СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ ДВИЖЕНИЯ ПОРШНЕЙ СПАРЕННОГО ДВУХЦИЛИНДРОВОГО СВОБОДНОПОРШНЕВОГО ЭНЕРГОМОДУЛЯ
PISTONS LINE SYNCRONIZATION TECHNIQUE IN A COUPLED DOUBLE-CYLINDER FREE-PISTON ENGINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области энергомашиностроения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ближайшим аналогом заявленного способа синхронизации движения поршней спаренного двухцилиндрового свободнопоршневого энергомодуля является «Нагрузочный способ синхронизации движения поршней свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания», патент 2328607. Двигатель состоит из системы управления и двух единичных энергомодулей, преобразующих экзотермическую энергию моторного топлива в электроэнергию, - «Электрогенератор на основе свободнопоршневого двигателя с вынесенной камерой сгорания», патент 2342546. При работе единичного энергомодуля в результате реакции колебательного движения поршней и якоря возникает вибрация корпуса - вибрация первого порядка. Кроме того, на характер движения поршней оказывает влияние неточность изготовления цилиндров и поршней, непредсказуемое перемещение двигателя в пространстве и т.д., что вызывает вибрации корпуса второго порядка. Для нейтрализации вибраций первого порядка единичные энергомодули взаимно ориентированы так, что оси симметрии их поршней и якорей располагаются на одной геометрической прямой, а их движение тем или иным способом организуется оппозитно. Для нейтрализации вибраций второго порядка необходима специальная организация синхронизации движения поршней и якорей. Для этого система управления отслеживает величины скоростей поршней и якорей каждого единичного энергомодуля, сравнивает их и по сигналу рассогласования их скоростей уменьшает нагрузку на тот единичный энергомодуль, скорость поршней и якоря которого меньше скорости поршней и якоря другого единичного энергомодуля.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Рассматриваемый способ синхронизации движения поршней и якорей относится к двухцилиндровому свободнопоршневому энергомодулю с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором - заявка на получение патента №2010114134 «Двухцилиндровый свободнопоршневой энергомодуль с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором с оппозитным движением якорей». Решение о выдаче патента от 18.03.2011 г.
Энергомодуль преобразует экзотермическую энергию моторного топлива в электроэнергию. В его состав входят две расширительные машины, поршни которых соединены с якорями линейного электрогенератора, линейный электрогенератор, общая внешняя камера сгорания и система управления. Действует он следующим образом.
Продукты сгорания из камеры сгорания 1 (см. чертежи) по трубопроводу 2 через газораспределительный клапан 3 поступают в правую (по чертежу) торцевую полость поршня 4 левой расширительной машины 5, а по трубопроводу 6 и через газораспределительный клапан 7 - в левую торцевую полость поршня 8 правой расширительной машины 9. Под действием расширяющихся продуктов сгорания поршни расширительных машин 4, 8 и соединенные с ними якоря линейного электрогенератора 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 их магнитные потоки 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 чертеже 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 торцевую полость поршня 17 левой расширительной машины 5, а по трубопроводу 6 и через газораспределительный клапан 16 - в правую торцевую полость поршня 18 правой расширительной машины 9. Поршни расширительных машин и соединенные с ними якоря генератора начинают сходиться, и в статорной катушке 14 генерируется импульс противоположного знака. При расхождении поршней отработавшие продукты сгорания выбрасываются в атмосферу через газораспределительные клапаны 15 и 16, а при схождении - через газораспределительные клапаны 3 и 7. Одновременно через обратные клапаны 19, 20, 21, 22 из соответствующих полостей поршней расширительных машин по трубопроводам 23, 24 в камеру сгорания 1 подается воздух, обеспечивающий процесс горения топлива, а через обратные клапаны 25, 26, 27, 28 засасывается воздух из атмосферы.
