Advertisements
Menu
Life is about sharing

Toyota Free Piston Engine Linear Generator, WOW!

  • Share
Toyota Free Piston Engine Linear Generator

Teknisimobil.com – Salam Teknisi Mobil Indonesia, apa kabar kalian semua hari ini? Semoga semua baik-baik saja dan tetap semangat menjalani aktivitas sepanjang hari ini pada bengkelnya masing-masing. Bahasan singkat kita kali ini adalah tentang Toyota Free Piston Engine Linear Generator, WOW! Berikut bahasan selengkapnya.

Toyota Free Piston Engine Linear Generator, WOW!

Sebuah tim di Toyota Central R&D Labs Inc. sedang mengembangkan prototipe Free Piston Engine Linear Generator (FPEG) 10 kW. Tampilan dari FPEG adalah dengan bentuk yang tipis dan kompak, efisiensi tinggi, dan fleksibilitas bahan bakar yang tinggi. Toyota membayangkan bahwa sepasang unit semacam itu (20 kW) akan memungkinkan kendaraan penggerak listrik segmen B/C melaju dengan kecepatan 120 km/jam (75 mph).

Prinsip Kerja FPEG atau Free Piston Engine Linear Generator

FPEG terdiri dari ruang bakar dua langkah, generator linier, dan ruang pegas gas. Gas pembakaran akan menggerakkan piston, sedangkan magnet yang terpasang pada piston bergerak dalam kumparan linier, sehingga mengubah energi kinetik menjadi energi listrik. Fitur struktural utama dari Toyota FPEG adalah piston berbentuk langkah melingkar berongga, yang oleh Toyota disebut “bentuk W”. Sisi piston yang berdiameter lebih kecil merupakan ruang bakar, dan sisi berdiameter lebih besar merupakan ruang pegas gas.

Toyota Free Piston Engine Linear Generator

FPEG menarik karena sejumlah alasan. Para peneliti Toyota memberikan alsan tersebut termasuk dalam masalah efisiensi termal, gesekan rendah, dan getaran rendah. Dua pendekatan desain dasar telah muncul: yang pertama adalah struktur dengan dua ruang bakar yang berlawanan; kedua, struktur dengan satu ruang bakar dan satu ruang pegas gas. Dalam pendekatan terakhir, ruang pegas gas bertanggung jawab untuk mengembalikan piston untuk peristiwa pembakaran berikutnya. Konfigurasi kedua ini adalah yang Toyota pilih untuk penyelidikan lebih lanjut dengan simulasi numerik dan eksperimen.

Toyota FPEG didasarkan pada sistem piston ganda; di satu ujung adalah ruang bakar, dan di ujung lainnya, ruang pegas gas yang dapat disesuaikan. Gas yang terbakar dikeluarkan melalui katup buang yang dipasang di kepala silinder ruang bakar; udara segar masuk melalui port pemulungan di dinding samping liner silinder.

Sebagian dari energi kinetik piston disimpan di pegas gas, dan diekstraksi pada langkah balik ke sisi ruang bakar. Sebuah “penggerak” magnet dipasang di pinggiran luar piston; penggerak dan kumparan stator bersama-sama membentuk komponen generator linier dari FPEG.

Toyota Free Piston Engine Linear Generator

Desain piston “bentuk W” menawarkan beberapa keunggulan, kata Toyota

  • Area penampang yang lebih besar dari ruang pegas gas menyebabkan temperatur kompresi yang lebih rendah dari ruang pegas gas dan akibatnya kehilangan panas yang berkurang.
  • Piston memiliki struktur berlubang dan bergerak di sepanjang penahan kolom, yang pada gilirannya memungkinkan pembangunan saluran oli pendingin di dalam penahan. Teknologi utama untuk memberikan operasi berkelanjutan yang stabil dari sebuah FPEG adalah pelumasan, pendinginan, dan control logic.
  • Pinggiran bagian dalam piston berlubang juga berfungsi sebagai permukaan geser pada penyangga kolom, memungkinkan jarak kecil yang stabil antara magnet dan koil untuk meningkatkan efisiensi pembangkit.
  • Magnet dipasang jauh dari bagian atas piston, mencegah magnet degaussing dengan pemanasan.

