Устройство для преобразования химической энергии топливно-воздушной смеси в электрическую (варианты)
DEVICE FOR CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY OF FUEL-AIR MIXTURE INTO ELECTRIC ENERGY (VERSIONS)

Изобретение относится к машиностроению и электроэнергетике, в частности к двигателестроению, а именно, к устройствам для преобразования химической энергии в электрическую, в частности, к двигателям внутреннего сгорания (ДВС).
В настоящее время существует острая проблема создания мобильных автономных мини-электростанций и электрогенераторов нового поколения, эффективно использующих энергию жидких и газообразных углеводородных топлив, в том числе, биогаза и других низкокалорийных топлив.
Известны многочисленные способы преобразования химической энергии в электрическую, в том числе, путем сжигания углеводородных и иных топлив в ДВС.
Применяемые в настоящее время различные мобильные автономные мини-электростанции представляют собой технические устройства в виде двух самостоятельных блоков, обеспечивающих в связке преобразование энергии органического топлива в электроэнергию [1]. Первый блок - это поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС), второй блок - собственно электрогенератор. Такая компоновка имеет существенные недостатки. Удельная масса энергоблока достигает большой величины ~20 кг/кВт. Отметим, что широко используемые энергоблоки не способны работать на низкокалорийном топливе, в частности, на биогазе.
В последнее время разработаны новые устройства преобразования химической энергии в электрическую на основе моноэнергоблока, построенного на базе линейного двигателя внутреннего сгорания со свободным поршнем [2-5]. На подвижном поршне устанавливаются постоянные магниты, а электрические катушки размещаются на неподвижном корпусе. При движении поршня с магнитами внутри катушек вырабатывается электрическая энергия. По своим энергетическим характеристикам такой электрогенератор внутреннего сгорания (ЭГВС) намного превосходит двухблочную энергоустановку, а по коэффициенту полезного действия приближается к топливным элементам. Другие важные преимущества ЭГВС данной конструкции для преобразования энергии:
- уменьшение числа движущихся деталей за счет исключения коленчатого вала и шатунов, которые входят в конструкцию ДВС;
- повышение жесткости и механической надежности конструкции двигателя;
- повышение ресурса и механического КПД двигателя вследствие упрощения конструкции;
- возможность динамического изменения степени сжатия в процессе работы не механическими способами, а установкой параметров системы управления. Возможность работы на больших степенях сжатия;
- возможность работы с различными видами топлива, в том числе, на низкокалорийном топливе и на смесях бедного состава;
- реализация различных режимов воспламенения и сгорания топлива;
- исключение стартера для запуска ДВС, так как вследствие обратимого действия генератора, система обладает свойством самозапуска;
- снижение расходов на производство.
По своим энергетическим характеристикам такой электрогенератор внутреннего сгорания намного превосходит двухблочную энергоустановку, а по коэффициенту полезного действия ~40% приближается к топливным элементам.
Становится возможной применение модульной конструкции двигательной установки в виде нескольких распределенных блоков, что приводит к новым принципам компоновки транспортных средств, а также повышает ее надежность при использовании в военных и других критических областях транспортной техники.
Однако приведенные в [2-5] конструкции обладают существенными недостатками. Основные из них:
1. Опасность столкновения поршней в двухпоршневой схеме генератора или удара поршня о торец цилиндра в однопоршневой схеме генератора на некоторых режимах работы при высокой степени сжатия. В обычном ДВС верхняя мертвая точка траектории поршня задается геометрией кривошипно-шатунного механизма, а в ДВС со свободным поршнем она зависит от степени сжатия и скорости сгорания топливовоздушной смеси. То есть, поршень тормозится противодавлением в камере. Как следствие, длительность тактов и верхняя мертвая точка могут меняться. А это значит, что при сбое в работе форсунки поршень может удариться в торец цилиндра. Возможность катастрофического удара подвижного поршня о крышку неподвижного цилиндра ограничивает степень сжатия величиной порядка 20. Для сбалансированной работы двигателя также необходим специальный механизм, который бы нивелировал разницу в процессах сгорания топлива в каждом из рабочих объемов.
