СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОРШНЕЙ ДВУХЦИЛИНДРОВОГО ОДНОТАКТНОГО СВОБОДНОПОРШНЕВОГО ЭНЕРГОМОДУЛЯ С ОБЩЕЙ ВНЕШНЕЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ И ЛИНЕЙНЫМ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОМ С ОППОЗИТНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ЯКОРЕЙ
PROCEDURE FOR COOLING PISTONS OF TWO-CYLINDER SINGLE PHASE PLUNGER-FREE POWER MODULE WITH COMMON EXTERNAL COMBUSTION CHAMBER AND LINEAR ELECTRO-GENERATOR WITH OPPOSITE MOTION OF ANCHORS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области энергомашиностроения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ближайший прототип заявленного изобретения - патент 2342546, «Электрогенератор на основе свободнопоршневого двигателя с внешней камерой сгорания».
Электрогенератор (далее - энергомодуль) преобразует химическую энергию моторного топлива в электроэнергию. При пуске энергомодуля в камеру сгорания 1 (см. фиг.1) система управления (не показана) форсункой 2 подает топливо и воспламеняется его свечой зажигания 3. Продукты сгорания через открытый клапан 4 поступают в левую (по фигуре) полость поршня 5 и под их воздействием поршень 5, соединенные с ним штоком 6 якорь 7 и поршень 8 начинают движение слева направо. Площадь левой торцевой поверхности поршня 5 больше площади его противоположной поверхности на величину площади поперечного сечения штока 6. Следовательно, давление воздуха, сжимаемого в правой полости поршня 5, больше давления продуктов сгорания в его левой полости. Поэтому воздух из правой полости поршня 5 через открытый клапан 9 поступает в камеру сгорания 1, обеспечивая тем самым кислородом процесс горения топлива. Одновременно воздух из правой полости поршня 8 через открытый клапан 10 выбрасывается в атмосферу (при последующих рабочих циклах - отработавшие газы), а через открытый клапан 11 воздух из атмосферы поступает в его левую полость. Магнитный поток движущегося якоря 7 пересекает витки статорной катушки 12, в результате чего в ней генерируется импульс электроэнергии. По достижению поршнями крайнего правого положения система управления переводит клапаны 4, 10, 13, 14 в противоположные положения. Продукты сгорания из камеры сгорания 1 через открывшийся клапан 13 поступают в правую полость поршня 8, поршни 5 и 8 и якорь 7 начинают движение справа налево. Воздух из левой полости поршня 8 закрывает клапан 11 и через открывшийся клапан 15 поступает в камеру сгорания 1. Клапан 9 закрывается и воздух из атмосферы через открывшийся клапан 16 засасывается в правую полость поршня 5, а отработавшие газы через открывшийся клапан 14 выбрасываются в атмосферу. Магнитный поток якоря 7 пересекает витки статорной катушки 12 и в ней генерируется импульс электроэнергии противоположного знака. В дальнейшем система управления, переводя клапаны 4, 10, 13, 14 из одних положений в противоположные, обеспечивает постоянную подачу воздуха в камеру сгорания. Якорь 7 совершает колебательные движения, и в статорной катушке 12 генерируются электрические импульсы, энергия которых направляется потребителю. Возникающая в результате реакции движения поршней вибрация нейтрализуется применением двух энергомодулей с общей внешней камерой сгорания, ориентируемых так, что оси симметрии поршней располагаются на одной прямой, а их движение организуется в противофазе. Этим требованиям отвечает двухцилиндровый однотактный свободнопоршневой энергомодуль с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором с оппозитным движением якорей (далее - энергомодуль, для упрощения схемы на фигуре не показаны якоря и статорные катушки). Поскольку энергомодуль другая, отличная от прототипа машина, обозначение позиций на фигурах соответствуют только ей. Действует энергомодуль следующим образом.
Продукты сгорания из камеры сгорания 1 (фиг.2) по трубопроводу 2 через газораспределительный клапан 3 поступают в правую (по фигуре) торцевую полость поршня 4 левой расширительной машины 5, а по трубопроводу 6 и газораспределительный клапан 7 - в левую полсть поршня 8 правой расширительной машины 9. Под действием расширяющихся продуктов сгорания поршни расширительных машин 4 и 8 и соединенные с ними якоря линейных электрогенераторов 10 и 11 начинают встречные движение. Якоря 10 и 11 могут представлять собой постоянные магниты, либо электромагниты, намагничиваемые катушкой подмагничивания 12 при протекании по ее виткам тока подмагничивания. В обоих случаях магнитный поток замыкается по контуру - якорь 11, статорный магнит 13, якорь 10, якорь 11. При оппозитном движении якорей 10 и 11 (в данном случае движении расхождения) пересекаются магнитные линии их магнитных полей, в результате чего в статорном магните 13 и якорях 10 и 11 изменяется магнитный поток и, как следствие, в статорной катушке 14 генерируется импульс электроэнергии. При достижении поршнями и якорями точек крайнего расхождения система управления (на фигуре не показана) переводит 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 электрогенераторов начинают сходиться. В статорной катушке 14 генерируется импульс противоположного знака. Отработавшие газы при расхождении поршней 17, 18 выбрасываются в атмосферу через газораспределительные клапаны 15 и 16, а при схождении - через газораспределительные клапаны 3 и 7. Одновременно при рабочих тактах расширительных машин 5, 9 для обеспечения процесса горения топлива в камере сгорания 1 через обратные клапаны 19, 20, 21, 22 из соответствующих полостей поршней расширительных машин 5, 9 по трубопроводам 23, 24 подается воздух, а через обратные клапаны 25, 26, 27, 28 в те же полости из атмосферы засасывается воздух.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
При работе энергомодуля поршни и штоки, соединяющие их и якоря, испытывают значительные термические нагрузки. Частичное охлаждение поршней и штоков происходит при действии поршней 4, 8, 17, 18 в качестве поршней компрессора. Всасываемый из атмосферы через клапаны 25, 26, 27, 28 воздух, прежде чем попасть через клапаны 19, 20, 21, 22 в камеру сгорания 1, отбирает определенную долю тепла от поршней и соединяющих их штоков. Но поскольку энергомодуль отличается высокой удельной мощностью, несмотря на охлаждение атмосферным воздухом, температура поршней и штоков будет мало отличаться от температуры продуктов сгорания, а она может достигать тысяч градусов. В таких условиях могут работать только керамические материалы, что сулит повышение кпд и удельной мощности. Но пока не отработана технология применения их в моторостроении, необходимо предусмотреть принудительное охлаждение поршней и штоков расширительных машин. Такое охлаждение осуществляется следующим образом.
