Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания с линейным электрическим трехфазным генератором

Полезная модель относится к области электротехники, точнее к линейным генераторам электрической энергии, и предназначена для использования в различных отраслях в качестве автономных источников энергии или в составе комбинированных энергоустановок в транспортном машиностроении.
Известен линейный генератор постоянного тока с приводом от свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания (патент RU на полезную модель №143160, опубл. 20.07.2014, бюл. №20). Линейный генератор содержит корпус с размещенными в нем статорной обмоткой возбуждения и якорь с постоянными магнитами, которые по числу и размерам соответствуют катушкам или катушечным группам статорной обмотки, а также датчики контроля положения якоря и электронную систему управления, содержащую ряд функциональных блоков, обеспечивающих требуемый алгоритм его работы. Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания (СПДВС) в нем выполнен в виде двух оппозитно закрепленных на корпусе цилиндров, каждый из которых содержит поршень, камеру сгорания, топливную форсунку, канал впуска воздуха и канал выпуска продуктов сгорания, причем поршни цилиндров взаимосвязаны между собой и с якорем общим штоком в единый подвижный вдоль центральной оси модуль. Электронная система управления линейного генератора дополнительно содержит блок определения положения модуля с датчиками перемещения модуля, выполненными индуктивными или магнитными; блок торможения и позиционирования модуля и систему векторного управления магнитным полем статорной обмотки, включающую в себя блок расчета векторов магнитного поля и силовой блок управления. СПДВС оснащен регулируемым турбокомпрессором, связанным с каналами впуска и выпуска и установленным на выходе канала выпуска выпускным клапаном с электромагнитным приводом, подключенным к электронной системе управления, а каждый из цилиндров дополнительно имеет устройство воспламенения рабочей смеси в камерах сгорания.
Недостатком известного генератора являются: сложность системы позиционирования поршней; невозможность вырабатывать трехфазное напряжение; сложность запуска двигателя.
Известен свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания с линейным электрическим генератором переменного тока, предназначенный для привода линейного электрического генератора, вырабатывающего переменный электрический ток, принятый за прототип (патент RU на изобретение №2150014, опубл. 27.05.2000, бюл. 15), выполнен в виде нескольких автономно работающих модулей. В состав каждого модуля входят два оппозитно расположенных цилиндра, в которых размещены поршни, соединенные с якорем линейного электрического генератора (постоянным магнитом). Раскрыт электронный блок управления, регулирующий работу органов топливоподачи в цилиндры в зависимости от отклонения частоты или периода повторения рабочих циклов в цилиндрах и отклонения фазы электрического тока. Оппозитные цилиндры могут быть объединены в общий корпус, преимущественно цилиндрической формы. Поршни могут быть объединены с якорем в общий двухсторонний поршень-якорь. Генераторы согласованно действующих модулей могут быть объединены, по меньшей мере, для части модулей.
С существенными признаками полезной модели совпадает следующая совокупность признаков прототипа: двигатель, выполненный в виде нескольких автономно работающих модулей, в состав каждого модуля входят два оппозитно расположенных цилиндра, в которых размещены поршни, соединенные с постоянным магнитом.
Недостатками прототипа являются: сложность системы позиционирования поршней; невозможность вырабатывать трехфазное напряжение; сложность запуска двигателя.
Полезная модель направлена на создание свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания с линейным электрическим трехфазным генератором высокой надежности.
Это достигается тем, что свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания с линейным электрическим трехфазным генератором содержит автономно работающие модули. В состав каждого модуля входят два оппозитно расположенных цилиндра, в которых размещены поршни, соединенные с постоянным магнитом. В предложенном решении модули закреплены на корпусе под углом 120°. Между модулями установлен вал, на котором выполнена непрерывная наклонная канавка для движения сферических тел. На торцах вала закреплены маховики с выступами для замыкания контактов зажигания. При этом поршни модулей соединены жестким штоком с держателем сферического тела.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен внешний вид двигателя без маховика, на фиг. 2 - разрез А-А фиг. 1, на фиг. 3 - вид с торца вала с наклонной канавкой и шарами, на фиг. 4 - вид вала с наклонной канавкой сбоку, на фиг. 5 - график изменения трехфазного напряжения на обмотках модулей.
Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания с линейным электрическим трехфазным генератором содержит корпус 1 с тремя автономно работающими модулями 2, 3, 4. При этом модули закреплены на корпусе под углом 120°. Между модулями 2, 3, 4 в корпусе 1 на подшипниках 5 установлен вал 6. В состав каждого модуля 2, 3, 4 входят два оппозитно расположенных цилиндра 7 и 8, в которых размещены поршни 9 и 10. На поршнях 9 и 10 модулей 2, 3, 4 закреплен жесткий шток 11. Жесткий шток 11 соединен с постоянным магнитом 12, который установлен внутри статора 13 с обмоткой 14. На поршнях 9 и 10 параллельно жесткому штоку 11 закреплен шток 15 с держателем 16 сферического тела 17, например шара. На валу 6 выполнена непрерывная наклонная канавка 18 для движения тел 17. На торцах вала 6 закреплены маховики 19 с выступами 20 для замыкания контактов зажигания 21 для подачи напряжения на свечу зажигания 22. Модули 2, 3, 4 закреплены, например болтами 23, на корпусе 1.
