СВОБОДНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ЛИНЕЙНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ГЕНЕРАТОРОМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к свободнопоршневым двигателям внутреннего сгорания, предназначенным для привода линейных электрических генераторов переменного тока.
Ближайшим аналогом полезной модели принят свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания с линейным электрическим генератором переменного тока конструкции Ван Бларигана. (http://wiki.zr.ru/%D0%94%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%_D1%81%D0%BE_%D1%81%D0%B2%D0%BE%D0%B1%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D1%8B%D0%BC_%D0%BF%D0%BE%D1%80%D1%88%D0%BD%D0%B5%D0%BC).
Двигатель Ван Бларигана включает поршни оппозитных цилиндров, жестко связанных общим штоком; форсунки и свечи зажигания (систему подачи и воспламенения топлива); линейный генератор, состоящий из неподвижного соленоида (обмоток силового статора), помещенных между цилиндрами, постоянного магнита, выполненного с возможностью возвратно-поступательного движения, жестко закрепленного на общем штоке.
Основной недостаток, препятствующий достижению технического результата при использовании ближайшего аналога - свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания с линейным электрическим генератором переменного тока - непостоянство силы расширения газов в цилиндрах, ввиду чего существует риск самопроизвольной остановки двигателя.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности работы свободно-поршневого двигателя с линейным электрическим генератором переменного тока за счет создания обратно-пропорциональной зависимости между силой расширения газов в цилиндрах и силой Ампера в установленных вспомогательных линейных электродвигателях с целью устранения влияния на полезную модель непостоянства силы расширения газов в цилиндрах.
Признаками ближайшего аналога, совпадающими с существенными признаками полезной модели, является наличие в свободно-поршневом двигателе внутреннего сгорания с линейным генератором переменного тока поршней оппозитных цилиндров, жестко связанных общим штоком; систему подачи и воспламенения топлива; линейного генератора, включающего неподвижные обмотки силового статора, помещенные между цилиндрами, постоянный магнит, выполненный с возможностью возвратно-поступательного движения, жестко закрепленный на общем штоке.
Технической задачей полезной модели является усовершенствование конструкции свободно-поршневого двигателя внутреннего сгорания с линейным генератором переменного тока.
Известен линейный электродвигатель с подвижным статором, применяемый на пассажирском электромагнитном транспорте (http://www.jd-enciklopedia.ru/5-lokomotivy-i-lokomotivnoe-xozvaistvo/5-9-8-4-linejnyj-elektrodvigatel).
В полезной модели два подвижных статора размещены на двух фиксаторах, которые с двух сторон жестко закреплены на общем штоке на расстоянии хода поршня от внутренних концов поршней за пределами силового статора линейного генератора, снимающего полезную нагрузку. Сами подвижные статоры состоят из токопроводящих параллельных стержней, оси которых расположены в плоскости оси общего штока и перпендикулярны ей. Под подвижными статорами располагаются магнитные «дорожки», образованные полосовыми магнитами с магнитным полем, направленным перпендикулярно токопроводящим стержням.
Линейный электродвигатель может работать в режиме генератора. Это позволяет сначала накопить электромагнитную энергию при расширении газов в одном из цилиндров свободно-поршневого двигателя, а затем при торможении общего штока из-за адиабатического сжатия воздуха поршнем в другом цилиндре расходовать накопленную энергию в режиме электродвигателя.
Индукционным накопителем электромагнитной энергии является катушка Румкорфа, состоящая из первичной и вторичной обмотки, а также прерывателя. Во время расширения газов в одном из цилиндров свободно-поршневого двигателя линейный электродвигатель работает в режиме генератора и наводимый в токопроводящих параллельных стержнях электрический ток питает первичную обмотку катушки Румкорфа. При торможении общего штока из-за сжатия воздуха поршнем в другом цилиндре ток в первичной обмотке катушки Румкорфа плавно снижается, и возникает ток во вторичной обмотке. Поэтому отпадает необходимость в наличии реле прерывания первичной обмотки. Плавность снижения тока в первичной обмотке и появление тока во вторичной обмотке катушки Румкорфа позволяют избежать нежелательных рывков в работе свободно-поршневого двигателя.