На фиг.3 показана левая расширительная машина энегомодуля 5, фиг.2, отделенная от энергомодуля линией разрыва. При поступлении продуктов сгорания из камеры сгорания 1 (фиг.3) через газораспределительный клапан 3 в правую полость поршня 4 поршни 4, 5 начинают движение справа налево (по фигуре). Так как объем, заключенный в полости между внутренней поверхностью штока 29 и внешней поверхностью трубы 30, уменьшается, охлаждающий агент (далее - хладоагент), занимающий этот объем и отбирающий тепло от их поверхностей, по внутреннему каналу трубы 30 через обратный клапан 31 и радиатор 32, где он охлаждается, поступает в гидроаккумулятор 33. По достижению поршнями левого крайнего положения система управления (не показана) переводит газораспределительные клапаны 3 и 15 в противоположные положения. Поршни движутся слева направо. Жидкость из гидроаккумулятора 33 через обратный клапан 34 поступает в полость между штоком 29 и трубой 30. Рельеф внутренней поверхности штока и поршней повторяет рельеф их внешней поверхности. Внутри каждого поршня имеется перегородка 35 с окном 36. При движении хладоагента в полости между штоком 29 и трубой 30 хладоагент перетекает с одной стороны перегородки в другую через окно в перегородке 36, более эффективно отнимая тепло от поверхности поршней. При достижении поршнями крайнего правого положения система управления снова переводит газораспределительные клапаны 3 и 15 в противоположные положения и цикл перекачки и охлаждения штока и поршней повторяется. Таким образом, температура поршней и штока энергомодуля поддерживается в рабочих пределах.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ охлаждения поршней двухцилиндрового однотактного свободнопоршневого энергомодуля с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором с оппозитным движением якорей, включающий общую внешнюю камеру сгорания, электрогенератор с оппозитным движением якорей, две расширительные машины, приводящие в оппозитное движение якоря электрогенератора, и систему управления, отличающийся тем, что шток и соединенные с ним поршни каждой расширительной машины охлаждаются протекающим в полости, ограниченной внутренней поверхностью штока, внешней и внутренней поверхностью установленной внутри этой полости трубы, хладоагентом, для чего при движении поршней из точек крайнего схождения поршней в точки крайнего расхождения хладоагент продавливается через радиатор, отдающий тепло хладоагента внешней среде, и поступает в пневмоаккумулятор, а при движении поршней из точек крайнего расхождения в точки крайнего схождения хладоагент из аккумулятора поступает в ту же полость, ограниченную внутренней поверхностью штоков, внешней и внутренней поверхностью трубы.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Затраты на НИОКР двухцилиндрового однотактного свободнопоршневого энергомодуля с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором с оппозитным движением якорей не могут существенно отличаться от таковых при проектировании классического ДВС. Стоимость энергомодуля при отлаженном производстве будет значительно ниже стоимости ДВС при пересчете на единицу мощности.
ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
Фигура 1. Принципиальная схема электрогенератора на основе свободнопоршневого двигателя с внешней камерой сгорания:
1 - камера сгорания, 2 - форсунка, 3 - свеча зажигания, 4, 13 - впускной клапан, 5, 8 - поршни, 6 - шток, 7 - якорь, 9, 11, 15, 16 - обратные клапаны, 10, 14 - выпускные клапаны, 12 - статорная катушка.
Фигура 2. Принципиальная схема двухцилиндрового однотактного свободнопоршневого энергомодуля с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором с оппозитным движением якорей:
1 - камера сгорания, 2, 6, 23, 24 - трубопроводы, 3, 7, 15, 16 - газораспределительные клапаны, 4, 8, 17, 18 - поршни расширительной машины, 5, 9 - расширительная машина, 10, 11 - якоря, 12 - катушка подмагничивания якоря, 13 - статорный магнит, 14 - статорная катушка, 19, 20, 21, 22, 25, 26, 27, 28 - обратные клапаны.
Фигура 3. Принципиальная схема двухцилиндрового однотактного свободнопоршневого энергомодуля с общей внешней камерой сгорания, линейным электрогенератором с оппозитным движением якорей и устройством охлаждения поршней расширительных машин:
1 - камера сгорания, 3, 15 - газораспределительные клапаны, 4, 5 - поршни расширительной машины, 29 - шток, 30 - труба с каналом, 31, 34 - обратные клапаны, 32, - радиатор, 33 - пневмоаккумулятор, 35 - перегородка в поршне, 36 - окно в перегородке поршня.