Podle informací Práva neobsahuje lineární spalovací motorgenerátor (LCE) žádný klikový mechanismus, takže vystačí s jednoduchou mechanickou konstrukcí. Navíc lze měnit běžně neřiditelné parametry jako je třeba kompresní poměr. Předností lineárního motoru je hlavně nulová potřeba údržby, vysoká účinnost a dlouhá životnost. Prototyp je v závěrečné fázi. Tým už dokončuje vývoj řídicího panelu. Takové užití lineárního motoru by představovalo revoluci. Pohonná jednotka totiž vyrábí dostatek elektřiny, takže by auto ve městě fungovalo jako elektromobil, tedy bez zplodin.

Motor vznikl na Fakultě elektrotechnické ČVUT a podle vědců by se mohl v autech používat už za tři roky.

zdroj Právo ZDE

Lineární spalovací motor (LCE)

V současné době je úroveň mikroprocesorové techniky, výkonové elektroniky, techniky snímačů i akčních členů již natolik vysoká, že požadavek řídit i nové typy netradičních spalovacích motorů, které by bez těchto elektronických prostředků vůbec nemohly vzniknout, se stává reálným. Příkladem využití možností současné elektroniky může být i nový netradiční motor, který jsme nazvali lineární spalovací motor LCE (Linear Combustion Engine).

Dva písty spojené pístní tyčí spolu s válci na každé straně tvoří dvouválcový, dvoutaktní motor bez klikového hřídele. Jedná se o volný systém, který nemá definované polohy horní a dolní úvratě pístů. Pístní tyč je spojena s rotorem lineárního motorgenerátoru, který převádí kmitavý pohyb pístní tyče s permanentními magnety na napětí indukované v jeho stacionárním vinutí. Systém pracuje tak, že po stlačení směsi na jedné straně dojde k výbuchu, kinetická energie expandujících plynů tlačí na píst, pístní tyč je urychlována a lineární generátor přeměňuje během cyklu kinetickou energii pohyblivé části na energii elektrickou. Poznamenejme, že na konci zdvihu je stlačena nová směs v protilehlém válci a přenos energií musí být ukončen v přesné poloze, odpovídající horní úvrati protilehlého pístu. Vzhledem k tomu, že pohybová soustava je zcela volná, definované polohy horních i dolních úvrati musí zaručit elektronický řídicí systém a pochopitelně reakce řídicího systému musí probíhat v reálném čase. Jediným způsobem jak ovlivňovat chování soustavy v průběhu konkrétního cyklu je sofistikované řízení proudů ve vinutích motorgenerátoru, čímž je vyvozována odpovídající síla. Při rozsahu pracovních frekvencí pístnice (25-150 Hz) by donedávna kvalitní řízení bylo značně problematické. Díky moderní elektronice však již výpočetní výkon není hlavním problémem a je tak možné navrhovat i velmi složité regulační struktury.

V současné době je na katedře řídicí techniky FEL ČVUT dokončen a intenzivně testován první pokusný model tohoto motoru označený jako LCE 01.

Pro funkční model LCE byl vybrán planární třífázový lineární motor z produkce VUES Brno, který se svými parametry přibližoval předpokládaným výkonům dvou válců a pístů motoru Aprilia SR50. Lineární motor totiž je trochu netradičně provozován převážně jako generátor, pro start spalovacího procesu však musí pracovat jako motor. Jednou ze zásadních vlastností navrhovaného motoru je absence jakéhokoli mechanického setrvačníku. To znamená, že při jakémkoli náhodném selhání zážehu směsi by se motor bez adekvátního regulačního zásahu okamžitě zastavil. Z tohoto důvodu jsou v obvodu výkonového invertoru zařazeny přiměřeně velké kondenzátory, jejichž energie je dostatečná pro intervenci regulátoru během několika cyklů. Vzhledem k vysokým nárokům na výpočetní výkon je využit systém dSpace pro řízení a simulaci v reálném čase. Jde o kombinaci výkonného hardwaru (architektura Motorola PowerPC) s automatickým generováním kódu z prostředí Simulink. Díky tomu je možné algoritmy navržené v prostředí Matlab-Simulink a ověřené na matematickém modelu okamžitě aplikovat i na reálné soustavě. Odpadá tak nutnost implementace na nižších úrovních (jazyk C, assembler atd.) a úsilí může být soustředěno na použití nejnovější teorie řízení.

