СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ФАЗАМИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПОЛИМОДУЛЬНОГО ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА НА БАЗЕ СВОБОДНОПОРШНЕВОГО ЭНЕРГОМОДУЛЯ С ВНЕШНЕЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ
CONTROL OVER PHASES OF ELECTRIC POWER POLYMODULAR ELECTRIC GENERATOR BUILT AROUND FREE-PISTON POWER MODULE WITH EXTERNAL COMBUSTION CHAMBER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области энергомашиностроения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ближайшими аналогами изобретения являются три патента. Патент 2441993 «Способ синхронизации движения поршней спаренного двухцилиндрового свободнопоршневого энергомодуля», патент 2422655 «Двухцилиндровый свободнопоршневой энергомодуль с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором с оппозитным движением якорей» и патент 2468224 «Свободнопоршневой двухцилиндровый с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором энергомодуль двойного назначения».
Сущность заявленного изобретения поясняется на базе патента 2468224 «Свободнопоршневой двухцилиндровый с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором энергомодуль двойного назначения».
Двухцилиндровый свободнопоршневой энергомодуль с общей внешней камерой сгорания (далее - камера сгорания) и линейным электрогенератором с оппозитным движение якорей (далее - энергомодуль) преобразует химическую энергию моторного топлива в электроэнергию. Действует он следующим образом.
Перед пуском энергомодуля, смотри чертеж, в его камере сгорания 1 всегда присутствует некоторое количество воздуха. Если поршневая группа - поршни 2, 3, шток 4 и якорь электрогенератора 5 (далее - генератор) - 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 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 полости поршня 3 воздуха больше, чем давление продуктов сгорания в его правой полости. Поэтому сжимаемый в левой полости поршня 3 воздух через обратный клапан 10 по каналу 11 подается в камеру сгорания 1, обеспечивая непрерывное горение периодически впрыскиваемого в нее топлива форсункой 6. 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 прибытию 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. Под действием поступающих из камеры сгорания 1 продуктов сгорания через открытый клапан 14 в левую полость поршня 2 поршневая группа начинает движение слева направо. Теперь сжимаемый в правой полости поршня 2 воздух через обратный клапан 16 по каналу 11 поступает в камеру сгорания 1, поддерживая горение периодически подаваемого туда же топлива. Из правой полости поршня 3 отработавшие газы через открытый клапан 15 выбрасываются в атмосферу, а в его левую полость через обратный клапан 17 из атмосферы засасывается воздух.
Если рабочий цикл будет протекать по сценарию, как показано, 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 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. По аналогии с двигателем внутреннего сгорания (ЛВС) цилиндр энергомодуля можно представить условно разделенным на два объема. Первый соответствует камере сгорания ДВС - виртуальная камера сгорания. Остальной объем цилиндра, по сути дела, как и в ДВС, - виртуальный рабочий объем. Итак, в начале рабочего такта, когда поршневая группа находится в исходной крайней точке движения, система управления открывает впускной клапан 14 и продукты сгорания из камеры сгорания 1 поступают в виртуальную камеру сгорания цилиндра (левая полость поршня 2). Температура и давление продуктов сгорания при этом практически равны таковым в камере сгорания 1. Поршневая группа начинает движение слева направо. В этот момент система управления закрывает впускной клапан 14. Доступ продуктов сгорания в цилиндр прекращается и начинается процесс их расширения. Одновременно система управления энергомодуля отслеживает текущие значения скорости и ускорения поршневой группы, давления продуктов сгорания в камере сгорания 1 и левой рабочей полости поршня 2 и давления сжимаемого в его правой компрессорной полости воздуха. В соответствии с этими значениями система управления вырабатывает алгоритм определения момента времени открытия перепускного клапана 18, обеспечивающий максимальное расширение продуктов сгорания в рабочей полости поршня 2 к моменту времени прибытия поршневой группы в противоположную крайнюю точку движения, и подает команду на открытие перепускного клапана 18. В результате сжатый в компрессорной полости поршня 2 воздух перетекает в компрессорную полость поршня 3. Противодействие воздуха движению поршневой группе резко уменьшается, способствуя процессу расширения продуктов сгорания в виртуальной камере сгорания и в виртуальном рабочем объеме цилиндра. К этому моменту в левую компрессорную полость поршня 3 уже поступило некоторое количество воздуха из атмосферы. Поступающий туда же через клапан 18 до определенной степени сжатый в правой полости поршня 2 воздух дополнительно заряжает левую компрессорную полость поршня 3, 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. Поступающий сжатый воздух, расширяясь, сообщает 