СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА РАСШИРЕНИЯ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ПЕРЕПУСКОМ ВОЗДУХА МЕЖДУ КОМПРЕССОРНЫМИ ПОЛОСТЯМИ РАСШИРИТЕЛЬНЫХ МАШИН В СВОБОДНОПОРШНЕВОМ ДВУХЦИЛИНДРОВОМ ЭНЕРГОМОДУЛЕ С ОБЩЕЙ ВНЕШНЕЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ И ЛИНЕЙНЫМ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОМ
METHOD FOR INCREASING EFFICIENCY OF EXPANSION PROCESS OF COMBUSTION PRODUCTS BY AIR BYPASS BETWEEN COMPRESSOR CAVITIES OF EXPANSION MACHINES IN FREE-PISTON TWO-CYLINDER POWER MODULE WITH TOTAL EXTERNAL COMBUSTION CHAMBER AND LINEAR ELECTRIC GENERATOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области энергомашиностроения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ближайшими прототипами заявленного изобретения являются патент 2422655 «Двухцилиндровый свободнопоршневой энергомодуль с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором с оппозитным движением якорей» и патент 2451802 «Способ оптимизации процесса расширения продуктов сгорания в цилиндре поршневого двигателя с питанием рабочим телом от свободнопоршневого генератора газов с внешней камерой сгорания».
Двухцилиндровый свободнопоршневой энергомодуль с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором с оппозитным движением якорей (далее - энергомодуль, патент 2422655) преобразует химическую энергию моторного топлива в электроэнергию. Действует он следующим образом.
Продукты сгорания из камеры сгорания 1 (фигура 1) по трубопроводу 2 через газораспределительный клапан 3 поступают в правую (по рисунку) полость поршня 4 левой расширительной машины 5, а по трубопроводу 6 и через газораспределительный клапан 7 - в левую полость поршня 8 правой расширительной машины 9. Под действием расширяющихся продуктов сгорания поршни расширительных машин 4, 8 и соединенные с ними якоря линейных генераторов 10, 11 начинают расходиться. Якоря могут представлять собой постоянные магниты либо электромагниты, намагничиваемые катушкой подмагничивания 12. Магнитный поток генератора замыкается по контуру - якорь 11, статорный магнит 13, якорь 10 и снова якорь 11. При расхождении якорей 10, 11 магнитные силовые линии их магнитных полей пересекаются, в результате чего в статорном магните 13 изменяется магнитный поток и, как следствие, в статорной катушке 14 генерируется импульс электроэнергии. При достижении поршнями и якорями точек крайнего расхождения система управления (на рисунке не показана) переводит газораспределительные клапаны 3, 7, 15, 16 в противоположные положения. Теперь продукты сгорания из камеры сгорания 1 по трубопроводу 2 и через газораспределительный клапан 15 поступают в левую полость поршня 17 левой расширительной машины 5, а по трубопроводу 6 и через газораспределительный клапан 16 - в правую полость поршня 18 правой расширительной машины 9. Поршни расширительных машин и соединенные с ними якоря генераторов начинают сходиться, и в статорной катушке 14 генерируется импульс противоположного знака. Отработавшие продукты сгорания при расхождении поршней выбрасываются в атмосферу через газораспределительные клапаны 15 и 16, а при схождении - через газораспределительные клапаны 3 и 7. В дальнейшем система управления, переводя газораспределительные клапаны 3, 7, 15, 16 из одного положения в другое, обеспечивает колебательные движения поршней и якорей. При этом из соответствующих полостей поршней расширительных машин 5 и 9 через обратные клапаны 19, 20, 21, 22 по трубопроводам 23, 24 в камеру сгорания 1 подается воздух, обеспечивающий процесс горения топлива, а через обратные клапаны 25, 26, 27, 28 из атмосферы засасывается воздух. В статорной катушке 14 генерируются импульсы электроэнергии.
ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель заявленного изобретения состоит в том, чтобы обеспечить максимальную эффективность процесса расширения продуктов сгорания в цилиндрах свободнопоршневого энергомодуля с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором путем перепуска воздуха между его компрессорными полостями.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Заявленный способ увеличения эффективности процесса расширения продуктов сгорания перепуском воздуха между компрессорными полостями расширительных машин используется в свободнопоршневом двухцилиндровом энергомодуле с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором (энергомодуль). Энергомодуль включает общую внешнюю камеру сгорания (камера сгорания), две поршневые расширительные машины (расширительная машина), линейный электрогенератор (генератор), систему управления и действует следующим образом.