Samotný řídicí algoritmus má dvě základní úrovně. Vnitřní smyčka zajišťuje ustálený chod LCE řízením lineárního elektrického motorgenerátoru a to i v případě náhodné nepravidelnosti chodu spalovacího motoru. Také musí zajistit start celého zařízení. Vnější smyčka se pak stará o řízení parametrů spalovacího procesu (předstih zážehu, množství paliva a vzduchu atd.) pro minimalizaci škodlivých exhalací a zároveň splnění aktuálních výkonových požadavků.

Aplikace lineárního spalovacího motoru a další perspektiva

Lineární spalovací motor má některé výhodné vlastnosti pro zajímavé aplikace. Především je velice lákavá jednoduchost konstrukce s minimem pohyblivých částí. V aplikacích, kde výroba elektrické energie je konečným produktem přeměny uhlovodíkového nebo vodíkového paliva lze takový motor chápat jako termodynamickou obdobu palivového článku, který má rovněž velké perspektivy. Výhodou popisovaného řešení při porovnání s palivovými články je však snadné dosažení podstatně vyšší výkonové hustoty (W/kg), objemové hustoty (W/m³) a nižší vývojové náklady, což je dáno využitím vývojově dokonalé technologie spalovacích motorů. Tyto přednosti lze využít pro aplikace v mobilních prostředcích.

Typickou aplikací LCE proto může být pohonná jednotka hybridního automobilu sériového typu. Takový automobil vyrábí na palubě elektrickou energii např. pomocí LCE. Tento energetický zdroj poskytuje průměrný výkon, které vozidlo požaduje pro udržování požadované trvalé rychlosti. Na palubě je současně další energetický zdroj s vysokou výkonovou hustotou (akumulátor, baterie superkondenzátorů apod.), který hradí výkonové špičky při rozjezdu, předjíždění nebo je naopak využíván při jízdě pomalou rychlostí s minimálními energetickými nároky. Současně se zde skladuje energie regenerativního brždění, což je základní výhoda hybridní koncepce automobilu.

LCE dobíjí akumulátor a poskytuje průměrný výkon pro jízdu. V této aplikaci je velkou výhodou, že LCE startuje a zastavuje v rámci jednoho termodynamického cyklu. Proto může pracovat pouze v jednom režimu "otáček i zatížení" a nebo se vypíná. Přitom lze motor řídit např. v oblasti chudých směsí, zajišťující minimální produkci nebezpečných exhalací. Pokud jsou energetické nároky vozidla nízké a akumulátory nabité, automobil pracuje jako elektromobil (jízda v městském provozu) bez exhalací a přitom si zachovává všechny výhody klasických automobilů (velký dojezd, snadné doplňování energie).

Popisovaná koncepce navíc umožňuje zástavbu pohonné jednotky v automobilu s vysokou variabilitou, neboť jednotka není mechanicky svázána s podvozkem vozidla. Dosavadní průběh výzkumných prací dává především příznivou zprávu o tom, že zmíněná kinematická koncepce motoru je elektronicky řiditelná i když zatím pouze se špičkovými a drahými vývojovými prostředky. Další perspektiva vývoje bude především dána výběrem dokonalejšího lineárního elektromotoru pro konstrukci již průmyslově využitelné jednotky pro výše popisovanou aplikaci. Současně předpokládáme postupné zdokonalování řídicích algoritmů a následný vývoj řídicí elektroniky s vhodným mikroprocesorovým jádrem a FPGA technologii v provedení rovněž vhodném pro průmyslové využití.