Двигатель работает следующим образом.
Исходное положение. Левый поршень 9 модуля 2 находится в левой мертвой точке, а его шар 17 в крайнем левом положении наклонной канавки 18. Левый поршень 9 модуля 3 находится на пути в левую мертвую точку, а его шар 17 - в наклонной канавке 18 в соответствии с 120° расположением модулей. Правый поршень 10 модуля 4 находится на пути в правую мертвую точку, а его шар 17 - в наклонной канавке 18 в соответствии с 120° расположением модулей. Так как постоянные магниты 12 не перемещаются относительно статора 13, напряжение на обмотке 14 равно нулю.
Маховик 19, вращаясь по часовой стрелке, своим выступом 20 замыкает контакт зажигания 21 на модуле 2, закрепленного на корпусе 1 болтом 23, и подает напряжение на свечу зажигания 22. В цилиндре 7 модуля 2 происходит рабочий ход. Поршень 9 жестким штоком 11 перемещает постоянный магнит 12 внутри статора 13 слева направо, наводя в обмотке 14 напряжение синусоидальной формы, создавая положительную полуволну, и сжимая правым поршнем 10 горючую смесь в цилиндре 8, а жестким штоком 15 с держателем 16 перемещает шар 17 по наклонной канавке 18, тем самым поворачивает вал 6, установленный на подшипнике 5 в корпусе 1, на 120° по часовой стрелке, предотвращая соударение поршня 10 с головкой цилиндр 8 (аналогично предотвращается соударение других поршней с головками цилиндров). Маховик 19 своим выступом 20 замыкает на цилиндре 8 контакт зажигания 21 и подает напряжение на свечу зажигания 22. В цилиндре 8 модуля 2 происходит рабочий ход. Поршень 10 жестким штоком 11 перемещает постоянный магнит 12 внутри статора 13 справа налево, наводя в обмотке 14 напряжение синусоидальной формы, создавая отрицательную полуволну, и сжимая левым поршнем 9 горючую смесь в цилиндре 7, а жестким штоком 15 с держателем 16 перемещает шар 17 по наклонной канавке 18, тем самым поворачивает вал 6, установленный на подшипнике 5 в корпусе 1, на 120° по часовой стрелке. Таким образом, модуль 2 завершил полный цикл свободнопоршневого двухтактного двигателя. Каждый из модулей 2, 3, 4, двигаясь своими шарами 17 по наклонной канавке 18, вращают вал 6, обеспечивая помещение поршней 9 в цилиндрах 7, 8 в мертвые точки с периодом 120°. Модули 3 и 4 работают аналогично модулю 2, порядок работы которого приведен выше.
При возвратно-поступательном движении поршней со штоками и закрепленным на них постоянным магнитом внутри статора и взаимодействия с обмотками статора наводит в них электродвижущую силу. В сущности это и есть принцип действия генератора со свободным поршнем, производящим электроэнергию непосредственно из линейного движения поршня без промежуточных механических звеньев. В предложенном двигателе, состоящем из трех модулей закрепленных на корпусе под углом 120°, роль позиционирования поршней, предотвращая их соударение с головками цилиндров, выполняет вал, на боковой поверхности которого выполнена непрерывная наклонная канавка, по которой во время работы двигателя прокатываются сферические тела, установленные на поршнях модулей через жесткий шток с держателем сферического тела, ограничивая ход поршней левой и правой мертвыми точками. При этом сам вал приобретает вращательное движение, обеспечивая, через наклонную канавку и шары, возвратно-поступательное движение поршней каждого из модулей со сдвигом 120°. При этом синусоидальное напряжение, которое наводиться в катушке статора: при движении магнита в каждом из модулей, тоже сдвинуто на 120°, а при соединении обмоток статоров модулей звездой или треугольником получаем трехфазное напряжение. За один оборот вала двигатель совершает шесть рабочих ходов. Запуск двигателя производится подачей напряжения на обмотки статора или поворотом маховика, в этом случае вал своей наклонной канавкой через шары приводят в возвратно-поступательное движение поршни всех трех модулей.
Полезная модель позволяет предотвратить соударение поршней с головками цилиндров, что повышает надежность свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания с линейным электрическим трехфазным генератором.
Помимо этого в предложенной полезной модели упрощаются системы позиционирования поршней, предотвращая их соударение с головками цилиндров; вырабатывается трехфазное напряжение; упрощается запуск двигателя и. Это приводит к повышению экономичности, экологичности, КПД и расширению возможностей по применению во многих областях промышленности.