ЛИНЕЙНЫЙ ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПРИВОДОМ ОТ СВОБОДНОПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники, точнее к линейным генераторам электрической энергии, выполненным с приводом от свободнопоршневых двигателей внутреннего сгорания, и предназначена для использования в различных отраслях в качестве автономных источников энергии или в составе комбинированных энергоустановок гибридных транспортных средств в транспортном машиностроении.
Известен линейный генератор с приводом от свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания (СПД), представляющим собой одноцилиндровый двигатель с двухсторонним поршнем, являющимся якорем с обмотками возбуждения, перемещающемся относительно статорных обмоток, расположенных в корпусе, (US №7318506, 2008 г.). В нем имеется система контроля и регулирования положения поршня, наличие которой позволяет управлять впусками и выпусками с целью управления сгоранием топливной смеси в камерах сгорания цилиндра, однако то обстоятельство, что поршень - якорь подвержен нагреву в процессе работы до высоких температур, превышающих рабочие температуры постоянных магнитов, препятствует использованию последних, что могло бы способствовать дальнейшему увеличению энергоемкости такого генератора.
Известен линейный генератор с приводом также от одноцилиндрового СПД, но с двумя оппозитно установленными на общем штоке поршнями, в котором якорем является установленный на средней части штока вспомогательный поршень с постоянными магнитами, в какой-то степени защищенный от воздействия высоких рабочих температур камер сгорания цилиндров (RU №2500905, 2013 г.).
В этом аналоге предусмотрено ограничение хода поршня для предотвращения механических повреждений конструкции от несанкционированных перемещений поршней, но отсутствует возможность позиционирования поршня во время работы в различных промежуточных позициях, что следует отнести к его основному недостатку, поскольку препятствует созданию условий, необходимых для повышения эффективности термодинамического цикла работы.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является линейный генератор с приводом от двухцилиндрового СПД (RU №2150014, 2000 г.), который содержит расположенные вдоль его центральной оси корпус, статорную обмотку возбуждения и якорь, размещенные в корпусе, а также датчики перемещения якоря, и в котором свободнопоршневой двигатель выполнен в виде двух оппозитно закрепленных на корпусе генератора цилиндров, каждый из которых имеет поршень, камеру сгорания, топливную форсунку, канал впуска воздуха и канал выпуска продуктов сгорания, причем, поршни цилиндров и якорь взаимосвязаны общим штоком в единый подвижный вдоль центральной оси модуль, а датчики положения якоря и форсунки имеют электрическую связь с электронной системой блоком управления, включающей в себя ряд функциональных блоков.
Недостатки прототипа заключаются в том, что в нем не предусмотрено осуществление функций устройства по выполнению векторного управления магнитным полем статорной обмотки, по позиционированию модуля в рабочих положениях и предотвращению неуправляемого движения модуля, вследствие чего, в нем не реализован высокоэффективный термодинамический цикл работы СПД, позволяющий достичь высоких показателей по выходной мощности двигателя и экологическим характеристикам его работы.
Отсутствие постоянных магнитов в конструкции якоря линейного генератора ограничивает удельные показатели генератора, например его удельную мощность.
К тому же в прототипе выполнение магнитной системы генерирования тока с использованием якоря в виде отдельно выполненной детали из магнитопроницаемого материала и предлагаемое изготовление поршней и общего штока между ними также из магнитопроницаемых материалов может привести к увеличению массогабаритных параметров единого совершающего возвратно-поступательные движения вдоль центральной оси генератора модуля, образованного поршнями с якорем.
Задача, решаемая полезной моделью, направлена на увеличение удельных показателей линейного генератора в части генерации электрической энергии и повышение мощностных и экологических характеристик СПД.
Технический результат состоит в реализации заявленной задачи.
