СИНХРОНИЗАТОР ДВИЖЕНИЯ ЯКОРЬ-ПОРШНЕЙ В ПРОТИВОФАЗЕ СВОБОДНОПОРШНЕВОГО НАСОС-ГЕНЕРАТОРА
SYNCHRONISER OF MOVEMENT OF ARMATURES-PISTONS IN OPPOSITE PHASE OF FREE PISTON PUMP-GENERATOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к энергомашиностроению.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ближайший прототип изобретения - «Гидравлический способ синхронизации движения поршней свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания», патент №2324829.
Основные узлы, обеспечивающие синхронизацию движения поршней свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания (далее - энергомодуль): насос-генератор 1 (Фиг.1) с якорем 2, клапаны управления потоком жидкости 3 (далее - клапаны) и два двигателя внутреннего сгорания 4 (правый и левый). Перед пуском энергомодуля якорь 2 находится в правом крайнем положении. Левый клапан 3 - в верхнем положении, а правый - в нижнем. Поршни 5 правого двигателя - в точках максимального схождения, поршни левого - в точках максимального расхождения, клапаны впуска воздуха 6 правого двигателя и выпуска отработавших газов 7 закрыты, а клапаны компрессоров 8 - закрыты. Все детали левого двигателя занимают противоположное положение.
При пуске энергомодуля система управления (не показана) форсункой 9 подает топливо в камеру сгорания правого двигателя. Одним из способов топливо воспламеняется и расширяющиеся продукты сгорания разводят его поршни. Соединенные с поршнями двигателя поршни компрессора 10 сжимают воздух в его полостях и цилиндрах двигателя 4. Плунжеры 11 продавливают жидкость через насос-генератор 1, откуда жидкость поступает в полости плунжеров левого двигателя, и его поршни начинают встречное движение. Через открывшиеся клапаны компрессора 8 в полости компрессоров 10 засасывается воздух из атмосферы, клапаны впуска воздуха 6 и клапаны выпуска отработавших газов закрываются. При продавливании жидкости через насос-генератор 1 его якорь 2 начинает движение справа налево. Полюса якоря 2 движутся между полюсами статорных магнитов (постоянные магниты) 12 и 13. При этом в теле якоря 2 возникает переменный магнитный поток, в результате чего в катушке якоря 14 генерируется электрический импульс. По достижении якорем 2 левого крайнего положения система управления переводит клапаны 3 в противоположное положение и жидкость из полости плунжера 11 правого двигателя начинает поступать в левую полоть якоря 2. Якорь 2 движется слева направо, и в катушке якоря 14 генерируется электрический импульс противоположного знака. Система управления сообщает якорю колебательное движение до тех пор, пока плунжеры и поршни обоих двигателей не достигнут противоположных крайних точек. В этот момент система управления форсункой 9 подает топливо в камеру сгорания левого двигателя и воспламеняет его. Таким образом, рабочий цикл одного двигателя инициирует рабочий цикл другого.
Применение в свободнопоршневых машинах двух поршней с оппозитным движением объясняется необходимостью исключения влияния сил реакции от движения поршней. Одно из условий действия подобных машин - синхронное движение поршней в противофазе на всем протяжении их пути. Изготовить цилиндр и поршни машины абсолютно правильной геометрической формы, а поршни к тому же равными по массе - невозможно. Также невозможно обеспечить равенство сил трения в парах поршень-цилиндр на протяжении всего рабочего цикла. Кроме того, на закон движения поршней влияют и другие факторы - непрогнозируемые перемещение машины в пространстве, вращение земли и т.д.
Синхронизация движения поршней энергомодуля осуществляется системой управления с помощью клапанов синхронизации 15. Система управления отслеживает текущую скорость каждого поршня и по сигналу рассогласования скоростей поршней подает команду на соответствующий клапан синхронизации. Так, если скорость верхнего поршня правого двигателя меньше скорости нижнего, система управления переводит клапан синхронизации 15 нижнего цилиндра правого двигателя в частично или полностью закрытое положение. Динамическое сопротивление движению жидкости в трубопроводе увеличивается, и скорость его поршня уменьшается. После уравнивания скоростей поршней клапан синхронизации 15 возвращается в исходное положение.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача изобретения состоит в обеспечении синхронного движения поршней насос-генератора в противофазе. Насос-генератор - машина, преобразующая энергию потока жидкости в электроэнергию и электроэнергию в энергию потока жидкости - заявка на получение патента на изобретение «Насос-генератор с оппозитным движением якорь-поршней», №2009115041, дата подачи 20.04.2009. Сущность изобретения поясняется описанием нагрузочного способа синхронизации движения его поршней. Якорь-поршень (в дальнейшем - якорь) - узел, объединяющий функции якоря линейного электрогенератора и поршня машины.