2. Система ЭГВС с одним свободным поршнем и двумя торцевыми камерами сгорания принципиально не сбалансирована, поэтому работа такого ЭГВС происходит с сильными вибрациями, если отсутствует массивная основа.
3. Система ЭГВС с двумя свободными поршнями, перемещающимися в противоположных направлениях, и одной центральной камерой сгорания теоретически может быть сбалансированной. Однако такой генератор нуждается в сложной электронной системе управления и коррекции движения каждого поршня для обеспечения их синхронного движения.
Таким образом, существующие системы ЭГВС требуют сложных систем электронного контроля и управления за движением поршня из-за опасения его удара о крышку цилиндра, а в конструкции с двумя противоположно движущимися поршнями в одном цилиндре - из-за сложности организации синхронного движения поршней. Эти недостатки ограничивают КПД и возможность работать с очень бедными смесями у системы ЭГВС. Снижение КПД происходит также из-за конструктивной сложности обеспечения очень малого зазора между магнитами поршня и обмотками цилиндра.
В [6] предложена конструкция роторно-лопастного ДВС, состоящего из корпуса двигателя и двух роторов - лопастей, которые в положении задней стенки камеры сгорания стопорятся стопорным устройством. ДВС связан с электродвигателями-генераторами, при этом ротор одного электродвигателя-генератора связан с одним ротором роторно-лопастного ДВС, ротор другого электродвигателя-генератора связан с другим ротором роторно-лопастного ДВС, а статоры электродвигателей-генераторов связаны с корпусом роторно-лопастного ДВС. Данная конструкция имеет сложный и не эффективный двухблочный принцип компоновки с раздельными ДВС и электрогенераторами.
В [7] предложена конструкция свободнопоршневого ДВС линейного и роторного типа для превращения химической энергии топливно-воздушной смеси в нем в механическую. Известное устройство [7] включает свободный поршень, движущийся в цилиндрическом корпусе, снабженном впускным и выпускным клапанами и механизмом передачи энергии к внешней нагрузке, в котором цилиндрический корпус выполнен подвижным с возможностью поступательного или вращательного движения и соединен через приводы однонаправленного действия с двумя вращающимися в противоположных направлениях маховиками, связанными между собой и внешней нагрузкой единой трансмиссией. В данной конструкции преобразование химической энергии топливно-воздушной смеси в механическую осуществляют путем сжатия и сжигания топливно-воздушной смеси в ДВС со свободным поршнем или ротором, при этом механическая работа совершается при расширении продуктов сгорания и снимается в механическую нагрузку через свободный цилиндр или корпус ДВС.
Данная конструкция сложна и не эффективна, поскольку не позволяет организовать непосредственное без использования механических приводов преобразование химическую энергию топливно-воздушной смеси в электрическую.
Наиболее близкими к предлагаемому устройству являются конструкция ЭГВС на основе линейного ДВС [5] с одним свободным поршнем и неподвижным цилиндром. Она обладает всеми перечисленными выше недостатками, присущими ЭГВС на основе линейного ДВС.
Таким образом, решаемая техническая проблема заключается в том, что у существующих электрогенераторов внутреннего сгорания основной недостаток - принципиальная разбалансировка, приводящая к сильным вибрациям при работе такого ЭГВС, недостаточно высокий КПД из-за ограничения степени сжатия и невозможности обеспечить малый зазор между магнитами на поршне и катушками на цилиндре, для сбалансированной работы существующих электрогенераторов требуются сложные системы управления, что усложняет их конструкцию, возникают проблемы в работе таких установок на смесях очень бедного состава.
Технический результат заключается в достижении высокого уровня сбалансированности в работе заявленного электрогенератора, упрощение конструкции, в увеличении степени сжатия топливно-воздушной смеси от 50 и выше, увеличении КПД до 50% и выше, при работе на смесях очень бедного состава,
Решение поставленной технической проблемы достигается предлагаемым устройством для преобразования химической энергии топливно-воздушной смеси в электрическую, включающее цилиндр, свободный поршень, выполненный с возможностью поступательного движения в цилиндре, снабженном впускными и выпускными клапанами, электромагнитную систему.
