ЛИНЕЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ-ГЕНЕРАТОР (ВАРИАНТЫ)
LINEAR MOTOR GENERATOR (VERSIONS)

Предлагаемое изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания и электротехники и предназначено для эффективного преобразования энергии углеводородного топлива в электрическую в местах, где отсутствует централизованное энергоснабжение.
Интерес к линейным генераторам электрического тока вызван желанием увеличить КПД линейного двигателя внутреннего сгорания за счет исключения процесса преобразования поступательного движения поршня двигателя внутреннего сгорания во вращательное движение коленчатого вала и связанного с ним ротора электрогенератора традиционной конструкции.
Разрабатываемые сейчас линейные генераторы (конструкторы Питер Ван Блариган, Франк Штельзер - журнал Популярная механика, апрель 2010; Ю.Г.Скоромец - журнал Электротехнический рынок сентябрь-октябрь 2008) представляют собой связанные штоком поршни, двигающиеся в замкнутом с двух сторон цилиндре в режиме двухтактного двигателя внутреннего сгорания. Электрическая энергия вырабатывается за счет движения постоянных магнитов, закрепленных на штоке, внутри неподвижной обмотки, размещенной в средней части цилиндра двигателя.
Проблемой для широкого внедрения таких электрогенераторов является обеспечение бесперебойной работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания, не имеющего маховика, в результате чего пропуск одного рабочего такта приводит к остановке двигателя.
Другая проблема - нахождение постоянных магнитов в зоне нагретых деталей двигателя, что существенно уменьшает их магнитные качества.
Однако проблема "мертовой точки" в линейных двигателях внутреннего сгорания уже давно и успешно решена в одноцилиндровых дизель-молотах.
Конструктивно дизель-молот состоит из следующих основных узлов: ударной части - поршня с компрессионными кольцами, трубы (цилиндра) и топливного насоса. Труба молота в верхней части открыта, а в нижней части герметично закрыта заглушкой.
Внутри цилиндра возвратно-поступательно перемещается удлиненный поршень. При контакте поверхностей поршня и заглушки цилиндра (в момент удара) полость, образованная между стенками рабочего цилиндра и головкой поршня, представляет собой камеру сгорания. Топливо в камеру сгорания подается плунжерным насосом, которым управляет падающий поршень, нажимающий на приводной рычаг. Закрытая конструкция трубчатого молота практически исключает попадание в его внутренние полости абразивных частиц во время работы. Полость рабочего цилиндра сообщается с атмосферой через всасывающие и выхлопные патрубки, направленные вверх.
Предлагаемая группа изобретений - линейный двигатель-генератор (варианты), далее по тексту - ЛДГ, имеет целью совмещение в своей конструкции линейного одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания и бесколлекторного линейного генератора электрического тока с сохранением преимуществ каждого из этих отдельно взятых устройств.
Конструкция линейного двигателя-генератора (Фигура 1).
Основой конструкции является вертикально стоящий на опорной плите оребренный снаружи рабочий цилиндр 1, заглушенный с нижнего конца.
Ребра на внешней поверхности обеспечивают охлаждение двигателя.
В теле рабочего цилиндра имеются отверстия 2 и 3 для впуска воздуха и выпуска выхлопных газов либо отверстия, являющиеся одновременно впускными и выпускными, открываемые и запираемые телом поршня. В нижней части рабочего цилиндра имеется форсунка 4 для впрыска топлива. Подача топлива осуществляется механическим или электрическим топливным насосом обычной конструкции (на чертеже не показаны).
Вариантом конструкции является линейный двигатель-генератор, к впускному отверстию рабочего цилиндра ЛДГ присоединен карбюратор обычной конструкции (на чертеже не показан), в этом случае форсунка 4 для впрыска топлива в теле цилиндра отсутствует.
Для некоторых видов топлива, самовоспламенение которого при сжатии не происходит, в нижней части рабочего цилиндра в дополнение к форсунке или вместо нее (при использовании карбюратора) размещается свеча зажигания (на чертеже не показана).
Внутри рабочего цилиндра располагается поршень 5 с компрессионными кольцами и штоком 6, на котором вне горячей зоны двигателя неподвижно закреплены постоянные магниты 7.
Рабочий цилиндр в нижней своей части и головка поршня образуют камеру сгорания.
В верхней части ЛДГ расположена обмотка 8 генератора тока, неподвижно закрепленная над цилиндром таким образом, что внутри нее могут двигаться вверх-вниз закрепленные на штоке магниты.
Принцип работы.
Массивный поршень, падая под действием силы тяжести из верхнего положения по каналу цилиндра вниз, сжимает атмосферный воздух, попавший через впускное отверстие в пространство между цилиндром и поршнем.
Роль впускного и выпускного клапанов играет непосредственно тело поршня, закрывающее собой при движении вниз просветы выпускного и впускного отверстий последовательно либо одновременно.
В полость, образованную стенками и дном рабочего цилиндра и головкой поршня и представляющую собой камеру сгорания, через форсунку в нижней части цилиндра впрыскивается топливо, подаваемое топливным насосом.
В другом варианте готовая топливовоздушная смесь из карбюратора подается через впускной канал в рабочий цилиндр и сжимается падающим вниз поршнем.
В нижнем положении поршня происходит самопроизвольная детонация сжатой топливовоздушной смеси.
При использования видов топлива, требующих внешнего источника воспламенения, сжатая топливовоздушная смесь поджигается свечой зажигания.
Взрывообразно расширяющиеся в объеме продукты сгорания топливовоздушной смеси толкают поршень вверх.
В момент, когда скользящий по каналу цилиндра поршень открывает выпускные отверстия, горячие газы начинают истекать из цилиндра.
Поршень продолжает по инерции движение вверх, совершая полезную работу в генераторе, одновременно с этим создавая разрежение в полости цилиндра и всасывая воздух через впускное отверстие, тем самым вентилируя камеру сгорания.
Достигнув положения верхней "мертвой точки" поршень со штоком и магнитами теряет свою энергию, после чего немедленно начинает движение вниз под действием силы земного тяготения.
Поршень со штоком и магнитами выполняет здесь функцию маховика двигателя внутреннего сгорания.
Цикл повторяется.
Полезная нагрузка снимается с двигателя в виде электрического тока, возникающего в обмотке генератора при движении внутри нее вверх-вниз штока с постоянными магнитами.
Получаемое электричество преобразуется в стандартный постоянный или переменный электрический ток в полупроводниковом преобразователе.
Техническим результатом предлагаемой конструкции линейного двигателя-генератора является следующее.
1. Упрощение конструкции с минимумом основных деталей.
2. Ожидаемое увеличение КПД двигателя за счет отсутствия преобразований линейного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала (ротора).
3. Повышение технологичности при изготовлении двигателя-генератора, у которого основные детали представляют собой тела вращения и могут быть изготовлены с помощью токарных операций.
4. Решение проблемы верхней "мертвой точки" - массивный поршень со штоком и магнитами будет возвращаться в нижнее положение самостоятельно под действием силы тяжести.
5. Предлагаемый двигатель может работать на бензине, дизельном топливе, растительном масле, водороде, природном, попутном, сжиженном газах и метане, образующемся в животноводстве.
6. Постоянные магниты высокой мощности, относящиеся к генератору, находятся вне "горячей" зоны двигателя и сохраняют свою эффективность.
7. Отсутствуют токосъемные щетки в конструкции генератора с подвижными магнитами.
Предлагаемый линейный двигатель-генератор может найти применение для обеспечения электроэнергией удаленных автономных объектов, имеющих доступ к различным видам жидкого и газообразного углеводородного топлива.