В состав насос-генератора (Фиг.2) входят статорные (постоянные) магниты 1, 2, якоря 3, 4, катушки подмагничивания якорей 5, 6, распределительные клапаны 7, 8, каналы 9,13, трубопроводы 10, 11, 12, 14, 15 и система управления.
При работе насос-генератора в режиме электрогенератора рабочая жидкость под давлением от источника питания (например, от гидронасоса привода колес автомобиля системы рекуперации энергии торможения автомобиля) по каналу 9, через клапан управления потоком жидкости 7 (далее - распределительный клапан), по трубопроводу 10 поступает в левую торцевую полость якоря 3, а по трубопроводу 11 - в правую полость якоря 4. Якоря начинают встречное движение и выдавливают жидкость из правой торцевой полости якоря 3 и левой торцевой полости якоря 4. Жидкость из этих полостей по трубопроводу 12, через распределительный клапан 8 и по каналу 13 возвращается к источнику питания. Якоря 3, 4 изготовлены из магнитомягкого материала. При движении торцов якорей 3, 4 в магнитных полях в зазорах статорных магнитов 1, 2 в телах якорей 3, 4 индуцируются переменные магнитные потоки, генерирующие в катушках подмагничивания якорей 5, 6 импульсы электроэнергии. При достижении якорями крайних точек схождения система управления переводит распределительные клапаны 7, 8 в противоположные положения. Жидкость от источника по каналу 9, через распределительный клапан 7 и трубопроводам 14, 12 начинает поступать в правую торцевую полость якоря 3 и левую торцевую полость якоря 4, а из левой торцевой полости якоря 3, по трубопроводу 10 и из правой торцевой полости якоря 4 по трубопроводу 11 и 15, через распределительный клапан 8 и по каналу 13 возвращается к источнику питания. Якоря меняют направление движения и в катушках подмагничивания 5, 6 генерируются электрические импульсы противоположного знака. В дальнейшем система управления продолжает менять положение распределительных клапанов 7, 8 и якоря 3, 4 совершают колебательные движения, в результате чего в катушках подмагничивания якорей 5, 6 генерируются переменные электрические колебания, энергия которых поступает потребителю.
При работе насос-генератора в режиме насоса система управления подает на катушки подмагничивания якорей 5, 6 знакопеременные импульсы электроэнергии, вследствие чего на торцах якорей 3, 4 возникают соответствующие им магнитные полюса. Если их положение при единичном импульсе таково, как показано на чертеже, то левый торец якоря 3 с северным магнитным полюсом выталкивается из левого кольцевого зазора статорного магнита 1, а правый его торец с южным магнитным полюсом втягивается в левый кольцевой зазор статорного магнита 2. Аналогичным образом якорь 4 взаимодействует с кольцевыми зазорами статорных магнитов 1, 2. При этом из правой полости якоря 3 и левой полости якоря 4 по трубопроводам 12, 14, через распределительный клапан 8 и по каналу 13 жидкость поступает потребителю (например, гидромотору), а по каналу 9, распределительный клапан 8 и трубопроводам 10, 11 возвращается от потребителя в левую торцевую полость якоря 3 и правую торцевую полость якоря 4. По достижении якорями крайних точек схождения система управления меняет положение клапанов 7, 8 на противоположное и направление тока в катушках подмагничивания 5, 6, и жидкость продолжает поступать потребителю по каналу 13 и возвращаться от него по каналу 9. Таким образом, оппозитный характер движения якорей нейтрализует действие сил реакции от движения поршней на корпус насос-генератора.
Так же как и вышерассмотренный энергомодуль насос-генератор по тем же причинам нуждается в системе синхронизации движения поршней в противофазе. Действует такая система следующим образом.