В полезной модели использованы в качестве вспомогательных линейных электродвигателей линейные двигатели постоянного тока, поскольку использованы индуктивные накопители электромагнитной энергии - катушки Румкорфа Для управления силой Ампера через управление силой тока в параллельных стержнях подвижных статоров линейных электродвигателей постоянного тока в полезную модель введены размыкающие электромагнитные реле, число витков обмотки каждого последующего реле отличается от предыдущего на постоянный шаг изменения. Шаг выбирается для устранения погрешности срабатывания системы питания расчетно-экпериментальным путем. Размыкающие электромагнитные реле питаются от вторичной обмотки катушки Румкорфа, не связанной с токопроводящими параллельными стержнями подвижных статоров, то есть, независимо от них. Количество срабатывающих реле должно быть увязано со скоростью движения общего штока (сила Ампера в параллельных токопроводящих стержнях пропорциональна силе расширения газа в цилиндре свободно-поршневого двигателя за счет пошагово изменяющегося числа витков обмотки реле). При этом каждое реле отключает токопроводящие стержни для компенсации роста силы тока в самих стержнях вследствие повышения скорости движения общего штока свободно-поршневого двигателя.
Независимое питание токопроводящих стержней подвижных статоров и электромагнитных реле от разных катушек Румкорфа позволяет отключить требуемое количество токопроводящих стержней до подачи тока на них для избегания искрения. Замыкающее электромагнитное реле, соленоидом для которого является вторичная обмотка катушки Румкорфа, электрически связанная с размыкающими электромагнитными реле, введено для создания задержки во времени появления тока в параллельных токопроводящих стержнях по отношению к появлению тока в обмотках размыкающих электромагнитных реле.
Использование замыкающих электромагнитных реле позволяет снизить электрическое сопротивление в размыкающих реле за счет их включения до появления тока в параллельных стержнях. Замыкающее электромагнитное реле обеспечивает задержку во времени подачи тока на параллельные стержни подвижных статоров, равную периоду срабатывания размыкающих электромагнитных реле.
Для отключения первичных обмоток катушек Румкорфа от параллельных стержней при переходе от режима генератора к режиму электродвигателя при торможении общего штока сжатием газа в одном из цилиндров в полезную модель введены ключи, управляемые инерционными элементами, установленными на фиксаторах общего штока.
Поставленная задача решена тем, что в свободнопоршневом двигателе внутреннего сгорания с линейным электрическим генератором переменного тока, включающем поршни оппозитных цилиндров, жестко связанные общим штоком; систему подачи и воспламенения топлива; линейный генератор, содержащий неподвижные обмотки силового статора, помещенные между цилиндрами, постоянный магнит, выполненный с возможностью возвратно-поступательного движения, жестко закрепленный на общем штоке, согласно полезной модели, дополнительно содержит пару вспомогательных линейных электродвигателей постоянного тока, установленных на фиксаторах за пределами силового статора; которые с двух сторон жестко закреплены на общем штоке, на расстоянии хода поршня от внутренних концов поршней; вспомогательный линейный электродвигатель содержит: подвижный статор, выполненный из токопроводящих параллельных стержней, оси которых перпендикулярны оси общего штока; магнитную «дорожку», образованную полосовыми магнитами с магнитным полем, направленным перпендикулярно токопроводящим стержням, и расположенную под ними; размыкающие электромагнитные реле, число витков обмотки каждого последующего реле отличается от предыдущего на постоянный шаг изменения, каждое из размыкающих реле выполнено с возможностью отключения токопроводящих стержней; две катушки Румкорфа, первичная и вторичная обмотки одной катушки электрически соединены с параллельными токопроводящими стержнями, первичная обмотка второй катушки соединена с параллельными токопроводящими стержнями, а ее вторичная обмотка электрически соединена с размыкающими электромагнитными реле; замыкающее электромагнитное реле, соленоидом для которого является вторичная обмотка катушки Румкорфа, электрически связанная с каждым из размыкающих электромагнитных реле; ключи для отключения первичных обмоток катушек Румкорфа от параллельных токопроводящих стержней, управляемых инерционными элементами, установленными на фиксаторах.