Сущность полезной модели заключается в том, что линейный генератор с приводом от свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащий расположенные вдоль его центральной оси корпус, размещенные в корпусе статорную обмотку возбуждения и якорь, свободнопоршневой двигатель, выполненный в виде двух оппозитно закрепленных на корпусе генератора цилиндров, каждый из которых содержит поршень, камеру сгорания, топливную форсунку, канал впуска воздуха и канал выпуска продуктов сгорания, причем поршни цилиндров взаимосвязаны между собой и с якорем общим штоком в единый подвижный вдоль центральной оси модуль; а также датчики контроля положения модуля и электронную систему управления, содержащую ряд функциональных блоков, обеспечивающих требуемый алгоритм его работы, в отличие от прототипа, выполнен с возможностью обеспечения позиционирования модуля в рабочих положениях, предотвращения неуправляемого движения модуля и векторного управления магнитным полем статорной обмотки, и электронная система управления в нем дополнительно снабжена блоком определения положения модуля, блоком торможения и позиционирования модуля и системой векторного управления магнитным полем статорной обмотки, включающей в себя блок расчета векторов магнитного поля и силовой блок управления; статорная обмотка выполнена многофазной, не менее чем трехфазной, состоит из нескольких независимых катушек или соединенных последовательно или параллельно групп катушек, питаемых от системы векторного управления, якорем служит средняя часть общего штока с установленными на ней постоянными магнитами, которые по числу и размерам соответствуют катушкам или катушечным группам статорной обмотки, и при этом блок определения положения модуля включает в себя упомянутые датчики перемещения модуля, выполненные индуктивными или магнитными, установленные между катушками или группами катушек статорной обмотки, блок торможения и позиционирования модуля выполнен логическим, выдающим в качестве выходных сигналов значения силы и сигналы о пропуске зажигания, используемые системой векторного управления; свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания оснащен регулируемым турбокомпрессором, связанным с каналами впуска и выпуска и установленным на выходе канала выпуска выпускным клапаном с электромагнитным приводом, подключенным к электронной системе управления, а каждый из цилиндров дополнительно имеет устройство воспламенения рабочей смеси в камерах сгорания, используемое для поджига топливной смеси в период начального запуска СПД и содержит элементы для обеспечения прямоточной клапанно-щелевой продувки.
Дополнительные отличия генератора состоят в том, что в частных случаях исполнения:
- поршни в нем могут быть выполнены из алюминиевого сплава;
- корпус снабжен съемными боковыми крышками, служащими для крепления цилиндров свободнопоршневого двигателя и размещения общего штока.
Турбокомпрессор и выпускной клапан с электромагнитным (бескулачковым) приводом в совокупности с возможностью выборочного позиционирования якоря генератора в задаваемой алгоритмом работы устройства позиции позволяют реализовать высокоэффективный термодинамический цикл благодаря тому, что процесс сгорания происходит с непосредственным впрыском топлива и воспламенением от сжатия, процесс прямоточной клапанно-щелевой продувки обеспечивает высокую эффективность очистки цилиндра от отработавших газов (ОГ), а регулируемое позиционирование якоря генератора позволяет варьировать величину степени сжатия.
Реализация высокоэффективного термодинамического цикла в СПД позволяет достичь высоких экологических характеристик и повышения выходной мощности двигателя, что позволяет использовать их в качестве привода линейных генераторов высокой электрической мощности.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором изображен линейный генератор с приводом от свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания.
Корпус 1 генератора выполнен в виде тонкостенного цилиндра с боковыми съемными крышками 2. В корпусе вдоль его центральной оси с креплением на крышках 2 оппозитно расположены цилиндры 3 и 4 СПД с размещенными в них поршнями 5 и 6, связанными между собой общим штоком 7, установленным в линейных подшипниках, размещенных в центральных отверстиях крышек 2, а также статорная обмотка 8 и якорь 9, в качестве которого служит средняя часть штока 7 с установленными на ней постоянными магнитами 10, например неодимовыми. Статорная обмотка возбуждения 8 выполнена многофазной, не менее чем трехфазной, и состоит из нескольких независимых катушек или соединенных последовательно или параллельно групп катушек, и магниты 10 по числу и размерам соответствуют катушкам или катушечным группам статорной обмотки 8.
Поршни 3 и 4 могут быть изготовлены из алюминиевого сплава, а шток 7 - стальным.
Каждый из цилиндров 3 и 4 снабжен установленными на их торцевой поверхности со стороны камер сгорания 11 и 12, соответственно, топливными форсунками 13 и 14 и устройствами воспламенения рабочей смеси в камерах сгорания, например свечами зажигания 15 и 16, и каналами выпуска 17 и 18 ОГ с установленными в них выпускными клапанами 19 и 20 с электромагнитным (бескулачковым) приводом, а также конструктивными элементами для принудительного воздушного или жидкостного охлаждения (на чертеже не показаны). На боковых поверхностях цилиндров 3 и 4 имеются каналы впуска 21, предназначенные для подачи воздуха внутрь цилиндров.
СПД оснащен регулируемым турбокомпрессором 22, связанным с каналами впуска 21 и выпуска 17 и 18. Турбокомпрессор 22 в совокупности с каналами впуска 21, выпускными клапанами 19 и 20 и каналами выпуска 17 и 18 обеспечивает процесс газообмена двигателя с прямоточной клапанно-щелевой продувкой.
Электронная система управления (ЭСУ) 23 включает в себя ряд типовых функциональных блоков, предназначенных для обеспечения требуемого заложенной в ней программой алгоритма работы генератора (на чертеже условно не показаны в виду их известности) и дополнительно содержит блок 24 определения положения модуля, включающий в себя датчики перемещения 25, выполненные индуктивного или магнитного типа, которые установлены между катушками или группами катушек статорной обмотки 8; блок 26 торможения и позиционирования модуля, предотвращающий удары и неуправляемое движение модуля в случае пропуска зажигания, а также позиционирующий модуль в положении запуска и перезапуска, и систему 27 векторного управления (СВУ) магнитным полем статорной обмотки 8, включающую в себя блок 28 расчета векторов магнитного поля и силовой блок управления 29, связанный со статорной обмоткой 8 электрической шиной 30.
Каждый электрически управляемый компонент линейного генератора, а также датчики перемещения 25 имеют электрическую связь с ЭСУ 23.
Работа линейного генератора сводится к функционированию на следующих режимах: пуск, генерация электроэнергии, перезапуск, останов.
В режиме «Пуск» выполняются следующие действия:
ЭСУ 23 задает блоку 26 определенное пусковое положение модуля, соответствующее положению модуля вблизи ВМТ в момент подачи высокого напряжения на свечи зажигания 15 и 16. Следует отметить, что в описании работы линейного генератора термин ВМТ носит условный характер, т.к. в предлагаемом СПД существует возможность выборочного позиционирования модуля в задаваемой алгоритмом работы устройства позиции и положение ВМТ может варьироваться в зависимости от нагрузочного режима работы линейного генератора.
Блок 24 рассчитывает линейное положение якоря на основании информации от датчиков перемещения 25. Блок 26 отрабатывает заданное положение, выдавая сигнал управления силой на СВУ 27, при этом получая сигнал обратной связи по положению, получаемому от блока 24.
СВУ 27, также получая информацию от блока 24, с помощью блока 29 силового управления по заданному алгоритму формирует токи в статорной обмотке 8 и, таким образом, создает заданную электромагнитную силу, необходимую для движения модуля вдоль центральной оси линейного генератора.
В результате действия электромагнитных сил, возбуждаемых статорной обмоткой 8 и действующих на постоянные магниты 10 якоря 9, модуль начинает движение вдоль центральной оси цилиндров 3 и 4. Примем, что модуль движется в сторону камеры сгорания 12 цилиндра 4, при этом в цилиндре 4 при закрытом выпускном клапане 20 совершается такт сжатия. Топливо впрыскивается форсункой 14 до прихода поршня к верхней мертвой точке (ВМТ), причем пуск холодного или непрогретого двигателя всегда осуществляется с использованием свечей зажигания 15 и 16, поэтому, когда модуль занимает необходимое пусковое положение, на свечу зажигания 16 подается высокое напряжение. После воспламенения топливной смеси происходит рабочий ход, при котором нарастающее давление в камере сгорания 12 цилиндра 4 заставляет поршень 6 двигаться в сторону камеры сгорания 11 цилиндра 3. Выход ОГ из цилиндра 12 осуществляется через выпускной клапан 20 по каналу выпуска 18. Перед выходом ОГ в атмосферу часть их энергии передается турбокомпрессору 22, который обеспечивает принудительную подачу воздуха в цилиндры СПД. В цилиндре 3, в котором также происходит впуск воздуха, впрыск топлива с последующим сжатием топливной смеси, ее воспламенение и рабочий ход, новый цикл повторяется в том же порядке. Циклы СПД организованы так, что во время такта сжатия и рабочего хода в одном цилиндре, в противоположном цилиндре протекают такты рабочего хода и выпуска.