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. Моменты времени открытия и закрытия газораспределительного клапана 14 и перепускного клапана 18 система управления определяет с учетом температуры и давления продуктов сгорания в виртуальной камере сгорания таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность процесса их расширения в момент прибытия поршневой группы в крайнюю правую точку движения. В правой части фигуры изображена вторая расширительная машина. В ней одновременно протекают те же процессы, что и в рассмотренной расширительной машине. Особенность состоит в том, что движение ее поршневой группы организуется в противофазе относительно поршневой группы левой расширительной машины. Оппозитное движение поршневых групп энергомодуля позволяет компенсировать реакцию от их движений - исключить вибрацию корпуса энергомодуля и одновременно обеспечить действие линейного генератора. Статорный магнит генератора 19 может представлять собой постоянный магнит (в данном варианте) или электромагнит, намагничиваемый устанавливаемой на нее катушкой подмагничивания (на чертеже не показана). Магнитный поток замыкается по контуру: статорный магнит 19, якорь 5, якорь 20 и снова статорный магнит 19. При схождении и расхождении поршневых групп расширительных машин магнитные силовые линии якорей 5 и 20 пересекаются, магнитный поток в контуре увеличивается или уменьшается, в результате чего в статорной катушке 21 поочередно генерируются импульсы электроэнергии одного и другого знака. При этом скорость движения якорей относительно друг друга вдвое больше скорости каждого якоря относительно статорного магнита, что позволяет получить более короткую - в два раза - длительность импульсов, более крутые передний и задний фронты импульсов и их скважность. Следовательно, максимальная добротность колебательного контура линейного генератора (статорная катушка, статорный магнит и якоря) может быть достигнута при меньшей массе и габаритах генератора, что снижает его удельную массу и увеличивает удельную мощность энергомодуля в целом. Задвижка 22 служит для использования энергомодуля в качестве генератора рабочего тела (продуктов сгорания с высокими параметрами температуры и давления) для привода в расширительных машинах различного назначения - расширительных машинах двигателей привода колес транспортных средств, отбойных молотков и др. Задвижка носит символический характер. Она условно изображает газораспределительные клапаны расширительных машин. Каналы подачи рабочего тела к расширительным машинам также, как и в предыдущем случае, будут являться продолжением камеры сгорания.
ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель изобретения - создание агрегата, преобразующего энергию моторного топлива в многофазную электроэнергию.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Полимодульный электрогенератор (агрегат) на базе свободнопоршневого энергомодуля с внешней камерой сгорания преобразует энергию моторного топлива в электроэнергию с задаваемым числом фаз. Агрегат состоит из группы однотипных идентичных по принципу действия свободнопоршневых энергомодулей с внешней камерой сгорания (энергомодулей) и системы управления сдвигом фаз генерируемой электроэнергии, число которых соответствует числу энергомодулей. Из описания принципа действия энергомодуля видно, что генерируемые импульсы электроэнергии энергомодуля носят синусоидальный характер. Для получения задаваемого числа фаз электроэнергии система управления фазами генерируемой электроэнергии запускает каждый энергомодуль последовательно с запозданием по фазе, соответствующей задаваемому сдвигу фаз генерируемой электроэнергии. Так, например, трехфазная электроэнергия (φ=120°) получается при запаздывании пуска энергомодулей, составляющей одной трети общей длительности генерируемого одиночного импульса электроэнергии.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ управления фазами электроэнергии полимодульного электрогенератора на базе свободнопоршневого энергомодуля с внешней камерой сгорания, включающего группу идентичных по принципу действия свободнопоршневых энергомодулей с внешней камерой сгорания, количество которых равно числу фаз генерируемой электроэнергии, и систему управления фазами генерируемой электроэнергии, отличающийся тем, что для получения задаваемого числа фаз генерируемой электрогенератором электроэнергии система управления фазами запускает каждый энергомодуль последовательно с запозданием по фазе, соответствующим задаваемому числу фаз генерируемой электроэнергии.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Материалы и технология для реализации заявленного изобретения не выходят за рамки современных возможностей. При современном уровне развития электроники создание систем управления является вполне ординарной задачей. Об этом говорят мобильные средства связи, компьютеры, марсоходы и т.д.
ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
Чертеж. Свободнопоршневой двухцилиндровый с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором энергомодуль двойного назначения
1 - внешняя 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, 22 - задвижка.