СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ СЖАТОГО ВОЗДУХА СВОБОДНОПОРШНЕВЫМ ЭНЕРГОМОДУЛЕМ С ОБЩЕЙ ВНЕШНЕЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ
METHOD OF COMPRESSED AIR GENERATION BY FREE-PISTON POWER MODULE WITH COMMON EXTERNAL COMBUSTION CHAMBER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области энергомашиностроения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ближайший прототип заявленного изобретения «Способ продувки камеры сгорания свободнопоршневого двухцилиндрового энергомодуля с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором», патент 2476699.
Принцип его действия.
Перед пуском энергомодуля (см. чертеж) в камере сгорания 1 должно присутствовать достаточное для его пуска количество воздуха. Так как устройство и действие правой левой и правой (по чертежу) расширительных машин энергомодуля идентичны, для упрощения изложения рассматривается действие только левой расширительной машины в составе поршневой группы - поршни 2, 3, штоки 4 и 5. Если поршневая группа находится в правом 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 увеличивается и по каналу 8 через открытый клапан 9 поступают в правую полость поршня 3. Под их воздействием поршневая группа начинает движения справа налево. Площадь правой поверхности поршня 3 больше площади его левой поверхности на величину разности площадей поперечных сечений штока 4 с левой и штока 5 с правой стороны поршня 3. Поэтому давление сжимаемого в левой компрессорной полости поршня 3 воздуха больше давления продуктов сгорания в его правой полости. Сжимаемый в левой компрессорной полости поршня 3 воздух через обратный клапан 10 и по каналу 11 подается в камеру сгорания 1, обеспечивая горение топлива. В правую компрессорную 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. Под действием поступающих из камеры сгорания 1 через открытый клапан 14 в левую полость поршня 2 продуктов сгорания поршневая группа начинает движение слева направо. Теперь сжимаемый в правой компрессорной полости поршня 2 воздух через обратный клапан 16 по каналу 11 поступает в камеру сгорания 1, поддерживая горение подаваемого туда же топлива. Из правой полости поршня 3 отработавшие газы через открытый клапан 15 выбрасываются в атмосферу, а в его левую компрессорную полость через обратный клапан 17 из атмосферы засасывается воздух.
В правой части чертежа изображена вторая расширительная машина энергомодуля. В ней одновременно протекают те же процессы, что и в левой расширительной машине. Особенность состоит в том, что движение поршневых групп обеих расширительных машин организуется в противофазе относительно друг друга. Оппозитное движение поршневых групп энергомодуля позволяет компенсировать реакцию от их движений - исключить вибрацию корпуса энергомодуля и одновременно обеспечить действие линейного генератора.
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, как и в ДВС, виртуальный рабочий объем. Когда поршневая группа пройдет путь соответствующий виртуальной камере сгорания, система управления закрывает впускной клапан 14. Доступ продуктов сгорания в цилиндр прекращается и начинается собственно 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 отслеживает текущие значения скорости и ускорения поршневой группы, давление продуктов сгорания в камере сгорания 1 и в левой рабочей полости поршня 2 и давление сжимаемого воздуха в его правой компрессорной полости. На основе этих величин система управления вырабатывает алгоритм 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 правой компрессорной полости поршня 2 воздух перетекает в левую компрессорную полость поршня 3, куда к этому моменту 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 и 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 и, расширяясь, сообщает дополнительный импульс кинетической энергии поршневой группе. Энергия, затрачиваемая 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 продуктов сгорания в виртуальной камере сгорания и в виртуальном рабочем объеме цилиндра - левой рабочей полости поршня 2.
Генерирование электроэнергии осуществляется в линейном с оппозитным движением якорей генераторе. Статорный магнит генератора составной. Он состоит из двух частей - из статорных магнитов 19 и 20. Статорный магнит 19 изготовлен из магнитомягкого материала, а статорный магнит 20 может представлять собой как постоянный магнит, так и электромагнит - тогда на статорном магните размещается катушка подмагничивания. Здесь рассматривается вариант с постоянным магнитом. На статорном магните 19 расположена катушка перемагничивания 21, а на статорном магните 20 - катушка генератора 22. Одними концами статорные магниты 19 и 20 плотно прилегают друг к другу по плоскости сопряжения 23, а другими концами охватывают якоря 24 и 25. При движении поршневых групп из одних крайних точек в другие, например при расхождении, якоря 24 и 25, соединенные с поршневыми группами штоками 5, также расходятся. Магнитный поток составного статорного магнита замыкается по контуру: часть статорного магнита 20, часть статорного магнита 19, якорь 25 и якорь 24. В результате площадь в зазоре между внутренней и внешней поверхностями якорей 24 и 25 сначала увеличивается, а затем сокращается. Протекающий по контуру магнитный поток также увеличивается и уменьшается и в катушке генератора 22 индуцируется импульс электроэнергии. При схождении поршневых групп и якорей протекает обратный процесс и в катушке генератора 22 индуцируется импульс электроэнергии противоположного знака.
Перед пуском энергомодуля в камере сгорания 1 по тем или иным причинам, например в результате большой доли продуктов сгорания, оставшихся там после последнего рабочего такта, может оказаться недостаточно кислорода для гарантированного воспламенения топлива. В этом случае необходима принудительная предстартовая продувка камеры сгорания свежим воздухом.