LITERATURA

• Vysoký O.: Lineární spalovací motorgenerátor a jeho řízení. Výzkumná zpráva K/00/198, FEL
• Němeček, P.; Šindelka, M.; Vysoký, 0.: Modeling and Control of Free-Piston Generator. In Proceedings of the 3rd IFAC Symposium on Mechatronic Systems (CD-ROM). Newcastle: The University of Newcastle, 2004, s. 355-361
• Němeček, P.; Šindelka, M.; Vysoký, 0.: Model and Experiments on Linear Combustion Engine. In IFAC Symposium on Advances in Automotive Control. Oxford: Elsevier Science, 2004, s. 320-325, Salerno Itálie
• Projekt lineárního spalovacího motoru (LCE) je také jednou z aktivit "Výzkumného centra spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka" .
• LCE Project

Zdroj: Sdělovací technika, 1.6.2005, str. 18, Doc. Ing. Ondřej Vysoký, CSc, Ing. Pavel Němeček, katedra řídicí techniky ČVUT FEL: Řízení netradičního spalovacího motoru

Alkalický palivový článek

Nejčistší pohon spalování vzniká jen vodní pára. Výroba je ale náročná. Ke zkapalnění je nutná teplota minus dvě stě padesát tři stupňů Celsia, takže velká energetická spotřeba. Ve světě nicméně už taková auta jezdí a stojí i několik čerpacích stanic. Honda už v roce 2002 vyrobila několik kusů aut, teď jich devatenáct pronajímá vládním úřadům a firmám v Japonsku a Spojených státech. General Motors chce vodíkový vůz nabídnout k prodeji do roku 2010, Toyota do 2015. Zemní plyn jako palivo řeší mnoho problémů . Řeší poněkud i emisi skleníkových plynů, pokud tedy neemituje sám metan, který je daleko skleníkovější než po spalování emitovaný oxid uhličitý, ale vzhledem k tomu, že v autě je zapotřebí tlakový zásobník, nečeká se s masivním rozšířením LPG pohonu na zemní plyn či propan. Současná technologie vyžaduje značné množství platiny do každého automobilu. Toto množství činí asi 60 gramů. To znamená, že dnešních 780 milionů automobilů a náklaďáků by teoreticky potřebovalo celkem 46 800 tun platiny do katalyzátorů, zatímco jsou její zásoby odhadovány na 45 570 tun. »Na to, aby vodík alespoň trochu konkuroval ropě, bude potřebovat několik zázraků a pár desítek let. A taky hodně vysoko vyšroubovanou cenu benzínu.« To tvrdí americký odborník na palivový cyklus David Barber z Národní laboratoře v Idahu. Češi na to jdou jinak.

Jaderná výroba vodíku

Možnostmi elektrolytické i vysokoteplotní výroby vodíku s využitím současných i budoucích jaderných zdrojů se už řadu let zabývají vědci z Ústavu jaderného výzkumu v Řeži. "Stačilo by 14 nových temelínských reaktorů, pokud by se vodík vyráběl elektrolyticky, anebo dokonce jen polovina vysokoteplotních pro tepelný rozklad vody", odhaduje zdroje potřebné na výrobu dostatečného množství vodíku pro českou dopravu šéf ústavu František Pazdera.

články pro ponorky

Zásadní zlom ve vývoji zdrojů elektřiny pro dopravu přiblížili vědci z drážďanského Fraunhoferova ústavu keramických technologií a slinutých materiálů. Pro vysokoteplotní palivové články, které z bioplynu nebo zemního plynu vyrábějí rovnou elektřinu, vyvinuli nový materiál, který zvýší životnost článků a sníží cenu. "Znamená to průlom v této technologii," informoval nedávno šéf projektu Peter Otschik.

"Vysokoteplotní palivové články dosahují nyní velice vysoké účinnosti. V Evropě se chceme běžně dostat na 70 procent, což se v budoucnu jeví jako reálné. V USA si stanovili cíl 80 procent, " říká o využití palivových článků ve stacionárních zdrojích Zdeněk Porš, český doktorand ve výzkumném ústavu v německém Jülichu. Palivový článek o výkonu kolem jednoho kilowattu dokáže podle něj po celý rok vyrábět teplo a elektřinu pro běžný rodinný domek. Existují sice i projekty na využití ve velké energetice, hlavní význam palivových článků však odborníci vidí v tom, že budou sloužit jako zdroje pro dopravní prostředky nebo domácnosti.

