СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВУХЦИЛИНДРОВЫЙ С ОБЩЕЙ ВНЕШНЕЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ И ЛИНЕЙНЫМ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОМ ЭНЕРГОМОДУЛЬ ДВОЙНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
FREE-PISTON DOUBLE-CYLINDER ENERGY MODULE OF DOUBLE PURPOSE WITH COMMON EXTERNAL COMBUSTION CHAMBER AND LINEAR POWER 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 движением 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. Действует он следующим образом.
Продукты сгорания из камеры сгорания 1 (фигура 1) по трубопроводу 2 через газораспределительный клапан 3 поступают в правую (по рисунку) полость поршня 4 левой расширительной машины 5, а по трубопроводу 6 и через газораспределительный клапан 7 - в левую полость 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 (на рисунке 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 положения 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
Цель заявленного изобретения состоит в том, чтобы создать агрегат, преобразующий экзотермическую энергию моторного топлива в электроэнергию для широкого использования и в энергию газообразного рабочего тела с высокими параметрами давления и температуры для привода расширительных машин.
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 его камере сгорания 1 всегда присутствует некоторое количество воздуха. Если поршневая группа (поршни 2, 3, шток 4 и якорь генератора 5) находится в правом, по рисунку, 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. Продукты сгорания из камеры сгорания 1 по каналу 8 через открытый клапан 9 поступают в правую полость поршня 3, и под их воздействием поршневая группа начинает движения справа налево. Так как площадь правой поверхности поршня 3 больше площади его левой поверхности, величина которой определяется соответственно разностью поперечных сечений штока 4 с левой и правой стороны поршня 3, то давление сжимаемого в левой полости поршня 3 воздуха больше, чем давление продуктов сгорания в его правой полости. Поэтому сжимаемый в левой полости поршня 3 воздух через обратный клапан 10 по каналу 11 подается в камеру сгорания 1, обеспечивая непрерывное горение периодически впрыскиваемого в нее топлива форсункой 6. Одновременно в правую 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 прибытию поршневой группы в левую крайнюю точку движения система управления закрывает клапаны 9 и 13 и открывает клапаны 14 и 15. Давление и температура продуктов сгорания в камере сгорания 1 достигают максимального значения. Пусковой такт завершен и начинается рабочий такт. Под действием поступающих из внешней камеры сгорания 1 через открытый клапан 14 в левую полость поршня 2 продуктов сгорания поршневая группа начинает движение слева направо. Теперь сжимаемый в правой полости поршня 2 воздух через обратный клапан 16 по каналу 11 поступает в камеру сгорания 1, поддерживая непрерывное горение периодически подаваемого туда же топлива. Из правой полости поршня 3 отработавшие газы через открытый клапан 15 выбрасываются в атмосферу, а в его левую полость через обратный клапан 17 из атмосферы засасывается воздух. Если рабочий цикл будет протекать по сценарию пускового, преобразование энергии расширяющихся продуктов сгорания в кинетическую энергию поршневой группы будет малоэффективно в силу того, что давление продуктов сгорания в левой полости поршня 2 практически равно таковому в камере сгорания. Расширение продуктов сгорания при этом происходит только при выбросе их из цилиндра в конце пути поршневой группы через клапан 13, не производя никакой полезной работы. Поэтому для повышения кпд преобразования энергии необходимо организовать расширение продуктов сгорания непосредственно в цилиндре, в данном случае в левой полости поршня 2. По аналогии с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) цилиндр энергомодуля можно представить условно разделенным на два объема. Первый соответствует камере сгорания ДВС - виртуальная камера сгорания. Остальной объем цилиндра, по сути дела, как и в ДВС, виртуальный рабочий объем. Итак, в начале рабочего такта, когда поршневая группа находится в исходной крайней точке движения, система управления открывает впускной клапан 14 и продукты сгорания из камеры сгорания 1 поступают в виртуальную камеру сгорания цилиндра (левая полость поршня 2), температура и давление которых практически равна таковым в камере сгорания 1. Поршневая группа начинает движение слева направо и, когда она 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 энергомодуля отслеживает текущие значения скорости и ускорения поршневой группы, давления продуктов сгорания в камере сгорания 1 и левой рабочей полости поршня 2 и давления сжимаемого в его правой компрессорной полости воздуха. В соответствии с этими значениями система управления вырабатывает алгоритм определения 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 компрессорной полости поршня 2 воздух перетекает в компрессорную полость поршня 3. Противодействие воздуха движению поршневой группе резко уменьшается, способствуя процессу расширения продуктов сгорания в виртуальной камере сгорания и в виртуальном рабочем объеме цилиндра. К этому моменту в левую компрессорную полость поршня 3 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. Поступающий сжатый воздух, расширяясь, сообщает дополнительный импульс кинетической энергии поршневой группе. Энергия на преодоление динамического сопротивления в клапане 17 переносятся 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 при движении поршневой группы в виртуальной камере сгорания и в виртуальном рабочем объеме цилиндра. Давление и температура газов в камере сгорания 1 поддерживается на некотором среднем оптимальной уровне периодической подачей сжатого воздуха и топлива. Моменты времени открытия и закрытия газораспределительного клапана 14 и перепускного клапана 18 система управления определяет с учетом температуры и давления продуктов сгорания в виртуальной камере сгорания таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность процесса их расширения в момент прибытия поршневой группы в крайнюю правую точку движения. Таким образом, давление и температура газов в камере сгорания 1 поддерживается на некотором среднем оптимальной уровне периодической подачей сжатого воздуха и топлива.