Para peneliti mengembangkan simulasi siklus satu dimensi untuk menyelidiki kinerja struktur yang diusulkan, dan menggunakannya untuk menilai spark ignition combustion (SI) dan premixed charged compression ignition combustion (PCCI). Mereka mencapai daya keluaran 10 kW dengan kasus pembakaran SI dan PCCI; kasus pembakaran PCCI menyadari efisiensi termal 42%.

Para peneliti Toyota kemudian membangun prototipe FPEG dengan tipe pemulungan aliran tunggal, sistem pembakaran SI dua langkah sebagai studi eksperimental. Peneliti Toyota menggunakan cincin piston berlapis keramik dan liner silinder yang mereka kembangkan untuk memastikan kelancaran geser piston bahkan di bawah pelumasan yang tidak memadai. Katup poppet yang ditempatkan di kepala silinder berpendingin air digerakkan oleh rangkaian katup hidraulik untuk mengontrol timing katup buang. Injeksi langsung mengurangi emisi hidrokarbon yang tidak terbakar yang dikeluarkan melalui proses pemulungan.

Katup pengatur tekanan di ruang pegas gas memungkinkan massa gas variabel, sehingga memvariasikan kekakuan pegas gas — salah satu variabel untuk menggeser FPEG ke titik operasi yang berbeda.

Generator linier adalah mesin sinkron eksitasi permanen yang terdiri dari kumparan stasioner, penggerak (berdasarkan magnet neodymium-besi-boron) yang dipasang pada piston, dan stator inti besi. Elektronik poer menggerakkan mesin sebagai motor dan generator.

Para peneliti merancang sistem kontrol prototipe untuk memastikan bahwa rasio kompresi dijaga pada nilai yang memungkinkan pembakaran yang stabil — yaitu, koefisien beban pembangkitan adalah variabel, tidak konstan. Koefisien ditentukan dengan metode kontrol umpan balik berdasarkan posisi dan kecepatan piston.

Karena tidak ada mekanisme engkol, posisi piston dalam FPEG tidak ditentukan dengan sudut engkol. Namun, mengetahui posisi piston sangat penting tidak hanya untuk pengaturan waktu (injeksi bahan bakar, pengapian, buka / tutup katup buang), tetapi juga untuk pemilihan mode penggerak atau pembangkit. Untuk menentukan posisi piston, para peneliti Toyota menghitung alur-alur jamak yang terukir di permukaan samping bodi piston dengan sensor celah yang dipasang di dinding bagian dalam blok silinder. (Metode mendetail untuk mendeteksi dan mengontrol posisi piston adalah subjek makalah kedua.)

Logika kontrol generator harus memenuhi persyaratan berikut, menurut peneliti:

  • Dengan asumsi aplikasi kendaraan multi-unit, beberapa FPEG akan membatalkan getaran melalui tata letak yang berlawanan secara horizontal; frekuensi dan fase osilasi piston harus dapat dikontrol.
  • TDC dan BDC perlu dikontrol secara tepat untuk menstabilkan pembakaran dua langkah.
  • Setelah terbentur atau macet, osilasi harus berlanjut dengan kuat.
  • Prototipe FPEG dengan piston bentuk W dan sistem pembakaran SI dua langkah mencapai operasi yang stabil selama lebih dari 4 jam tanpa masalah pendinginan dan pelumasan.

Analisis eksperimental juga menunjukkan bahwa kontrol posisi penyalaan yang tepat sangat penting untuk operasi FPEG yang stabil.

Tim peneliti, selanjutnya, berencana untuk meningkatkan pembangkit listrik sistem dan melakukan analisis kuantitatif dari efisiensi.

Sumber

  • Kosaka, H., Akita, T., Moriya, K., Goto, S. et al. (2014) “Development of Free Piston Engine Linear Generator System Part 1 – Investigation of Fundamental Characteristics,” SAE Technical Paper 2014-01-1203 doi: 10.4271/2014-01-1203
  • Goto, S., Moriya, K., Kosaka, H., Akita, T. et al. (2014) “Development of Free Piston Engine Linear Generator System Part 2 – Investigation of Control System for Generator,” SAE Technical Paper 2014-01-1193 doi: 10.4271/2014-01-1193
  • Share

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *