СПОСОБ ПРОДУВКИ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ СВОБОДНОПОРШНЕВОГО ДВУХЦИЛИНДРОВОГО ЭНЕРГОМОДУЛЯ С ОБЩЕЙ ВНЕШНЕЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ И ЛИНЕЙНЫМ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОМ
BLOWING METHOD OF COMBUSTION CHAMBER OF FREE-PISTON TWO-CYLINDER POWER MODULE WITH COMMON EXTERNAL COMBUSTION CHAMBER AND LINEAR ELECTRIC GENERATOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области энергомашиностроения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ближайший прототип заявленного изобретения «Двухцилиндровый свободнопоршневой энергомодуль с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором с оппозитным движение якорей», патент 2422655 С1.
Двухцилиндровый свободнопоршневой энергомодуль с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором с оппозитным движение якорей (далее - энергомодуль) преобразует химическую энергию моторного топлива в электроэнергию. Принципиальная схема энергомодуля изображена на фигуре 1.
Действует он следующим образом. Система управления энергомодуля (не показана) форсункой подает топливо в камеру сгорания 1 (фигура 1) и воспламеняет его свечой зажигания. Продукты сгорания из камеры сгорания 1 по трубопроводу 2 через газораспределительный кланан 3 поступают в правую (по фигуре) полость поршня 4 левой расширительной машины 5, а по трубопроводу 6 и через газораспределительный клапан 7 - в левую полсть 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 (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 положение 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
Если перед пуском энергомодуля в его камере сгорания в силу присутствия остаточных продуктов сгорания от предшествующих рабочих циклов или иных причин не оказалось необходимого для инициирования устойчивого горения количества кислорода, то пуск энергомодуля может не состояться. Цель изобретения состоит в том, чтобы обеспечить предпусковую продувку камеры сгорания воздухом из атмосферы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Сущность заявленного изобретения поясняется описанием принципа действия свободнопоршневого двухцилиндрового с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором энергомодуля двойного назначения. Он включает общую внешнюю камеру сгорания (камера сгорания), две поршневые расширительные машины (расширительная машина), линейный электрогенератор (генератор) и систему управления.
Перед пуском энергомодуля (фигура 2) в камере сгорания 1 должно присутствовать достаточное для его пуска количество воздуха. Так как устройство и действие правой левой и правой (по фигуре) расширительных машин энергомодуля идентичны, для упрощения изложения рассматривается действие только левой расширительной машины. Если поршневая группа (поршни 2, 3, штоки 4 и 5) находится в правом 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 и по каналу 8 через открытый клапан 9 поступают в правую полость поршня 3. Под их воздействием поршневая группа начинает движения справа налево. Площадь правой поверхности поршня 3 больше площади его левой поверхности на величину разности площадей поперечных сечений штока 4 с левой и штока 5 с правой стороны поршня 3. Поэтому давление сжимаемого в левой компрессорной полости поршня 3 воздуха больше давления продуктов сгорания в его правой полости. Сжимаемый в левой компрессорной полости поршня 3 воздух через обратный клапан 10 и по каналу 11 подается в камеру сгорания 1, обеспечивая горение топлива. В правую компрессорную 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. Под действием поступающих из 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 горение 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.
В правой части фигуры 2 изображена вторая расширительная машина энергомодуля. В ней одновременно протекают те же процессы, что и в левой расширительной машине. Особенность состоит в том, что движение поршневых групп организуется в противофазе относительно друг друга. Оппозитное движение поршневых групп энергомодуля позволяет компенсировать реакцию от их движений - исключить вибрацию корпуса энергомодуля и одновременно обеспечить действие линейного генератора.
По аналогии с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) цилиндр эмергомодуля можно представить условно разделенным на два объема. Первый соответствует камере сгорания ДВС виртуальная камера сгорания. Остальной объем цилиндра, как и в ДВС, - виртуальный рабочий объем. Когда поршневая группа пройдет путь, соответствующий виртуальной камере сгорания, система управления закрывает впускной клапан 14, доступ продуктов сгорания в цилиндр прекращается и начинается процесс их расширения. Сжимаемый в правой полости поршня 2 воздух продолжает поступать в камеру сгорания 1 до тех пор, пока давление и температура газов в ней не достигнет того уровня, который был до момента открытия клапана 14. Одновременно система управления отслеживает текущие значения скорости и ускорения поршневой группы, давление продуктов сгорания в камере сгорания 1 и в левой рабочей полости поршня 2 и давление сжимаемого воздуха в его правой компрессорной полости. На основе этих величин система управления вырабатывает алгоритм 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 правой компрессорной полости поршня 2 воздух перетекает в левую компрессорную полость поршня 3, куда к этому моменту 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 и, расширяясь, сообщает дополнительный импульс кинетической энергии поршневой группе. Энергия, затрачиваемая 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 продуктов сгорания в виртуальной камере сгорания и в виртуальном рабочем объеме цилиндра - левой рабочей полости поршня 2.
Генерирование электроэнергии происходит в линейном с оппозитным движением якорей генераторе. Статорный магнит генератора составной. Он состоит из двух частей - из статорных магнитов 19 и 20. Статорный магнит 19 изготовлен из магнитомягкого материала, а статорный магнит 20 может представлять собой как постоянный магнит, так и электромагнит, тогда на статорном магните размещается катушка подмагничивания. Здесь рассматривается вариант с постоянным магнитом. На статорном магните 19 расположена катушка перемагничивания 21, а на статорном магните 20 - катушка генератора 22. Одними концами статорные магниты 19 и 20 плотно прилегают друг к другу по плоскости сопряжения 23, а другими концами охватывают якоря 24 и 25. При движении поршневых групп из одних крайних точек в другие, например при расхождении, якоря 24 и 25, соединенные с поршневыми группами, также расходятся. Магнитный поток составного статорного магнита замыкается по контуру: часть статорного магнита 20, часть статорного магнита 19, якорь 25 и якорь 24. В результате площадь в зазоре между внутренней и внешней поверхностями якорей 24 и 25 сначала увеличивается, а затем сокращается. Протекающий по контуру магнитный поток также увеличивается и уменьшается и в катушке генератора 22 индуцируется импульс электроэнергии. При схождении поршневых групп и якорей протекает обратный процесс и в катушке генератора 22 индуцируется импульс электроэнергии противоположного знака.
Перед пуском энергомодуля в камере сгорания 1 по тем или иным причинам, например в результате большой доли продуктов сгорания, оставшихся там после последнего рабочего такта, может оказаться недостаточно кислорода для гарантированного воспламенения топлива. В этом случае необходима принудительная предстартовая продувка камеры сгорания свежим воздухом.
Так как магнитный поток правой части постоянного статорного магнита 20 наводит на якорях 24 и 25 разноименные магнитные полюса, то в состоянии покоя якоря 24 25, притягиваясь, устанавливают поршневые группы энергомодуля в среднее положение. Система управления пропускает ток через катушку перемагничивания 21 такого направления, при котором в левой части статорного магнита 19 индуцируется магнитный поток, встречный магнитному потоку правой части статорного магнита 20 по направлению. На обеих частях статорных магнитов 19 и 20 в плоскости их сопряжения 23 и на якорях 24 и 25 индуцируются одноименные магнитные полюса и в результате якоря 24 и 25 отталкиваются друг от друга. Причем величина магнитной индукции магнитного потока определяется такой, чтобы преодолеть силу трения при движении поршневых групп, силу сжимаемого воздуха в компрессорных полостях и силу вакуумного противодействия всасываемого воздуха в компрессорных полостях поршней. Если поршневая группа перед этим находилась, например, в крайних точках схождения, то сжимаемый в левой полости поршня 3 воздух через клапан 10 и канал 11 вытесняет газ из камеры сгорания 1, а из нее по каналу 8 через клапан 9 поступает в правую полость поршня 3, Через обратный клапан 12 воздух из атмосферы засасывается в правую полость поршня 2, а из левой его полсти через клапан 13 выбрасывается в атмосферу. По прибытии поршневых групп в крайние точки расхождения система управления прекращает подачу тока через катушку перемагничивания 21 и переводит клапаны 9, 13, 14, 15 в противоположные положения. Якоря 24 и 25 втягиваются друг в друга, поршневые группы сходятся и происходит дополнительная продувка камеры сгорания 1.
Энергомодуль - машина двойного назначения. Рассмотрена работа в режиме электрогенератора. Для перевода энергомодуля в режим генератора газообразного рабочего тела с целью обеспечении пневматических машин газообразным рабочим телом открывается задвижка 26 и происходит выдача рабочего тела потребителю. При этом энергомодуль может действовать одновременно как генератор газообразного рабочего тела, так и как электрогенератор.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ продувки камеры сгорания свободнопоршневого двухцилиндрового с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором энергомодуля, включающего систему управления энергомодулем, общую внешнюю камеру сгорания, две поршневые расширительные машины, линейный электрогенератор с составным статорным магнитом, состоящим из двух отдельных частей с катушкой перемагничивания на одной части статорного магнита и катушкой генератора на другой части статорного магнита, причем магнитные полюса двух отдельных частей статорного магнита с одних концов соединены друг с другом, а с противоположных концов охватывают тела якорей линейного электрогенератора, отличающийся тем, что система управления энергомодулем пропускает через катушку перемагничивания электрический ток такой силы и такого направления, при котором на соединенных концах отдельных частей статорного магнита и на их противоположных концах, охватывающих якоря, индуцируются одноименные магнитные полюса, в результате чего якоря отталкиваются друг от друга и соединенные с якорями поршни поршневых групп энергомодуля при соответствующем положении клапанов вытесняют воздух из компрессорных полостей поршней поршневых групп через камеру сгорания.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Затраты на НИОКР заявленного изобретения не могут значительно отличаться от таковых при проектировании и отработке классических преобразователей экзотермической энергии моторного топлива в электроэнергию и энергии моторного топлива в энергию газообразного рабочего тела с высокими параметрами температуры и давления. Стоимость агрегата при отлаженном автоматизированном производстве будет существенно ниже стоимости аналогичных агрегатов при пересчете на единицу мощности.
ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
Фигура 1. Двухцилиндровый свободнопоршневой энергомодуль с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором с оппозитным движением якорей:
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, 5 - шток; 6 - форсунка; 7 - свеча зажигания; 8, 11 - канал; 9, 13, 14, 15 - газораспределительный клапан; 10, 12, 16, 17 - обратный клапан; 18 - перепускной клапан; 19, 20 - статорный магнит; 21 - катушка перемагничивания; 22 - катушка генератора; 23 - плоскость сопряжения статорных магнитов; 24, 25 - якорь; 26 - задвижка.