В правой части фигуры изображена вторая расширительная машина. В ней одновременно протекают те же процессы, что и в рассмотренной расширительной машине. Особенность состоит в том, что движение ее поршневой группы организуется в противофазе относительно поршневой группы левой расширительной машины. Оппозитное движение поршневых групп энергомодуля позволяет компенсировать реакцию от их движений - исключить вибрацию корпуса энергомодуля и одновременно обеспечить действие линейного генератора. Статорный магнит генератора 19 может представлять собой постоянный магнит (в данном варианте) или электромагнит, намагничиваемый устанавливаемой на нее катушкой подмагничивания (на фигуре не показана). Магнитный поток замыкается по контуру: статорный магнит 19, якорь 5, якорь 20 и снова статорный магнит 19. При схождении и расхождении поршневых групп расширительных машин магнитные силовые линии якорей 5 и 20 пересекаются, магнитный поток в контуре увеличивается или уменьшается, в результате чего в статорной катушке 21 поочередно генерируются импульсы электроэнергии одного и другого знака. При этом скорость движения якорей относительно друг друга вдвое больше скорости каждого якоря относительно статорного магнита, что позволяет получить более короткую - в два раза - длительность импульсов, более крутые передний и задний фронты импульсов и их скважность. Следовательно, максимальная добротность колебательного контура линейного генератора (статорная катушка, статорный магнит и якоря) может быть достигнута при меньшей массе и габаритах генератора, что снижает его удельную массу и увеличивает удельную мощность энергомодуля в целом.
Задвижка 22 служит для использования энергомодуля в качестве генератора рабочего тела (продуктов сгорания с высокими параметрами температуры и давления) для привода в расширительных машинах различного назначения - расширительных машинах двигателей привода колес транспортных средств, отбойных молотков и др. Задвижка носит символический характер. Она условно изображает газораспределительные клапаны расширительных машин. Каналы подачи рабочего тела к расширительным машинам также, как и в предыдущем случае, будут являться продолжением камеры сгорания.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Свободнопоршневой двухцилиндровый с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором энергомодуль двойного назначения, включающий общую внешнюю камеру сгорания, две поршневые расширительные машины, линейный электрогенератор и систему управления, отличающийся тем, что свободнопоршневой двухцилиндровый с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором энергомодуль оснащен задвижкой, перекрывающей канал поступления продуктов сгорания из общей внешней камеры сгорания, в закрытом положении которой свободнопоршневой двухцилиндровый с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором энергомодуль действует как преобразователь экзотермической энергии моторного топлива в электроэнергию, а в открытом положении - как преобразователь экзотермической энергии моторного топлива в энергию газообразного рабочего тела с высокими параметрами температуры и давления.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Затраты на НИОКР заявленного изобретения не могут значительно отличаться от таковых при проектировании и отработки 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 будут 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 с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором энергомодуль двойного назначения
1 - камера сгорания, 2, 3 - поршень, 4 - шток, 5, 20 - якорь, 6 - форсунка, 7 - свеча зажигания, 8, 11 - канал, 9, 13, 14, 15 - газораспределительный клапан, 10, 12, 16, 17 - обратный клапан, 18 - перепускной клапан, 19 - статорный магнит, 21 - статорная катушка, 22 - задвижка.