После запуска СПД линейный генератор переходит в режим генерации электроэнергии, в процессе которого вырабатываемый электрический ток через выводные клеммы ЭСУ 23 (на чертеже не показаны) поступает потребителю.
Во время работы линейного генератора в этом режиме СВУ 27 осуществляет управление электромагнитной силой линейного генератора по заданному алгоритму. Система посредством блока 28 расчета векторов магнитного поля определяет электромагнитные параметры работы линейного генератора в каждый момент времени на основании информации от датчиков фазных тока и напряжения (на чертеже не показаны), а также информации о текущем линейном положении модуля. Последнюю информацию СВУ 27 получает от блока 24. В соответствии с заложенной моделью и заданным алгоритмом СВУ 27 посредством силового блока управления 29 и электрической шины 30 формирует токи в статорной обмотке 8 линейного генератора. Таким образом, СВУ 27 отрабатывает заданную линейную электромагнитную силу.
Блок 24 определяет линейное положение якоря 9 и, соответственно, постоянных магнитов 10 относительно статорной обмотки 8, получая информацию от датчиков перемещения 25, на которые воздействуют постоянные магниты 10 якоря 9. Расположение датчиков 25 с шагом, который меньше шага расположения магнитов 10 на якоре 9, позволяет блоку 24 определять линейное положение якоря 9 с достаточной точностью. Информация об установленном блоком 24 положении якоря передается в СБУ 27, а также в блок 26.
Во время работы линейного генератора блок 26 в качестве выходных сигналов выдает данные о значении силы в СВУ 27, и при необходимости сигнал о пропуске зажигания, используемый ЭСУ 23 для перевода работы устройства в режим перезапуска. Блок 26 представляет собой замкнутую систему управления линейным положением якоря 9, выполненную на базе ПИД-регулятора, и с осуществлением обратной связи по информации от датчиков перемещения 25.
В режиме «Генерация электроэнергии» при возвратно-поступательном движении модуля вдоль центральной оси в статорной обмотке 8 наводится электродвижущая сила. При подключенной нагрузке это приводит к протеканию электрического тока и осуществляется выработка электрической энергии.
В данном режиме ЭСУ 23 работает в виде замкнутой системы управления с регулировкой отдаваемой в нагрузку электрической мощности. ЭСУ 23 измеряет отдаваемую в нагрузку электрическую мощность, регулируя ее с помощью задания силы сопротивления движению модуля в СВУ 27, которая отрабатывает заданное на модуле усилие. При этом, в случае изменения направления движения модуля, ЭСУ 23 меняет знак уставки электромагнитного усилия для СВУ 27 на противоположный. Таким образом, СВУ 27 все время создает заданную силу, направление которой противоположно движению модуля.
Для поддержания заданной частоты работы СПД ЭСУ 23 управляет также цикловой подачей топлива и воздуха в цилиндры 3 и 4 двигателя.
Параллельно свою работу осуществляет блок 26, который контролирует параметры движения модуля по его положению, данные о котором поступают от блока 24.
Во время работы линейного генератора ЭСУ 23 определяет достаточность условий для переключения СПД в работу по высокоэффективному термодинамическому циклу, при котором происходит самовоспламенение топливной смеси.
При работе линейного генератора по высокоэффективному термодинамическому циклу выключается устройство воспламенения топливной смеси 15 и 16, а необходимая температура для самовоспламенения топливной смеси в конце такта сжатия достигается за счет регулируемой степени сжатия СПД, а также варьируемой подачи воздуха в цилиндры 3 и 4, обеспечиваемой регулируемым турбокомпрессором 22.
