vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2019-64-3-304-320vestift-455Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕ, МЕХАНИКАMECHANICAL ENGINEERING AND MECHANICSСогласование сил механической и электрической подсистем энергоустановки со свободнопоршневым двигателем и электрическим генератором возвратно-поступательного типаCoordination of forces of mechanical and electric subsystems of power plant with free piston engine and electric generator of reciprocating typeМенжинскийА. Б.MenzhinskiA. B.

Менжинский Андрей Борисович – старший преподаватель, кафедра электротехники и систем электропитания

пр. Независимости, 220, 220057, Минск

Andrei B. Menzhinsky – Senior Lecturer, Chair of Electrical Equipment and Power Supply Systems

220, Nezavisimosti Ave., 220057 Minsk

volna05011990@mail.ruВоенная академия Республики БеларусьMilitary Academy of Republic of Belarus201905102019643304320Copyright © Менжинский А.Б., 20192019Менжинский А.Б.Menzhinski A.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/455

Автономная система энергоснабжения современных мобильных средств специального назначения требует разработки электромеханических преобразователей энергии с высокими энергетическими и минимальными массогабаритными показателями. В промышленно развитых странах в качестве перспективной энергоустановки рассматривается система «свободнопоршневой двигатель – возвратно-поступательный электрический генератор поперечного типа». Главной особенностью такой энергоустановки является отсутствие кривошипно-шатунного механизма в конструкции двигателя. Это позволяет: увеличить коэффициент полезного действия двигателя до 50–60 % и габаритную мощность в 2,5–3 раза с одновременным уменьшением удельной массы и металлоемкости по сравнению с традиционными двигателями; снизить удельный расход топлива двигателя до 30 %; увеличить ресурс до капитального ремонта на 30–50 тыс. ч; реализовать модульную структуру. Основными недостатками такой энергоустановки являются большая вероятность поломки при пропуске зажигания рабочей смеси и неустойчивость работы при значительных колебаниях нагрузки. Отмеченные недостатки обусловлены несогласованностью сил электрической и механической подсистем энергоустановки на всем рабочем цикле. Особую сложность вызывает решение задачи согласования сил электрической и механической подсистем энергоустановки в крайних положениях поршневой группы свободнопоршневого двигателя. В связи с этим был разработан способ решения задачи согласования сил механической и электрической подсистем энергоустановки со свободнопоршневым двигателем на всем рабочем цикле, отличающийся использованием в электрической подсистеме энергоустановки электромеханического преобразователя энергии возвратно-поступательного типа с поперечным и продольным нелинейным изменением магнитного потока. Согласование сил механической и электрической подсистем энергоустановки на всем рабочем цикле позволяет обеспечить выполнение условия непрерывного электромеханического преобразования энергии на всем рабочем цикле и уменьшить удельную массу электрической подсистемы энергоустановки при одновременном повышении коэффициента полезного действия.

Autonomous power supply system of modern mobile special-purpose equipment requires the development of electromechanical energy converters with high energy and minimum weight- and size indicators. In industrialized countries, the system “free piston engine – reciprocating electric generator of transverse type” is considered as a promising power plant. The main feature of this kind of power plant is the lack of crank mechanism in the engine design. This allows: increasing the efficiency of the engine up to 50–60 % and overall power by 2.5–3 times while reducing the specific gravity and metal consumption compared to traditional engines; reducing the specific fuel consumption of the engine up to 30 %; increasing the resource to overhaul by 30–50 thousand hours; implementing a modular structure. The main drawbacks of this kind of power plant are high probability of failure when passing the ignition of the working mixture and instability of work with significant load fluctuations. The noted drawbacks are due to the inconsistency of the forces of the electrical and mechanical subsystems of the power plant throughout the operating cycle. The solution for the problem of matching the forces of the electrical and mechanical subsystems of the power plant in the extreme positions of the piston group of the free piston engine is of particular complexity. In this regard, a method for solving the problem of matching the forces of the mechanical and electrical subsystems of the power plant with a free-piston engine throughout the operating cycle was developed, characterized by the use of an electromechanical reciprocating energy converter with transverse- and longitudinal nonlinear changes in the magnetic flux in the electrical subsystem. Coordination of the forces of mechanical and electrical subsystems of the power plant on the entire operating cycle makes it possible to fulfill the conditions of continuous electromechanical energy conversion at all work cycle and to reduce the specific gravity of the electrical subsystems of the plant while improving efficiency.

