El generador lineal de pistón libre ( FPLG ) utiliza la energía química del combustible para accionar imanes a través de un estator y convierte este movimiento lineal en energía eléctrica. Debido a su versatilidad, bajo peso y alta eficiencia, se puede utilizar en una amplia gama de aplicaciones, aunque es de especial interés para la industria de la movilidad como extensores de autonomía para vehículos eléctricos.
Los generadores lineales con motor de pistón libre se pueden dividir en 3 subsistemas: [1] [2]
El FPLG tiene muchas ventajas potenciales en comparación con el generador eléctrico tradicional alimentado por un motor de combustión interna. Una de las principales ventajas del FPLG proviene de la ausencia de cigüeñal . Esto da como resultado un generador más pequeño y liviano con menos piezas. Esto también permite relaciones de compresión y expansión variables, lo que hace posible operar con diferentes tipos de combustible.
El generador lineal permite también controlar la fuerza de resistencia y, por tanto, un mejor control del movimiento del pistón y de la reacción. La eficiencia total (incluyendo la mecánica y la del generador) de los generadores lineales de pistón libre puede ser significativamente superior a la de los motores de combustión interna convencionales y comparable a la de las pilas de combustible.
Las primeras patentes de generadores lineales de pistón libre datan de alrededor de 1940, sin embargo en las últimas décadas, especialmente después del desarrollo de los imanes de tierras raras y la electrónica de potencia, muchos grupos de investigación diferentes han estado trabajando en este campo. [3] [4] Estos incluyen:
Aunque existen diversos nombres y abreviaturas para la tecnología, los términos "generador lineal de pistón libre" y "FPLG" se refieren en particular al proyecto del Centro Aeroespacial Alemán.
El generador lineal de pistón libre generalmente consta de tres subsistemas: cámara de combustión, generador lineal y unidad de retorno (normalmente un resorte de gas), que están acoplados a través de una biela.
En la cámara de combustión se enciende una mezcla de combustible y aire, aumentando la presión y forzando a las piezas móviles (biela, generador lineal y pistones) en la dirección del resorte de gas. El resorte de gas se comprime y, mientras el pistón está cerca del punto muerto inferior (BDC), se inyecta aire fresco y combustible en la cámara de combustión, expulsando los gases de escape.
El resorte de gas empuja el conjunto de piezas móviles hacia el punto muerto superior (PMS), comprimiendo la mezcla de aire y combustible que se inyectó y el ciclo se repite. Esto funciona de manera similar al motor de dos tiempos , sin embargo, no es la única configuración posible.
El generador lineal puede generar una fuerza opuesta al movimiento, no solo durante la expansión sino también durante la compresión. La magnitud y el perfil de fuerza afectan el movimiento del pistón, así como la eficiencia general.
El FPLG ha sido concebido en muchas configuraciones diferentes, pero para la mayoría de las aplicaciones, en particular para la industria automotriz, el enfoque se ha centrado en dos pistones opuestos en el mismo cilindro con una cámara de combustión con un resorte de gas en el extremo de cada cilindro. Esto equilibra las fuerzas para reducir la vibración y el ruido. En el caso más simple, una segunda unidad es simplemente un espejo de la primera, sin conexión funcional con la primera. Alternativamente, se puede utilizar una sola cámara de combustión o resorte de gas, lo que permite un diseño más compacto y una sincronización más fácil entre los pistones.
El resorte de gas y la cámara de combustión pueden colocarse en los extremos de las bielas, o pueden compartir el mismo pistón, utilizando lados opuestos para reducir el espacio.
El generador lineal también tiene muchas configuraciones y formas diferentes. Puede diseñarse como un tubo redondo, un cilindro o incluso una placa plana para reducir el centro de gravedad y/o mejorar la disipación del calor.
La gran versatilidad del generador lineal de pistón libre proviene de la ausencia de un cigüeñal, lo que elimina una gran pérdida de bombeo, lo que le da al motor un mayor grado de libertad. La combustión puede ser de dos tiempos o de cuatro tiempos . Sin embargo, un motor de cuatro tiempos requiere un almacenamiento intermedio de energía mucho mayor, la inercia rotacional del cigüeñal, para impulsar el pistón a través de los cuatro tiempos. Sin un cigüeñal, se necesitaría un resorte de gas para impulsar el pistón a través de los tiempos de admisión, compresión y escape. De ahí la razón por la que la mayor parte de la investigación actual se centra en el ciclo de dos tiempos.
Son posibles varias variaciones para la combustión:
El Instituto de Conceptos de Vehículos del Centro Aeroespacial Alemán está desarrollando un generador lineal de partículas (FPLG, por sus siglas en inglés) desde 2002 y ha publicado varios artículos sobre este tema. [1] [2] [17] [18]
Durante los primeros años de investigación, se desarrollaron por separado los fundamentos teóricos y los tres subsistemas. En 2013, se construyó y puso en funcionamiento con éxito el primer sistema completo. [19]
El centro alemán se encuentra actualmente en la segunda versión de todo el sistema, en el que se utilizarán dos cilindros opuestos para reducir las vibraciones y el ruido, haciéndolo viable para la industria automotriz.