Zdroj:JLM, Právo, 16. 6. 2005

Vodík je benzinem budoucnosti

Palivový článek pracuje tak, že je vodík přiváděn na anodu (zápornou elektrodu) a kyslík (vzduch) na katodu. V přítomnosti platinového katalyzátoru se atom vodíku rozpadá na proton a elektron. Kladně nabitý proton projde speciální membránou, zatímco elektron je nucen se vydat jinudy - elektrickým obvodem. Princip objevil roku 1839 Sir Wiliam Grove z Walesu, k prvnímu významnému použití v praxi však došlo až na kosmických lodích Apollo v americkém lunárním programu.

Český emigrant z roku 1968 Jiří K. Nor na počátku 80. let prodal svou elektronickou firmu v Kanadě.V USA pracoval pro firmu, která do NASA dodávala přístroje k měření znečištění ovzduší. Později na torontské univerzitě pracoval v sekci kosmického výzkumu. V roce 1983 založil nedaleko od Toronta společnost Astris na výzkum alkalických palivových článků. Výrobu pak přenesl do Čech - v pronajatých prostorách v Benešově založil dceřinou společnost Astris Energie. Ta dnes sídlí nedaleko Vlašimi. Nor je přesvědčen, že právě tato technologie má oproti membránovým palivovým článkům v nejbližší době šanci na úspěch. Alkalický palivový článek je na rozdíl od drahých membránových, často s platinovými katalyzátory, schopen okamžité dodávky elektrické energie, a to i při teplotách minus 40 °C a s účinností 55 až 60 %. Firma dostala od Ministerstva průmyslu a obchodu ČR na podporu dalšího vývoje palivových článků dotaci 9 miliónů korun. »Je to největší grant, který jsme za poslední tři roky získali kdekoli ve světě. Chudičká Česká republika tím trumfla bohatou Kanadu,« říká hrdě Nor. Nestačí vyrábět .

Letos v Evropě odstartoval projekt Maják, rozvržený na deset let, který by měl výrazně urychlit přechod ze současné fáze výzkumu k rychlejšímu rozvoji masivního komerčního využití technologie palivových článkůakbudování potřebné infrastruktury pro výrobu a distribuci vodíku.

Generátor Pawersteck má parametry 24 V, 100 A a 2400 W a životnost 2000 hodin. Jeho rozměry jsou 21 x 22 x 72 cm a hmotnost 33,2 kg.

»Za posledních deset let jsme procesy ve vlašimských laboratořích industrializovali a položili základ výrobního procesu palivových článků a palivových generátorů,« říká Claude Rivoire, technologický poradce, který je zodpovědný za výrobu ve Vlašimi. Ta se skutečně letos na sklonku jara rozeběhla.

Náklady na výrobu mezitím klesly z již zmíněných 10 tisíc dolarů na čtyři tisíce. »Mám propočítáno, že pokud se podaří rozjet sériovou výrobu a dostat se na roční produkci 2MW, pak náklady klesnou na tisíc dolarů na kW/h výkonu,« tvrdí Nor a dál předpovídá, že do tří až pěti let se náklady sníží na 500 dolarů a do deseti let klesnou až na sto dolarů.

Membránový palivový článek

»Původně se předpokládalo, že nejprve bude existovat průmyslová výroba automobilů poháněných membránovými palivovými články,« říká Vladimír Civín, přední český odborník na výzkum membrán pro palivové články, který vedl armádní výzkum ve společnosti Mega a po jeho skončení si založil vlastní firmu. Ministerstvo obrany (odbor řízení programů, výzkumu a vývoje sekce vyzbrojování MO) do výzkumu vložilo 14 milionů korun. Dnes Civín plně spolupracuje se společností Astris a doufá, že se opět k membránám vrátí. Membránové články však stále prohrávají v ceně. A to i přesto, že se firmě Mega podařilo vyrobit membránu až desetkrát lacinější, než jakou má dnes americká a japonská konkurence.

Během výzkumu vznikly funkční vzorky kompozitní membrány a elektrody do přenosných palivových článků a funkční model přenosného palivového článku o výkonu 10W. Závěry z projektu jsou v současné době připraveny pro eventuální budoucí použití.

Zdroj: Jiří Kučera, Ekonom, 3.11.2005, str. 62: Vodík je benzinem budoucnosti

Palivové články budoucnosti - podrobnosti v angličtině ZDE