При работе насос-генратора в режиме генератора система управления отслеживает текущее значение скоростей обоих поршней насос-генератора и по сигналу рассогласования скоростей поршней прерывает или прекращает ток через катушку подмагничивания того якоря, скорость которого меньше скорости другого якоря. Если, например, скорость якоря 3 меньше скорости якоря 4, система управления разрывает цепь катушки возбуждения якоря 5. В результате исчезновения магнитного потока в теле якоря 3 прекращается взаимодействие торцов якоря 3 со стационарными магнитами 1, 2, и скорость якоря 3 возрастает. В момент, когда скорости обоих поршней сравняются, система управления восстанавливает цепь катушки возбуждения 5. Аналогичным образом система управления действует и в случае, когда скорость якоря 4 меньше скорости якоря 3.
При работе насос-генератора в режиме насоса система управления по сигналу рассогласования прерывает или прекращает ток в катушке подмагничивания того якоря, скорость которого больше скорости другого якоря. Если, например, скорость того же якоря 3 больше скорости якоря 4, система управления прерывает цепь катушки подмагничивания якоря 5. Магнитный поток в теле якоря 5 исчезает и электромагнитные силы, движущие якорь 3, также исчезают, скорость якоря 3 уменьшается. Следует отметить, что восстановление цепи катушки подмагничивания якоря должно происходить с определенным опозданием после уравнивания скоростей поршней с тем, чтобы уравнивание их скоростей произошло в момент, когда поршни окажутся в крайних точках схождения или расхождения. Иными словами восстановление цепи катушки подмагничивания якоря должно происходить в момент, обеспечивающий синхронное движения якорей в противофазе.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Синхронизатор движения якорь-поршней в противофазе свободно-поршневого насос-генератора, преобразующего энергию потока жидкости в электроэнергию и электроэнергию в энергию потока жидкости, включающего систему управления, статорные магниты, якорь-поршни, катушки подмагничивания якорь-поршней, клапаны управления потоком жидкости, отличающийся тем, что синхронизация движения поршней в противофазе насос-генератора осуществляется при возникновении разности величин скоростей поршней насос-генератора уменьшением или прекращением тока в одной из катушек подмагничивания якоря, для этого при работе насос-генератора в режиме генератора система управления отслеживает текущее значение величин скоростей каждого якорь-поршня и по сигналу рассогласования скоростей якорь-поршней уменьшает или прерывает ток в катушке подмагничивания того якорь-поршня, скорость которого меньше скорости другого якоря, а при работе насос-генератора в режиме насоса система управления отслеживает текущее значения величин скоростей каждого якорь-поршня и по сигналу рассогласования скоростей якорь-поршней уменьшает или прерывает ток в катушке подмагничивания того якоря, скорость которого больше скорости другого якорь-поршня, и после достижения якорь-поршнем скорости, обеспечивающей синхронное движение якорь-поршней в противофазе, система управления восстанавливает цепь катушки подмагничивания якорь-поршня.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение применимо к машинам, в которых преобразовывается электроэнергия в энергию потока жидкости и, наоборот, преобразовывается энергия потока рабочей жидкости в электроэнергию. Область применения - станкостроение и автомобилестроение. Насос-генератор исключает необходимость использования механизмов перемены передач, позволяет рекуперировать энергию торможения движущихся деталей станков, торможения автомобиля и т.д. Требования к технологии и материалам не выходят за пределы современных возможностей.
ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
Фигура 1. Принципиальная схема свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания.
1 - насос-генератор, 2 - якоря, 3 - клапаны управления потоком жидкости, 4 - двигатели внутреннего сгорания, 5 - поршень двигателя, 6 - клапан впуска воздуха, 7 - клапана выпуска отработанных газов, 8 - клапан компрессора, 9 - форсунка, 10 - поршни компрессора, 11 - плунжер, 12, 13 - статорные магниты, 14 - катушка подмагничивания якоря, 15 - клапан синхронизации.
Фигура 2. Принципиальная схема насос-генератора с оппозитным движением якорь-поршней в противофазе.
1, 2 - статорные магниты, 3, 4 - якорь-поршни, 5, 6 - катушки подмагничивания якорь-поршней, 7, 8 - клапаны управления потоком жидкости, 9, 13 - каналы впуска и выпуска жидкости, 10, 11, 12, 14, 15 - трубопроводы.