Между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом полезной модели существует следующая причинно-следственная связь. Использование всех существенных признаков позволит получить ожидаемый технический результат.
A
Количество токопроводящих параллельных стержней, например, 15 штук определено из следующих соображений. Функция токопроводящих параллельных стержней в полезной модели - реализация силы Ампера в качестве части линейного электродвигателя, поэтому для расчета количества стержней использована формула силы Ампера: F=I×B×l, где I - сила тока, В - магнитная индукция, l - длина проводника.
Сила тока I в стержнях линейного электродвигателя определена по формуле ЭДС индукции и закону Ома.
ЭДС индукции =υ×B×l, где υ - скорость движения проводника, В - магнитная индукция, l - длина проводника.
Сила тока I=/R, где  - ЭДС индукции, R - сопротивление проводника.
Отсюда длина проводника 1.
Исходя из сущности полезной модели, к силе Ампера приравнена сила расширения газов в цилиндре ДВС, давление в котором составляет до 5 МПа. Скорость движения проводника равна скорости движения поршня в цилиндре. Для легковых а/м она равна 10-15 м/с (для расчета принят нижний предел 10 м/с.Магнитная индукция постоянного магнита из материала «неодим -железо - бор» равна 1,2 Тесла. Сечение токопроводящего стержня принято 2 мм. По таблице выбора сечения медного провода электропроводки максимальная сила тока составит 20 А (http://ydoma.info/electricity-vybor-secheniya-provoda.html). В то же время, по таблице параметров круглого медного провода (http://www.okbzenin.ru/products/table_tension.php) удельное сопротивление провода составляет 0,0054 Ом/м.
2
Для определения силы расширения газов в цилиндре ДВС применена формула: F=P×S, где Р - давление, S=(π×d)/4 - площадь поршня. Приняв диаметр цилиндра d равным 76 мм (у ВАЗ 2109), а искомую силу - 5 МПА, сила расширения газов составит 23 КН, а длина проводника
ЭДС индукции: =10×1,2×3=36 В. Сила тока: I=36/0,0054=6667 А, что в 300 раз больше приведенного ранее ограничения по току 20 А. Отсюда следует, что сечение проводника необходимо увеличить в 300 раз. На практике можно параллельно соединить 300 проводников того же сечения. Исходя из конструктивных соображений, длина проводника 3 м является слишком большой для данной полезной модели. Поэтому проводник целесообразно разделить на ряд параллельных отрезков меньшей длины. Например, отрезки по 20 см. Отсюда для конкретного примера исполнения получено 15 токопроводящих параллельных стержней.
Количество размыкающих электромагнитных реле и его соотношение с количеством стержней для конкретного примера исполнения определено из следующих соображений. Функция размыкающих электромагнитных реле в полезной модели - отключение «лишних» токопроводящих стержней, при увеличении силы расширения газов в цилиндре ДВС. Поскольку рост этой силы приводит к росту силы Ампера одновременно во всех токопроводящих стержнях, то отключение одного стержня может не скомпенсировать этот рост. Поэтому, например, принимается соотношение по два токопроводящих стержня на одно реле. Для 15 токопроводящих параллельных стержней принято 8 электромагнитных реле.
Шаг изменения числа витков в соленоидах электромагнитных реле призван улавливать погрешность топливной форсунки ДВС. Она составляет 3% (http://mexanicka.ru/testirovanie-forsunok-na-spec-stende). На основе имеющейся силы расширения газов в цилиндре ДВС в 23 КН, погрешность в 3% дает силу в 690 Н. Разделив эту величину на 8 реле, получается 86 Н. В данном случае для расчета числа витков в соленоидах необходимо применить две формулы: определения силы тяги электромагнита (http://electricalschool.info/ecalc/1311-sila-tjagi-jelektromagnitov.html) и магнитной индукции соленоида (http://www.terver.ru/magnitnie_polja_solenoida_i_torroida.php).
м.
