty. Celé soustrojí je zcela neutrální a na uložení motoru působí pouze svou hmotností. Motorgenerátor netrpí vibracemi ani při startu nebo při vypnutí a vibrace jsou dokonale eliminovány v celém spektru otáček.
Konstrukce je maximálně jednoduchá bez vyvažovacích hřídelí. Ozubený převod mezi klikovými mechanismy je minimálně namáhán. To je příznivé pro nízkou hmotnost konstrukce a vysokou mechanickou účinnost.
Konstrukce maximálně využívá komponenty stávajících moderních jednoválcových motorů. Snadno lze relativně rychle a levně vyvinout motorgenerátor pro konkrétní zadání.
Toto řešení umožňuje extrémně nízkou zástavbovou výšku a krátkou zástavbovou délku, která je vhodná v případě zástavby do podlahy nebo do nárazníku elektrovozidel. Též v letounech je plochá konstrukce výhodná pro nejpoužívanější typy zástaveb spalovacích motorů.
Lze uvažovat i o výhodném dieselovém provedení motorgenerátoru, protože nebude zatížen problémem tvrdého chodu a doprovodných vibrací. V letectví by byla vítaná možnost spalovat účinně kerosin a snížit riziko požáru.
V další stati Simulace vibrací se pokusíme zobrazit vibrace standardního dvouválcového provedení spalovacího motoru a prezentovaného motorgenerátoru v různých konfiguracích. Zmíníme i řešení konkurenčních konstrukcí motorgenerátorů.