ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА СО СВОБОДНОПОРШНЕВЫМ МОТОКОМПРЕССОРОМ
ALTERNATING CURRENT GENERATOR WITH FREE-PISTON MOTOR COMPRESSOR

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам двигатель-генератор, и может быть использовано при проектировании и производстве источников переменного электрического тока и мотокомпрессоров со свободнодвижущимися поршнями.
Известна система двигатель-генератор переменного тока [1], в которой для возбуждения ЭДС в силовых обмотках статора якорь генератора совершает вращательное движение. В этой системе в качестве привода используют двигатель внутреннего сгорания [2]. Недостатком этой системы является сложность преобразования возвратно-поступательного движения поршней двигателя во вращательное движение якоря генератора.
Известен также свободнопоршневой компрессор [3], состоящий из нескольких блоков цилиндров, закрепленных на общей раме. Блоки содержат по одному цилиндру двухтактного двигателя внутреннего сгорания и одному цилиндру поршневого компрессора, причем поршни всех блоков связаны между собой механизмом синхронизации.
Известен электрический генератор переменного тока, содержащий цилиндр двигателя внутреннего сгорания, выполненный из немагнитного материала и снабженный электрическими обмотками, а также свободно размещенный в цилиндре поршень в виде постоянного магнита [4]. Недостатком этого изобретения, принятого за прототип, является отсутствие уплотнений поршня и низкая износостойкость выполненного из немагнитного материала цилиндра, что ухудшает работу поршня и цилиндра и снижает ресурс работы генератора.
Целью изобретения является повышение надежности работы электрического генератора переменного тока. Указанная цель достигается тем, что электрический генератор переменного тока размещается на свободнопоршневом мотокомпрессоре, состоящем из блоков цилиндров, каждый из которых содержит по одному цилиндру двухтактного двигателя внутреннего сгорания и одному цилиндру поршневого компрессора. В блоках цилиндров установлены поршни двигателя и компрессора, соединенные штоком, на котором закреплен ряд кольцевых магнитов, обращенных друг к другу разноименными полюсами, а электрическая обмотка расположена между цилиндрами двигателя и компрессора и охватывает шток.
Новым в электрическом генераторе переменного тока со свободно-поршневым мотокомпрессором является закрепление на штоке, связывающем поршни двухтактного двигателя внутреннего сгорания и компрессора, ряда кольцевых магнитов, обращенных друг к другу разноименными полюсами, и размещение охватывающей шток электрической обмотки генератора между цилиндрами двигателя и компрессора.
Электрический генератор переменного тока со свободнопоршневым мотокомпрессором содержит электрические обмотки и блоки цилиндров, состоящие из цилиндра двухтактного двигателя внутреннего сгорания и цилиндра компрессора. В каждом блоке цилиндров поршень двигателя связан штоком с поршнем компрессора. Поршни всех блоков цилиндров кинематически связаны между собой механизмом синхронизации. Электрические обмотки расположены между цилиндрами двигателя и компрессора и охватывают штоки. На штоках закреплен ряд кольцевых магнитов, обращенных друг к другу разноименными полюсами.
Двигатель внутреннего сгорания может быть как бензиновым, так и дизельным. Бензиновый двигатель должен иметь запальную свечу для воспламенения горючей смеси, а дизельный - форсунку для подачи дизельного топлива.
На чертеже представлен поперечный разрез электрического генератора переменного тока со свободнопоршневым мотокомпрессором. Генератор содержит блок цилиндров, состоящий из цилиндра 1 двухтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания и цилиндра 2 компрессора. В верхней части цилиндра 1 расположена камера сгорания 3, запальная свеча 4 для воспламенения горючей смеси или форсунка 5 для подачи топлива и клапан 6 для подачи сжатого воздуха при запуске двигателя. В цилиндре 1 расположен поршень 7 двигателя. Нижняя часть цилиндра 1 закрыта крышкой 8, в которой размещены всасывающие клапаны 9 и уплотнительное устройство 10. Цилиндр 1 также имеет впускные 11 и выпускные окна 12 и продувочные окна 13, соединенные с нижней полостью цилиндра 1 каналом 14.
Цилиндр 2 компрессора имеет всасывающие клапаны 15, нагнетательные клапаны 16 и уплотнительное устройство 17. В цилиндре 2 расположен поршень 18, жестко соединенный с поршнем 7 штоком 19. Со штоком 19 шарнирно соединена траверса 20, к которой шарнирно присоединены зубчатые рейки 21. Цилиндры 1 и 2 расположены на общей раме 22 и образуют один блок цилиндров.
Один блок цилиндров неработоспособен, так как после совершения поршнем двигателя рабочего хода и достижения нижней мертвой точки (НМТ) энергия газа, заключенного в мертвом пространстве компрессора, недостаточна для возврата поршня двигателя в верхнюю мертвую точку (ВМТ). Дополнительную энергию для возврата в ВМТ поршень 7 двигателя получает через механизм синхронизации от других поршней, совершающих рабочий ход, в связи с чем электрический генератор переменного тока со свободнопоршневым мотокомпрессором состоит из нескольких блоков цилиндров.
В нижней части общей рамы 22 между цилиндрами 1 и 2 установлены электрические обмотки 23. На штоке 19 закреплен ряд кольцевых магнитов 24, обращенных друг к другу разноименными полюсами. Электрические обмотки 23 охватывают штоки 19 с кольцевыми магнитами 24.
Поршни всех блоков цилиндров кинематически связаны через штоки 19 механизмом синхронизации, содержащим траверсу 20, зубчатую рейку 21 и шестерни (на чертеже не показаны) с соседними цилиндрами таким образом, что если поршни в одном блоке цилиндров движутся вверх, то поршни в соседнем блоке цилиндров движутся вниз.
Электрический генератор переменного тока со свободнопоршневым мотокомпрессором работает следующим образом.
Запуск двигателя осуществляется подачей сжатого воздуха в цилиндр 1 двигателя через клапан 6, при этом поршень 7 находится в ВМТ. При движении от ВМТ к НМТ в полости под поршнем 7 происходит сжатие. При открытии поршнем 7 выпускного окна 12 происходит выпуск отработавших газов из камеры сгорания 3, и при открытии поршнем 7 продувочного окна 13 по каналу 14 происходит зарядка цилиндра 1 двигателя свежей горючей смесью или свежим воздухом.
При движении поршня 7 от ВМТ к НМТ магнитные потоки кольцевых магнитов 24 генерируют ЭДС в электрической обмотке 23, снимаемую с электрических разъемов (на чертеже не обозначены).
При дальнейшем движении поршня 7 от НМТ к ВМТ в полости под поршнем 7 образуется разрежение и через всасывающие клапаны 9 или впускное окно 11 происходит всасывание воздуха или горючей смеси.
При движении от НМТ к ВМТ в камере сгорания 3 цилиндра 1 происходит сжатие и при положении поршня 7 вблизи ВМТ подается напряжение на свечу зажигания 4 или начинается впрыск топлива через форсунку 5, происходит воспламенение топлива и поршень 7 совершает рабочий ход.
При движении от НМТ к ВМТ магнитные потоки кольцевых магнитов 24 вновь генерируют ЭДС в электрической обмотке 23. Затем цикл повторяется.
При движении поршня 18 в цилиндре 2 компрессора происходит всасывание перекачиваемого мотокомпрессором газа через всасывающие клапаны 15, сжатие и нагнетание газа через нагнетательные клапаны 16.
Свободнопоршневой мотокомпрессор обеспечивает как привод электрического генератора, так и сжатие газа, что позволяет отказаться от вспомогательного компрессора на транспортных средствах или стационарных установках.
Предлагаемое техническое решение предназначено для использования при проектировании и производстве источников переменного электрического тока и мотокомпрессоров со свободнодвижущимися поршнями.
Использование предлагаемого технического решения способствует повышению надежности работы системы двигатель-генератор переменного электрического тока.
Список литературы
1. Аткинс Б. Общая теория электрических машин. Пер. с англ. И.В. Антика. Государственное энергетическое издательство. М. - Л., 1960. 272 с.
2. Мировое судовое дизелестроение. Концепции конструирования, анализ международного опыта: Учеб. пособие / Г.А. Конке, В.А. Лошко. - М.: Машиностроение, 2005. 512 с.
3. Свободнопоршневой мотокомпрессор Еременко: пат. 2367803 РФ: МПK F02B 71/00 / Е.Н. Еременко - заявл. 18.12.2007; опубл. 20.09.2009.
4. Электрический генератор переменного тока: пат. 2046966 РФ: МПК Н02K 35/02 / Р.К. Памфилов - заявл. 29.11.1989; опубл. 27.10.1995/