0
2
2
--6
3
Сила тяги электромагнита F=40550×В×S, где В - магнитная индукция соленоида, S - площадь сечения, причем, В=µо×µ(магнитные постоянные)×N(число витков)×I(сила тока)/l (длина соленоида). Приняв диаметр соленоида 5 см, площадь сечения S будет равна 0,002 м. Длина соленоида принята 50 см. Поскольку питание реле - от вторичной обмотки катушки Румкорфа, то сила тока принята 2,5 А. Сила сопротивления размыканию токопроводящего стержня определяется по формуле силы Ампера и приравнивается к силе тяги электромагнита. В формуле силы Ампера длина проводника Г принимается равной диаметру соленоида, а сила тока в стержне I′ - принятые ранее 20 А. В этом случае требуемая магнитная индукция соленоида В равна (I′×l′)/(40550×S)=(20 А×0,05 м)/(40550×0,002 м)=0,01 Тл, а требуемый шаг изменения числа витков N будет равен: (В×l)/(I×µ×µ)=(0,01 Тл×0,5 м)/(2,5 А ×1,25×10×8×10)≈ 1 виток.
Полезная модель проиллюстрирована графическим материалом, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства (вид сверху); на фиг. 2 - электрическая блок-схема.
Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания с линейным электрическим генератором переменного тока содержит поршни 1 двух оппозитных цилиндров 2, жестко связанные одним общим штоком 3, силовой статор 4, постоянный магнит 5 с возможностью возвратно-поступательного движения, параллельные токопроводящие стержни 6, неподвижные магнитные «дорожки» 7 из полосовых магнитов, катушки Румкорфа с первичными 8 и вторичными 9 обмотками, размыкающие электромагнитные реле 10 с пошагово изменяющимся числом витков обмотки, замыкающие электромагнитные реле 11, ключи (на фигурах не обозначены), управляемые инерционными элементами 12.
Устройство работает следующим образом.
При запуске ДВС с помощью силового статора 4 и постоянного магнита 5 с возможностью возвратно-поступательного движения, горючая смесь сжимается, взрывается и расширяется в од ном из двух оппозитных цилиндров 2, что через движение общего штока 3 приводит к сжатию газов поршнем 1 в другом оппозитном цилиндре 2, в это же время с силового статора 4 за счет движения постоянного магнита 5 снимается полезная электрическая мощность. Также во время ускорения движения общего штока 3 при расширении газов в одном из двух оппозитных цилиндров 2 за счет прохода над магнитными «дорожками» 7 из полосовых магнитов возникает электрический ток в параллельных токопроводящих стержнях 6 и в электрически связанных с ними первичных обмотках 8 обеих катушек Румкорфа Сжатие газов поршнем 1 в другом оппозитном цилиндре 2 приводит к торможению общего штока 3, что, в свою очередь, вызывает снижение тока в первичных обмотках 8 обеих катушек Румкорфа, и, вследствие этого, появление тока во вторичных обмотках 9 обеих катушек Румкорфа. Также при торможении общего штока 3 срабатывают инерционные элементы 12, ключи которых (на фигурах не обозначены) отключают первичные обмотки 8 обеих катушек Румкорфа от параллельных токопроводящих стержней 6. Появление тока во вторичных обмотках 9 катушек Румкорфа приводит к одновременному появлению тока в электрически связанных с одной из них размыкающих электромагнитных реле 10. Количество срабатывающих размыкающих электромагнитных реле 10 за счет пошагово изменяющегося числа витков обмотки, пропорционально скорости движения общего штока 3. Появление тока во вторичных обмотках 9 приводит также к одновременному срабатыванию замыкающих электромагнитных реле 11, которое подключает параллельные токопроводящие стержни 6 ко вторичной обмотке 9 связанной с ними катушки Румкорфа.
В итоге, полезная модель позволяет получить обратно пропорциональную зависимость тянущей силы вспомогательного линейного электродвигателя от скорости поступательного движения общего штока, а значит, и от силы расширения газов в цилиндрах. Это позволяет устранить влияние на полезную модель непостоянства силы расширения газов в цилиндрах.