Отличительной особенностью устройства является то, что цилиндр выполнен свободным, электромагнитная система содержит магниты, электрообмотки и магнитопровод, при этом магниты или магнитопровод расположены на свободном поршне, электрообмотки с магнитопроводом или магниты с электрообмотками установлены на свободный цилиндр.
В другом варианте устройство для преобразования химической энергии топливно-воздушной смеси в электрическую включает цилиндр, свободный поршень, выполненный с возможностью поступательного движения в цилиндре, снабженном впускными и выпускными клапанами, электромагнитную систему. Отличительной особенностью заявленного устройства является то, что магниты или магнитопровод установлены на свободный цилиндр, а электрообмотки с магнитопроводом или магниты с электрообмотками размещены в кольцевой системе вокруг свободного цилиндра.
В другом варианте устройство для преобразования химической энергии топливно-воздушной смеси в электрическую включает корпус, ротор, выполненный с возможностью колебательно - вращательного движения в корпусе, снабженном впускными и выпускными клапанами, электромагнитную систему. Отличительной особенностью заявленного устройства в таком варианте является то, что ротор и корпус выполнены свободными, свободный ротор связан с кольцевой системой, причем кольцевая система и свободный корпус снабжены электромагнитной системой.
Электромагнитная система устройства содержит магниты, электрообмотки и магнитопровод.
Магниты или магнитопровод в таком устройстве установлены на свободном корпусе.
Электрообмотки с магнитопроводом или магниты с электрообмотками в таком устройстве размещены в кольцевой системе вокруг свободного корпуса.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере нескольких предпочтительных вариантов его возможного осуществления (в линейном и роторном вариантах) со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - осевой разрез части устройства, выполненного в соответствии с настоящим изобретением (линейный вариант с электромагнитной системой). Устройство содержит свободный цилиндр (1)и свободный поршень (2), свободный цилиндр (1) снабжен впускными (3) и выпускными (4) клапанами. Магниты (5) расположены на свободном поршне (2), и электрообмотки с магнитопроводом (6) установлены на свободный цилиндр (1);
на фиг. 2 - осевой разрез части устройства, выполненного в соответствии с другим вариантом (линейный вариант с электромагнитной системой). Устройство содержит свободный цилиндр (1) и свободный поршень (2), свободный цилиндр (1) снабжен впускными (3) и выпускными (4) клапанами. Магнитопровод (6) установлен на свободный цилиндр (1), магниты (5) с электрообмотками размещены в кольцевой системе вокруг свободного цилиндра (1);
на фиг. 3 - осевой разрез части устройства, выполненного в соответствии с другим вариантом (роторный вариант с электромагнитной системой). Устройство содержит свободный корпус (7) и свободный ротор (8), свободный корпус (7) снабжен впускными (3) и выпускными (4) клапанами, магнитопровод (6) установлен на свободный корпус (7),магниты (5)с электрообмотками размещены в кольцевой системе вокруг свободного корпуса(7). Свободный ротор (8) связан с электромагнитной системой.
В вариантах исполнения генератора, когда магнитопровод установлен на свободном поршне и магниты с электрообмотками на свободный цилиндр существенно упрощается конструкция, увеличивается надежность устройства за счет улучшения температурного режима для магнитов.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Свободный поршень (2) при своем возвратно-поступательном движении сжимает воздух, например, в левой полости устройства, в которую через впускной клапан (3) во время такта сжатия впрыскивается топливо. В варианте адиабатического сжатия топливно-воздушной смеси бедного состава, не способной к самостоятельному горению, происходит ее нагрев до высокой температуры порядка 1000 K. В результате нагрева скорость реакций химического превращения возрастает по экспоненциальному закону и происходит объемное выделение тепловой энергии, приводящее к дополнительному увеличению давления сжатого газа. Свободный поршень (2) и свободный цилиндр (1) начинают двигаться в противоположных направлениях. В момент прохождения поршнем выпускного клапана (4) последний открывается и происходит истечение продуктов химической реакции из левой полости и ее продувка воздухом через открывающийся впускной клапан (3). Свободный поршень(2) при своем дальнейшем движении совершает аналогичный цикл в правой полости устройства. Свободный поршень (2) перемещает магниты (5) или магнитопровод (6) в полости электромагнитной системы, в которой возникает электрический ток, передающийся в нагрузку. Подобным образом передается энергия движения поршня в правом направлении. Рассмотренный режим работы состоит из двух тактов: сжатие с впрыском топлива - рабочий ход с продувкой. Возможна также работа устройства в режиме четырех тактов: продувка-впрыск топлива - сжатие - рабочий ход.