электромагнитная силаэнергоустановкакомбинированный генераторвозвратно-поступательный электрический генераторсвободнопоршневой двигательelectromagnetic forcepower plantcombined generatorreciprocating electric generatorfree piston engineReferencesПинский, Ф. И. Энергоустановки со свободнопоршневыми двигатель-генераторами / Ф. И. Пинский // Мобильная техника. – 2004. – № 2. – С. 13–17.Pinskii F. I. Power plants with free piston engine generators. Mobil’naya Tekhnika [Mobile Technology], 2004, no. 2, pp. 13–17 (in Russian).Cawthorne, W. R. Optimization of a Brushless Permanent Magnet Linear Alternator for Use with a Linear Internal Combustion Engine / W. R. Cawthorne. – Morgantown, 1999. – 113 р.Cawthorne, W. R. Optimization of a Brushless Permanent Magnet Linear Alternator for Use with a Linear Internal Combustion Engine. Morgantown, 1999. 113 р.Темнов, Э. С. Разработка теоретических основ расчета и конструирования малоразмерных двигатель-генераторных установок как единой динамической системы: дис. … канд. техн. наук / Э. С. Темнов. – Тула, 2005. – 134 л.Temnov E. S. Development of theoretical bases for the calculation and design of small-sized engine-generator sets as a single dynamic system. Tula, 2005. 134 p. (in Russian).Петриченко, Д. А. Подход к электромеханическому управлению крайними положениями поршня в свободнопоршневом генераторе / Д. А. Петриченко, Л. Ю. Лежнев // Достижения вуз. науки. – 2014. – № 12. – С. 109–117.Petrichenko D. A., Lezhnev L. J. The electromechanical approach to the management of the extreme positions of the piston free piston generator. Dostijenia vyzovskoi nauki = Achievements of High School Science, 2014, no. 12, pp. 109–117 (in Russian).Татарников, А. П. Разработка свободнопоршневой энергоустановки на базе двухтактного двигателя и линейных электрических машин / А. П. Татарников // Новая наука: стратегии и векторы развития. – 2016. – № 5-2. – С. 256–265.Tatarnikov А. P. Development of a free-piston power plant based on a two-stroke engine and linear electric machines. Novai nauka: strategii i vektori razvitii = New science: strategies and vectors of development, 2016, no. 5–2, pp. 256–265 (in Russian).Dynamic modeling of a SI/HCCI free-piston engine generator with electric mechanical valves / C. J. Chiang [et al.] // Appl. Energy. – 2013. – Vol. 102. – P. 336–346. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.07.033Chia-Jui Chiang, Jing-Long Yang, Shao-Ya Lan, Tsung-Wei Shei, Wen-Shu Chiang, Bo-Liang Chen. Dynamic modeling of a SI/HCCI free-piston engine generator with electric mechanical valves. Applied Energy, 2013, vol. 102, pp. 336–346. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.07.033Hanipah, M. R. Recent commercial free-piston engine developments for automotive applications / M. R. Hanipah, R. Mikalsen, A. P. Roskilly // Appl. Therm. Eng. – 2015. – Vol. 75. – P. 493–503. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2014.09.039Hanipah M. R., Mikalsen R., Roskilly A. P. Recent commercial free-piston engine developments for automotive applications. Applied Thermal Engineering, 2015, vol. 75, pp. 493–503. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2014.09.039Li, Q. F. Simulation of a two-stroke free-piston engine for electrical power generation / Q. F. Li, J. Xiao, Z. Huang // Energy Fuels. – 2008. – Vol. 22, iss. 5. – P. 3443–3449. https://doi.org/10.1021/ef800217kLi Q. F., Xiao J., Huang Z. Simulation of a two-stroke free-piston engine for electrical power generation. Energy and Fuels, 2008, vol. 22, iss. 5, pp. 3443–3449. https://doi.org/10.1021/ef800217kMulti-dimensional scavenging analysis of a free-piston linear alternator based on numerical simulation / J. Mao [et al.] // Appl. Energy. – 2011. – Vol. 88, iss. 4. – P. 1140–1152. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2010.10.003Mao J., Zuo Z., Li W., Feng H. Multi-dimensional scavenging analysis of a free-piston linear alternator based on numerical simulation. Applied Energy, 2011, vol. 88, iss. 4, pp. 1140–1152. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2010.10.003The operation of free piston linear generator engine using MOSFET and IGBT drivers / A. A. Ibrahim [et al.] // J. Appl. Sci. – 2011. – Vol. 11, № 10. – Р. 1791–1796. https://doi.org/10.3923/jas.2011.1791.1796Ibrahim A. A., Aziz A. R. A., Abi E. Z. B. Z., Zulkifli S. A. The operation of free piston linear generator engine using MOSFET and IGBT drivers. Journal of Applied Sciences, 2011, vol. 11, iss. 10, pp. 1791–1796. https://doi.org/10.3923/jas.2011.1791.1796Mikalsen, R. The control of a free-piston engine generator. Part 2: Engine dynamics and piston motion control / R. Mikalsen, A. Roskilly // Appl. Energy. – 2010. – Vol. 87, iss. 4. – P. 1281–1287. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2009.06.035Mikalsen R., Roskilly A. The control of a free-piston engine generator. Part 2: Engine dynamics and piston motion control. Applied Energy, 2010, vol. 87, iss. 4, pp. 1281–1287. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2009.06.035The free-piston linear generator potentials and challenges / F. Kock [et al.] // MTZ Worldwide. – 2013. – Vol. 74, № 10. – P. 38–43. https://doi.org/10.1007/s38313-013-0099-zKock F., Heron A., Rinderknecht F., Friedrich H. E. The free-piston linear generator potentials and challenges. MTZ Worldwide, 2013, vol. 74, no. 10, pp. 38–43. https://doi.org/10.1007/s38313-013-0099-zМенжинский, А. Б. Применение возвратно-поступательного генератора комбинированной конструкции для повышения КПД и уменьшения удельной массы энергоустановок автономных образцов вооружения / А. Б. Менжинский, А. Н. Малашин, И. В. Митянов // Вестн. Воен. акад. Респ. Беларусь. – 2017. – № 4. – С. 62–72.Menzhinskii A. B., Malashin A. N., Mityanov I. V. The use of a reciprocating generator of a combined design to increase the effciency and reduce the specifc weight of power plants of autonomous weapons. Vestnik Voennoi akademii Respubliki Belarus’ = Bulletin of the Military Academy of the Republic of Belarus, 2017, no. 4, pp. 62–72 (in Russian).Хитерер, М. Я. Синхронные электрические машины возвратно-поступательного движения: учеб. пособие / М. Я. Хитерер, И. Е. Овчинников. – СПб.: Корона принт, 2013. – 357 с.Khiterer M. Ya., Ovchinnikov I. E. Synchronous Electric Reciprocating Machines. St. Petersburg, Korona-print Publ., 2013. 368 p. (in Russian).Менжинский, А. Б. Математическая модель генератора комбинированной конструкции возвратнопоступательного типа / А. Б. Менжинский, А. Н. Малашин, Ю. Г. Коваль // Вестн. Гомел. гос. техн. ун-та. – 2018. – № 2. – С. 74–85.Menzhinskii A. B., Malashin A. N., Koval J. G., Mathematical model of the generator of the combined design of reciprocating type. Vestnik Gomelskogo technicheskogo universiteta = Bulletin of Gomel State Technical University, 2018, no. 2, pp. 74–85 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.