Поскольку впускные каналы 21 цилиндров 3 и 4 СПД имеют фиксированную конфигурацию, то изменение мощности СПД время работы линейного генератора, а также осуществление прямоточной клапанно-щелевой продувки, происходит с помощью переменных фазы открытия и закрытия выпускных клапанов 19 и 20.
Фазы открытия и закрытия выпускного клапана изменяются в зависимости от позиции поршней 5 и 6 двигателя. Для получения максимальной мощности СПД, и, соответственно, максимальной электрической мощности линейного генератора, выпускные клапаны 19 и 20 открываются согласно рассчитанным значениям, заложенным в ЭСУ 23, при которых обеспечивается высокая степень расширения газов при хорошей продувке цилиндров 5 и 6, обеспечивающей снижение содержания ОГ в камерах сгорания 11 и 12 СПД (известно, что увеличение доли остаточных ОГ приводит разбавлению свежего заряда с последующим ухудшением качества сгорания).
Во время работы СПД момент начала самовоспламенения фиксируется СВУ 27 по изменению данных о скорости движения модуля, которые определяются блоком 26. Начало самовоспламенения контролируется фазой впрыска топлива форсунками 13 и 14.
Для достижения высоких мощностных и экологических характеристик СПД впрыск топлива происходит в фазе, при которой происходит выгорание около 50% топлива и достигается максимум скорости тепловыделения в непосредственной близости к установленной ВМТ на данном нагрузочном режиме. В этом случае реализуется высокоэффективный термодинамический цикл, а выделение теплоты в цикле происходит при почти неподвижном поршне (модуле), т.е. в условиях почти неизменного объема камеры сгорания.
Контроль фазы впрыска в СПД имеет существенное значение в достижении высоких характеристик линейного генератора. Поскольку при раннем начале сгорания (большое опережение впрыска топлива) степень сжатия уменьшается вследствие раннего тепловыделения, то модуль в этом случае раньше изменит направление своего движения и начнет движение в сторону оппозитного цилиндра. Это явление сокращает ход поршня и снижает степень сжатия, что в совокупности оказывает отрицательное влияние на термический КПД двигателя.
В том случае, когда топливо впрыскивается в цилиндры слишком поздно, в цилиндрах образуется высокое давление сгорания, которое изменяет направление движения поршня до момента полного выгорания топлива. Точка 50% выгорания топлива, а также максимум кривой скорости тепловыделения находятся далеко за ВМТ, в результате чего эффективность сгорания становится низкой и увеличивается удельный расход топлива СПД.
В предлагаемом же решении совокупность регулируемого турбокомпрессора 22, выпускных клапанов с электромагнитным (бескулачковым) приводом 19 и 20, регулируемой фазы впрыска и регулируемого позиционирования поршней СПД позволяют избежать таких негативных явлений, как увеличение доли остаточных ОГ в камере сгорания с последующим ухудшением качества сгорания, снижение степени сжатия вследствие раннего тепловыделения и низкая эффективность сгорания, и реализовать высокоэффективный термодинамический цикл, характеризующийся самовоспламенение топливной смеси. При пропусках самовоспламенения нарушается равномерное движение модуля линейного генератора, что может выражаться как в выходе модуля за пределы ожидаемой ВМТ, так и в изменении закономерности в скорости движения модуля. При появлении любого из перечисленных признаков пропуска самовоспламенения блок 26 передает сигнал в ЭСУ 23, а также задает тормозное усилие на модуле с целью его полной остановки.
В этот момент ЭСУ 23 линейного генератора при получении сигнала о пропуске зажигания переходит в режим «Перезапуск» и дает команду на кратковременную продувку цилиндров от остатков несгоревшего топлива, выполняемую с помощью линейного генератора, работающего в режиме электродвигателя, после чего ЭСУ 23 переходит в режим «Пуск», последовательность которого приведена выше.
Режим «Останов» - для останова линейного генератора происходит переключение линейного генератора в режим электродвигателя, при этом отключаются топливные форсунки 13 и 14, выпускные клапаны 19 и 20 закрываются.
На статорную обмотку 8 подается ток, создающий электромагнитные силы, направление которых противоположно движению модуля линейного генератора. В результате действия сил происходит быстрое торможение модуля с его последующим остановом.