Перед пуском энергомодуля в его камере сгорания 1 всегда присутствует некоторое количество воздуха. Если поршневая группа - поршни 2, 3, шток 4 и якорь генератора 5 - находится в правом, по рисунку, крайнем положении, система управления форсункой 6 подает в камеру сгорания 1 дозу топлива и воспламеняет его свечой зажигания 7. Топливо горит, в результате чего температура и давление продуктов сгорания увеличиваются. Продукты сгорания из камеры сгорания 1 по каналу 8 через открытый газораспределительный клапан (далее - клапан) 9 поступают в правую полость поршня 3, и под их воздействием поршневая группа начинает движения справа налево. Так как площадь правой поверхности поршня 3 больше площади его левой поверхности, величина которой определяется соответственно разностью поперечных сечений штока 4 с левой и правой стороны поршня 3, то давление сжимаемого в левой компрессорной полости поршня 3 воздуха больше, чем давление продуктов сгорания в его правой полости. Поэтому сжимаемый в компрессорной полости воздух через обратный клапан 10 по каналу 11 подается в камеру сгорания 1, обеспечивая непрерывное горение периодически впрыскиваемого в нее форсункой 7 топлива. Одновременно в правую полость поршня 2 через обратный клапан 12 засасывается воздух из атмосферы, а из его левой полости через открытый клапан 13 воздух выбрасывается в атмосферу. По прибытии поршневой группы в левую крайнюю точку движения система управления закрывает клапаны 9 и 13 и открывает клапаны 14 и 15. Давление и температура продуктов сгорания в камере сгорания 1 достигают максимального значения. Пусковой такт завершен и начинается рабочий такт. Под действием поступающих из внешней камеры сгорания 1 через открытый клапан 14 в левую полость поршня 2 продуктов сгорания поршневая группа начинает движение слева направо. Теперь сжимаемый в правой компрессорной полости поршня 2 воздух через обратный клапан 16 по каналу 11 поступает в камеру сгорания 1, поддерживая непрерывное горение периодически подаваемого туда же топлива. Из правой полости поршня 3 отработавшие газы через открытый клапан 15 выбрасываются в атмосферу, а в его левую компрессорную полость через обратный клапан 17 из атмосферы засасывается воздух. Если рабочий цикл будет протекать по сценарию пускового, преобразование энергии расширяющихся продуктов сгорания в кинетическую энергию поршневой группы будет малоэффективно в силу того, что давление продуктов сгорания в левой полости поршня 2 практически равно таковому в камере сгорания. Расширение продуктов сгорания при этом в основном происходит только при выбросе их из цилиндра в конце пути поршневой группы через клапан 13, не производя никакой полезной работы. Поэтому для повышения кпд преобразования энергии необходимо организовать расширение продуктов сгорания непосредственно в цилиндре, в данном случае в левой полости поршня 2.
Как степень сжатия, так и степень расширения продуктов сгорания в цилиндре двигателя внутреннего сгорания (ДВС) детерминированы размером кривошипа коленчатого вала. Поэтому возможность влиять на степень расширения продуктов сгорания в зависимости от нагрузки и числа оборотов коленвала и от применяемого сорта топлива для каждой конкретной конструкции исключается. В отличие от ДВС свободнопоршневые машины имеют потенциальные возможности оптимизировать степень расширения продуктов сгорания в процессе работы в зависимости от нагрузки и сорта используемого топлива без перенастройки топливной аппаратуры. Такие возможности в энергомодуле могут быть реализованы различными путями. Например, по аналогии с ДВС цилиндр энергомодуля можно условно разделить на два объема (патент 2451802). Первый объем соответствует камере сгорания ДВС - виртуальная камера сгорания. На фигуре 3 показан фрагмент схемы на фигуре 2, слева внизу. Этот объем определяется размером "А". Остальной объем цилиндра, как и рабочий объем цилиндра ДВС, - виртуальный рабочий объем, определяется он размером "В". Расширение продуктов сгорания в цилиндре энергомодуля организуется следующим образом. Система управления открывает впускной клапан 9 (фигура 2), выдерживает его в открытом положении до момента начала движения поршневой группы, после чего закрывает впускной клапан 9. Поступление продуктов сгорания в виртуальную камеру сгорания прекращается и с началом движения поршневой группы начинается собственно процесс расширения того количества продуктов сгорания, которое оказалось в виртуальной камере сгорания. Под действием этих расширяющихся продуктов сгорания поршень 3 движется влево и в конце движения занимает положение "3а" (поршень обозначен пунктирным контуром). Путь, который прошел поршень 3, обозначен размером "В". Следовательно, расширение продуктов сгорания происходит в объеме, соответствующем сумме линейных размеров "А" и "В", сумме объема виртуальной камеры сгорания и виртуального рабочего объема, то есть так же, как и в цилиндре ДВС. При этом система управления подает в виртуальную камеру сгорание такое количество продуктов сгорания, которое обеспечивает их оптимальную степень расширения. По тем или иным соображениям, например для форсирования мощности энергомодуля, объем виртуальной камеры сгорания может быть увеличен. В этом случае система управления закрывает впускной клапан 9 (фигура 2), когда поршень 3 окажется в положении "3b" (обозначен пунктиром), где линейный размер виртуального рабочего объема "С". Как следствие эффективность степени расширения может снизиться, но увеличится частота рабочих циклов и, следовательно, удельная мощность энергомодуля.