В вариантах исполнения генератора, представленного на фиг. 2, когда свободный поршень (2) не содержит магнитов (не показаны на рисунке), он играет роль инерционной стенки. Магнитопровод (6) (или магниты (5)) размещен на свободном цилиндре (1), а электрообмотки с магнитами (5) (или магниты (5) с магнитопроводом (6)) неподвижны и размещается в кольцевой системе вокруг свободного цилиндра (1). В этих вариантах магниты (5) вынесены из свободного цилиндра (1) и это существенно упрощает конструкцию, увеличивает надежность генератора. Работа впускного (3) и выпускного (4) клапанов происходит аналогично варианту фиг. 1.
Размещение электромагнитной системы вне свободного цилиндра (1) позволяет значительно уменьшить зазор между движущимися частями электромагнитной системы (до 0.1 мм), что приводит к увеличению магнитного потока, а, следовательно, к увеличению КПД преобразования химической энергии в электрическую. Перенос тяжелых магнитов (5) и электрообмоток на кольцевую систему вокруг свободного цилиндра (1) существенно уменьшает вес свободного поршня (2) и свободного цилиндра (1) (в линейном варианте) что приводит к увеличению частоты их колебаний и, следовательно, к увеличению КПД преобразования химической энергии в электрическую.
Возможна реализация многоцилиндровой системы при объединении и одновременном использовании нескольких подобных устройств при их работе на общую нагрузку.
В роторном варианте (фиг. 3) свободный ротор (8) связан с подвижной кольцевой электромагнитной системой, устанавливаемой вокруг свободного (подвижного) корпуса (7). В данном варианте магниты (5) вынесены из свободного корпуса (7) и это существенно упрощает конструкцию, увеличивает надежность генератора, а связь свободного ротора (8) с подвижной кольцевой электромагнитной системой обеспечивает идеальную сбалансированность работы генератора.
Работа генератора в роторном варианте подобна работе генератора, описанной для варианта фиг. 1. свободный ротор (8) при своем возвратно-вращательном движении сжимает воздух попеременно в левой и правой полостях устройства, который поступает через выпускной клапан (4) и соответствующий впускной(3) клапан. Во время такта сжатия впрыскивается топливо. Свободный корпус (7) с магнитопроводом (6) перемещается в полости электромагнитной системы, в которой возникает электрический ток, передающийся в нагрузку. Истечение продуктов химической реакции происходит через выпускной клапан (4) и соответствующий впускной(3) клапан во время такта расширения.
В описанных конструкциях устройства нет проблемы удара свободного поршня (ротора) о головку свободного цилиндра (корпуса) при большой степени сжатия в случае сбоя в работе форсунки, поскольку цилиндр (корпус) также свободный. Снимается также серьезная проблема электронного контроля работы ДВС и управления системой подачи топлива. По существу, реализуется схема «идеального» сбалансированного роторного электрогенератора с той только особенностью, что движение «якоря» и «статора» обусловлено прямым действием давления от сжигания топливовоздушной смеси. При взаимном перемещении свободного цилиндра или свободного корпуса с магнитами (магнитопроводом) относительно неподвижной или связанной с ротором системой электрообмоток или магнитов с электрообмотками, происходит изменение магнитного потока, и в электрообмотке индуцируется ЭДС. Отметим, что и в линейном и в роторном вариантах относительная скорость перемещения магнитов относительно электрообмоток выше, по сравнению с вариантом с неподвижной электромагнитной системой. Это увеличивает эффективность ЭГВС. В роторном варианте возможна подача свежей смеси и выпуск продуктов сгорания через полый вал с клапанами оконного типа, что существенно упрощает и облегчает конструкцию ЭГВС.
