Řídicí systém

Absence klikového mechanizmu ssebou přináší mnohé výhody, zároveň ale značně komplikuje řízení motoru. Zatímco běžný motor je schopen při vhodném nastavení fungovat i s minimálními nároky na řízení, u lineárního spalovacího motoru to možné není.

Pro představu je vhodné začít seznámením s fungováním běžného zážehového spalovacího motoru. Pokud budeme požadovat konkrétní otáčky při daném výkonu, stačí nám pouze:

  • vhodné nastavení škrticí klapky (definuje množství vzduchu)
  • odpovídající množství paliva (u starších vozů toto obstarával karburátor)
  • generování zápalu ve vhodný okamžik vzhledem k poloze klikového hřídele

Motor bude schopen za těchto podmínek dlouhodobě pracovat bez jakéhokoli dalšího zásahu. Pokud dojde k nějaké nahodilé poruše, například se nezapálí směs v jednom válci, setrvačník se postará o překonání potřebné doby a nedojde k zastavení.

U motoru s volnými písty je však situace výrazně složitější. Pokud by z jakéhokoli důvodu nedošlo k zápalu směsi, píst by na opačném konci mohl narazit do hlavy válce a došlo by k poškození motoru. Je zřejmé, že bez precizního řízení pohybu pístu není možné tento typ motoru udržet trvale ve stabilním chodu. Díky tomu, že součástí motoru je lineární elektrický motor-generátor, máme možnost přesně ovlivňovat brždění pohybujících se pístů a v případě potřeby použít elektro-motorický režim a zajistit tak definovanou polohu pístů v každém okamžiku. Elektro-motorický režim poslouží také pro startování spalovací části.

Základem pro řízení je tedy přesný a dostatečně rychlý snímač polohy. Dále je třeba připojit lineární elektrický motor-generátor na výkonový měnič, který bude schopen zajistit správné buzení vinutí jak v motorickém tak generátorovém režimu. Předpokládejme nyní, že dojde k výbuchu v jednom válci a expandující plyny způsobí pohyb pístů jedním směrem. Část energie se spotřebovává na kompresi palivové směsi na opačné straně a zbylá energie se musí odvést ve formě elektřiny z vinutí elektrického generátoru. Nestačí však pouze připojit zátěž, ale tento odběr musí být přesně řízen procesorovou řídicí jednotkou, aby se na konci cyklu píst zastavil v přesně definované poloze (horní úvrať protilehlého pístu) a celý cyklus se mohl opakovat. Pokud by z nějakého důvodu nedošlo k zápalu směsi na opačné straně, řídicí systém to okamžitě detekuje, zpětný pohyb zajistí elektrický motor a chod tedy zůstane zachován. Využije se k tomu elektrická energie uložená v kondenzátorech výkonového měniče. Jedná se tedy o jakousi elektronickou náhradu setrvačníku, který je dobře známý z běžných motorů.

Celé řízení je složitý matematický problém, který přesahuje rámec tohoto popisu. Pro zajímavost je možné uvést, že poloha je sledována s přesností 0,05mm a veškeré výpočty probíhají 10 000-krát za sekundu.

Na následujícím obrázku je alespoň blokově naznačena koncepce řídicího systému. Modře vyznačené bloky jsou klíčové pro základní udržení stabilního chodu, šedé pak zajišťují optimální řízení celku, aby se dosáhlo určitého kritéria, např. maximální účinnosti, minimálních emisí, maximálního výkonu atd.

Schéma řídicího systému

Bohužel požadovaná kritéria se často vzájemně vylučují a je nutné často volit určitý kompromis.