Еще один, теперь уже заявленный, способ увеличения эффективности процесса расширения продуктов сгорания в цилиндре энергомодуля - перепуском сжимаемого в компрессорной полости воздуха одного поршня поршневой группы в компрессорную полость другого поршня той же поршневой группы. Для этого в систему управления энергомодуля встроен алгоритм, который по данным текущих значений скорости и ускорения поршневой группы, давления продуктов сгорания в камере сгорания 1 (фигура 2) и в левой рабочей полости поршня 2 и давления сжимаемого в его правой компрессорной полости воздуха вырабатывает сигнал на открытие перепускного клапана 18. При положении поршневой группы в одном из крайних положений, например в правом положении, система управления открывает впускной клапан 9, продукты сгорания поступают в виртуальную камеру сгорания и с началом движения поршневой группы система управления закрывает его. Начинается процесс расширения продуктов сгорания. В момент, обеспечивающий задаваемую степень расширения продуктов сгорания к моменту времени прибытия поршневой группы в противоположную крайнюю точку движения, система управления открывает перепускной клапан 18. В результате сжатый в компрессорной полости поршня 2 воздух перетекает в компрессорную полость поршня 3. Противодействие воздуха движению поршневой группы уменьшается, способствуя процессу расширения продуктов сгорания в виртуальной камере сгорания и в виртуальном рабочем объеме. К этому времени в левую компрессорную полость поршня 3 через обратный клапан 17 из атмосферы уже поступило некоторое количество воздуха. Поступающий туда же через клапан 18 до определенной степени сжатый в правой полости поршня 2 воздух дополнительно заряжает левую компрессорную полость поршня 3 и засасывание воздуха из атмосферы через клапан 17 прекращается. При этом энергия, затрачиваемая на сжатие воздуха на данной фазе такта, также вместе с воздухом перебрасывается туда же, сообщая дополнительный импульс кинетической энергии поршневой группе. Энергия на преодоление динамического сопротивления в клапане 17 переносится на клапан 18. То есть моменты времени открытия и закрытия газораспределительного клапана 14 и перепускного клапана 18 система управления определяет таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность процесса расширения при движении поршневой группы в виртуальной камере сгорания и в виртуальном рабочем объеме цилиндра. Давление и температура газов в камере сгорания 1 поддерживаются на некотором среднем оптимальной уровне периодической подачей сжатого воздуха и топлива.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ увеличения эффективности процесса расширения продуктов сгорания перепуском воздуха между компрессорными полостями расширительных машин в свободнопоршневом двухцилиндровом энергомодуле с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором, включающим общую внешнюю камеру сгорания, две поршневые расширительные машины, линейный электрогенератор и систему управления, отличается тем, что система управления энергомодуля отслеживает текущие значения скорости и ускорения поршневой группы, давление продуктов сгорания в камере сгорания и рабочей полости, давление сжимаемого в компрессорной полости воздуха каждой расширительной машины энергомодуля, в соответствии с этими значениями определяет момент времени открытия перепускного клапана, обеспечивающий задаваемую степень расширения продуктов сгорания в рабочей полости к моменту времени прибытия поршневой группы в противоположную крайнюю точку движения, и подает команду на открытие перепускного клапана, в результате чего сжатый в компрессорной полости воздух перетекает в смежную компрессорную полость этой же расширительной машины.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Затраты на НИОКР и производство заявленного изобретения не могут значительно отличаться от таковых при проектировании и отработке классических ДВС. Технология производства энергомодуля, в том числе и создание системы управления энергомодуля, не превышает современный уровень возможностей.
ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
Фигура 1. Свободнопоршневой двухцилиндровый с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором энергомодуль двойного назначения.
1 - камера сгорания, 2, 6, 21, 22 - трубопровод, 3, 7, 15, 16 - газораспределительный клапан, 4, 5, 8, 9 - поршень расширительной машины, 10, 11 - якорь, 12 - катушка подмагничивания якорей, 14 - статорная катушка, 17, 18, 19, 20, 23, 24, 25, 26 - обратный клапан.
Фигура 2. Свободнопоршневой двухцилиндровый энергомодуль с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором.
1 - камера сгорания, 2, 3 - поршень, 4 - шток, 5, 20 - якорь, 6 - форсунка, 7 - свеча зажигания, 8, 11 - канал, 9, 13, 14, 15 - газораспределительный клапан, 10, 12, 16, 17 - обратный клапан, 18 - перепускной клапан, 19 - статорный магнит, 21 - статорная катушка.
Фигура 3. Фрагмент схемы фигуры 2, слева внизу.
Размер "А" соответствует объему виртуальной камеры сгорания энергомодуля; размер "В" соответствует виртуальному рабочему объему энергомодуля; размер "С" соответствует виртуальному рабочему объему при форсаже энергомодуля; "3а" - положение поршня в конце процесса расширения продуктов сгорания; "3b" - положение поршня в начале процесса расширения продуктов сгорания при форсаже энергомодуля.