Синхронизация движения поршней и якорей осуществляется следующим образом. Предположим, что скорость поршней и якорей расширительной машины 5 меньше, чем скорость таковых расширительной машины 8. Система управления переводит один из газораспределительных клапанов 7 или 16 в противоположное положение. Если переводится газораспределительный клапан 7, то левая полость поршня 8 и правая полость поршня 18 через газораспределительные клапаны 7 и 16 соединяются с атмосферой, и расширительная машина 9 прекращает преобразовывать энергию расширяющихся продуктов сгорания в механическую энергию движения поршней. Скорость движения поршней расширительной машины 9 уменьшается. В момент времени, когда скорость его поршней достигнет значения, обеспечивающего одновременность прибытия поршней обоих расширительных машин в точки схождения или расхождения, система управления переводит газораспределительный клапан 7 или 16 в противоположное положение. Если же переводится в противоположное положение газораспределительный клапан 16, продукты сгорания поступают в обе полости поршней расширительной машины 9, давление продуктов сгорания в них уравнивается и происходит то же самое, что и в предыдущем случае. Если скорость поршней расширительной машины 9 меньше, чем скорость расширительной машины 5, система управления в отношении газораспределительных клапанов 3 и 15 действует в обратном порядке.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ синхронизации движения поршней спаренного двухцилиндрового свободнопоршневого энергомодуля, включающего систему управления и два единичных однотактных свободнопоршневых энергомодуля с оппозитным движением поршней, отличается тем, что система управления спаренного энергомодуля отслеживает значение скоростей поршней единичных энергомодулей и, если скорости их поршней не равны, система управления переводит газораспределительный клапан единичного энергомодуля, скорость поршней которого больше скорости поршней другого единичного энергомодуля, в противоположное положение, в результате этот единичный энергомодуль прекращает преобразовывать энергию расширяющихся продуктов сгорания в механическую энергию движения поршней на время, обеспечивающее одновременность прибытия поршней обоих единичных энергомодулей в точки схождения или расхождения, после чего система управления переводит газораспределительный клапан в исходное положение.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Промышленная применимость заявленного способа синхронизации движения поршней свободнопоршневых машин подтверждается патентами 2328607, 2324829, 2415286, 2345232. Кроме того, возможность создания заявленной системы автоматической синхронизации движения поршней свободнопоршневых машин подтверждается всем многолетним развитием систем автоматического управления (САУ). Например, цитата.
БОЛЬШОЙ ЭНЦИКЛОПЕДИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ
Научное издательство «Большая российская энциклопедия», Москва, 1998
Статья «СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ (САУ)», стр.483
«СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ (САУ)» - комплексное устройство, предназначенное для автоматического изменения одного или нескольких параметров объекта управления с целью установления требуемого режима его работы. САУ обеспечивает поддержание постоянства заданных значений регулируемых параметров или их изменение по заданному закону (система стабилизации, программного управления, следящие системы) либо оптимизирует определенный критерий управления (системы экстремального регулирования, оптимизации управления). При значительных изменениях параметров объекта управления и характеристик возмущений и помех применяются самонастраивающиеся системы. Для осуществления цели управления с учетом особенностей управляемых объектов на них подаются управляющие воздействия, которые предназначены также для компенсации внешних возмущающих воздействий, стремящихся нарушить нормальное функционирование объекта. Управляющие воздействия вырабатываются устройством управления.
По типу управления САУ подразделяются на замкнутые, разомкнутые и комбинированные. Основной тип САУ - замкнутые, в которых цепь прохождения сигналов образует замкнутый контур, включающий устройство управления и управляемый объект; отклонение управляемой величины от желаемых значений компенсируется воздействием через обратную связь вне зависимости от причин, вызвавших эти отклонения. Такое управление называется управлением по отклонению. В разомкнутых САУ управление ведется по жесткой программе без анализа и учета каких-либо факторов в процессе работы управляемого объекта - на устройство управления не поступают сигналы, несущие информацию о текущем состоянии управляемого объекта управления, иногда измеряются и компенсируются лишь главные из возмущений (помех). Такое управление называется управлением по возмущению. В комбинированных САУ используются оба принципа управления (по отклонению и по возмущению). В САУ со сложными техническими системами (например, производственными и энергетическими комплексами, транспортными средствами) или технологическими процессами с большим числом регулируемых параметров широко применяются средства вычислительной техники - микропроцессоры, ЭВМ, управляющие машины.
Кроме того, конкретно для нужд двигателестроения можно привести множество изданий по данной тематике - от Д.Уатта до наших дней. Например, В.И.Крутов АВТОМАТИЧЕКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, Москва, 1963. Принцип действия системы автоматической синхронизации движения поршней свободнопоршневых машин аналогичен таковому всех регулируемых систем ДВС. См. стр.28-34, «Структурные схемы систем автоматического регулирования».
ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
На чертеже представлен спаренный двухцилиндровый свободнопоршневой энергомодуль.
1 - камера сгорания, 2, 6, 23, 24 - трубопровод, 3, 7, 15, 16 - газораспределительный клапан, 4, 8, 17, 18 - поршни расширительной машины, 5, 9 - расширительная машина, 10, 11 - якорь, 12 - катушка подмагничивания якоря, 13 - статорный магнит, 14 - статорная катушка, 19, 20, 21, 22, 25, 26, 27, 28 - обратный клапан.