Принципиальным результатом проведенных испытаний является установление возможности непосредственного, минуя механические приводы, преобразования химической энергии топлива в электрическую.
В предполагаемой конструкции химическая энергия топлива при его сжатии и сжигании преобразуется в электрическую энергию при взаимном движении свободного цилиндра или корпуса, снабженных электромагнитной системой. Возможны варианты линейного и роторного ЭГВС.
Полученные нами результаты позволили предложить конструкцию ЭГВС для преобразования химической энергии топливно-воздушных смесей в электрическую, принципиально отличающиеся от известных (см. таблицу 1). В конструкции генератора со свободными поршнем (ротором) и цилиндром (корпусом) возможно существенное увеличение степени сжатия до 50, что обеспечивает увеличение КПД до 50 и выше, возможность работы на смесях очень бедного состава, обеспечивающее улучшение экологических характеристик ЭГВС.
Результаты расчетов подтверждают, что электрическое КПД для заявленных вариантов ГВС составляет от 50 и более %.
Входные параметры для выполнения расчета: линейный генератор с внутренним расположением магнитов длиной 400 мм, диаметром 80 мм, длиной поршня 120 мм. Массы поршня и цилиндра одинаковы 3 кг, горение метано-воздушной смеси с коэффициентом избытка воздуха 1.5, степень сжатия 20-40, давление сжатия 60-80 атм.
В отличие от процесса горения смеси в цилиндре обычного ДВС, где неравномерное смешение топлива с воздухом приводит к неполному сгоранию топлива и, следовательно, к ухудшению экономических и экологических характеристик двигателя, в предлагаемой конструкции со свободными поршнем (ротором) и цилиндром (корпусом) возможна высокая полнота химического превращения по всему объему сжимаемого газа при высокой степени сжатия без опасения столкновения свободных элементов, поскольку скорость процесса слабо зависит от локальной концентрации топлива. В смесях, не способных к самостоятельному горению и для смеси с большим избытком окислителя снижаются требования к продувке цилиндра перед его заполнением свежей порцией смеси. Это упрощает конструкцию устройства, делает эффективным использование двухтактного цикла работы устройства, расширяется класс возможных топлив. Из-за снижения рабочей температуры уменьшаются тепловые потери, а увеличенный рабочий ход свободного поршня по сравнению с обычным ДВС позволяет уменьшить температуру "холодильника" и тем самым увеличить термодинамический КПД устройства. Важным достоинством устройства является возможность регулирования его мощности в более широком диапазоне изменения состава смеси. При связанной работе нескольких устройств отсутствует необходимость синхронизации движения перемещающихся элементов, если система идеально сбалансирована.
Использование изобретения позволит добиться превращения химической энергии топлива в электрическую при уменьшении вредных компонентов в продуктах химического превращения, увеличить полноту химического превращения, расширить класс используемых топлив и за счет снижения тепловых потерь, увеличения термодинамического и электрического КПД и упрощения конструкции и сбалансированной работы устройства повысить его эффективность.
Список документов
1. Газопоршневая электростанция. Патент РФ № 2411378, F02B 63/04.
2. Васильев Ю.Н. и др. Свободнопоршневые двигатели-компрессоры для газовой промышленности. Ж. "Газовая промышленность", №2, 1992,
3. Blarigan P.V. 2001. Advanced internal combustion electrical generator // Proceedings of the 2001 DOE Hydrogen Program Review. 23 p.
4. Духанин В.И., Кецарис А.А. Анализ конструкции автомобильного генератора возвратно-поступательного движения // Известия МГТУ «МАМИ», 2012, №2(14). С. 97-104.
5. Patent US 6541875 B1, May 17, 2000.
6. Патент РФ 2237817, 09.01.2003.
7. Патент РФ 2138656, 26.06.1998.