Так как магнитный поток правой части постоянного статорного магнита 20 наводит на якорях 24 и 25 разноименные магнитные полюса, то в состоянии покоя якоря 24 25, притягиваясь, устанавливают поршневые группы энергомодуля в среднее положение. Система управления пропускает ток через катушку перемагничивания 21 такого направления, при котором в левой части статорного магнита 19 индуцируется магнитный поток встречный магнитному потоку правой части статорного магнита 20 по направлению. На обеих частях статорных магнитов 19 и 20 в плоскости их сопряжения 23 и на якорях 24 и 25 индуцируются одноименные магнитные полюса и в результате якоря 24 и 25 отталкиваются друг от друга. Причем величина магнитной индукции магнитного потока определяется такой, чтобы преодолеть силу трения при движении поршневых групп, силу сжимаемого воздуха в компрессорных полостях и силу вакуумного противодействия всасываемого воздуха в компрессорных полостях поршней. Если поршневая группа перед этим находилась, например, в крайних точках схождения, то сжимаемый в левой полости поршня 3 воздух через клапан 10 и канал 11 вытесняет газ из камеры сгорания 1, а из нее по каналу 8 через клапан 9 поступает в правую полость поршня 3. Через обратный клапан 12 воздух из атмосферы засасывается в правую полость поршня 2, а из левой его полости через клапан 13 выбрасывается в атмосферу. По прибытию поршневых групп в крайние точки расхождения система управления прекращает подачу тока через катушку перемагничивания 21 и переводит клапаны 9, 13, 14, 15 в противоположные положения. Якоря 24 и 25 втягиваются друг в друга, поршневые группы сходятся, и происходит дополнительная продувка камеры сгорания 1.
Энергомодуль - машина двойного назначения. Рассмотрена работа в режиме электрогенератора. Для перевода энергомодуля в режим генератора газообразного рабочего тела с целью обеспечения пневматических машин газообразным рабочим телом открывается задвижка 26 и происходит выдача рабочего тела потребителю. При этом энергомодуль может действовать одновременно как генератор газообразного рабочего тела, так и как электрогенератор.
ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Однако, поскольку генерируемое энергомодулем газообразное рабочее тело на выходе имеет высокую температуру и, к тому же, состоит из продуктов сгорания, область его использования ограничена. Поэтому для расширения области применения необходимо на его выходе получать сжатый атмосферный воздух.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Генерирование сжатого атмосферного воздуха осуществляется путем его сбора из компрессорных полостей расширительных машин. С этой целью между компрессорными полостями (между обратными клапанами 10, 16) и камерой сгорания 1 устанавливается двухходовой воздухораспределительный клапан 27. В момент времени, когда в камеру сгорания 1 поступит необходимая для полного сгорания топлива масса воздуха, система управления переводит воздухораспределительный клапан 27 в правое положение. Теперь воздух из компрессорных полостей через обратные клапаны 10, 16 по каналу 11 через воздухораспределительный клапан 27 и канал 28 выдается потребителю сжатого воздуха. Дальше сжатый воздух может поступать непосредственно потребителю через обратный клапан или через ресивер (на чертеже не показаны). После выдачи потребителю определенной массы сжатого атмосферного воздуха система управления возвращает двухходовой воздухораспределительный клапан 27 в исходное положение и начинается очередной такт поршневых групп энергомодуля.
Таким образом, энергомодуль может функционировать как в режиме электрогенератора и генератора газообразного рабочего тела (продуктов сгорания), так и генератора сжатого атмосферного воздуха. Следует добавить, что для получения атмосферного сжатого воздуха после соответствующей модернизации могут использоваться любые свободнопоршневые машины с оппозитным движением поршней и внешней камерой сгорания, например, патенты: 2324060 «Свободнопоршневой генератор газов прямоточного двигателя с двумя поршнями привода компрессора»; 2324830 «Свободнопоршневой генератор газов прямоточного двигателя с одним поршнем привода компрессора»; 2342546 «Электрогенератор на основе свободнопоршневого двигателя с вынесенной камерой сгорания»; 2422655 «Двухцилиндровый свободнопоршневой энергомодуль с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором с оппозитным движением якорей»; 2468224 «Свободнопоршневой двухцилиндровый с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором энергомодуль двойного назначения»; 2474706 «Комбинированный свободнопоршневой электрогазогенератор».
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ генерирования сжатого в компрессорных полостях поршневых групп атмосферного воздуха свободнопоршневым энергомодулем с общей внешней камерой сгорания и оппозитным движением поршневых групп, включающим две расширительные машины с поршневыми группами энергомодуля, внешнюю камеру сгорания, установленный между компрессорными полостями и камерой сгорания двухходовой воздухораспределительный клапан и систему управления, отличающийся тем, что в момент времени, когда в камеру сгорания поступит необходимая для полного сгорания топлива масса сжатого в компрессорных полостях поршневых групп воздуха, система управления переводит двухходовой воздухораспределительный клапан в положение, при котором закрывается доступ сжатого в компрессорных полостях поршневых групп атмосферного воздуха  во внешнюю камеру сгорания и открывается путь потребителю сжатого в компрессорных полостях поршневых групп воздуха.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Затраты на НИОКР и производство заявленного изобретения не могут значительно отличаться от таковых при проектировании и отработки классических компрессоров. Требования к материалам и технологиям не выходят за рамки современных возможностей.
ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
Чертеж - свободнопоршневой двухцилиндровый энергомодуль с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором: 1 - камера сгорания; 2, 3 - поршень; 4, 5 - шток; 6 - форсунка; 7 - свеча зажигания; 8, 11, 28 - канал; 9, 13, 14, 15 - газораспределительный клапан; 10, 12, 16, 17 - обратный клапан; 18 - перепускной клапан; 19, 20 - статорный магнит; 21 - катушка перемагничивания; 22 - катушка генератора; 23 - плоскость сопряжения статорных магнитов; 24, 25 - якорь; 26 - задвижка; 27 - двухходовой воздухораспределительный клапан.