ГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к энергетическим установкам, в частности, к устройствам, вырабатывающим электрическую энергию и может быть использовано на автомобилях, мотоциклах, судах, железнодорожном транспорте, тракторах, в авиационной, бытовой технике в виде вспомогательных двигателей транспортных механизмов на передвижных или переносных электростанциях, электросварочных агрегатах.
Известен свободнопоршневой двигатель, содержащий дизельный двигатель внутреннего сгорания, линейный генератор и систему подачи топлива. Двигатель представляет собой цилиндр с торцевыми камерами сгорания, в районе которых расположены впускные и выпускные клапаны, внутри цилиндра расположены поршни, соединенные штоком. Генератор состоит из статора, якоря и систем возбуждения и снятия нагрузки. Система подачи топлива представляет собой форсунки, расположенные в торцевых частях цилиндра и предназначенные для подачи топлива в камеру сгорания.
См. а.с. СССР №985365 по кл. МПК-5 F02B 71/04, заявл. 21.01.81 г., опубл. 30.12.82 г. «Свободнопоршневой двигатель».
Однако, такой двигатель имеет существенные недостатки, которые не позволили ему найти широкое применение. К числу этих недостатков следует отнести то, что при работе устройства движение одного поршня используется для возбуждения магнитного поля в другом. Это приводит к потере рабочего процесса первого поршня для производства энергии на токосъем. Неполное использование рабочего процесса двухтактного дизельного двигателя для производства энергии на токосъем является причиной низкого КПД. Кроме того, от перегрева обмоток до температуры 500-600°C их магнитные свойства снижаются, что также понижает КПД устройства в целом.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту, выбранным в качестве ближайшего аналога является генератор, конструкция которого является интегрированной конструкцией двух- или четырехтактного ДВС с линейным электрическим генератором, содержащий неподвижный корпус, поршневую группу, магнитную систему, систему клапанов и каналов, обеспечивающих подачу дизельного топлива, атмосферного воздуха, систему выпускных отверстий. См. Доклад «Автомобильный генератор возвратно-поступательного движения. Анализ конструкции» на Международной научно-технической конференции ААИ «АВТОМОБИЛЕ- и ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ в РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКИ КАДРОВ», посвященная 145 летаю МГТУ «МАМИ» 17 ноября 2010 г. МГТУ «МАМИ» Москва, стр.3.
Магнитная система размещена внутри конструкции статора с системой обмоток, при возвратно-поступательном движении штока с закрепленным на нем магнитной системой внутри статора и взаимодействия их магнитных полей происходит возникновение электродвижущей силы в обмотках статора, осуществляется принцип действия генератора со свободным поршнем, производящим электроэнергию непосредственно из линейного движения поршня без промежуточных механических звеньев.
Недостатком известного технического решения является низкий уровень выработки энергии, низкая частота получаемого тока, необходимость установки вспомогательных устройств, обеспечивающих работу генератора: это система смазки, система охлаждения, турбина для продувки камеры сгорания и инжектор, либо карбюратор для смешивания топлива, что усложняет конструкцию генератора и не обеспечивает необходимого КПД.
Задачей настоящей полезной модели является увеличение КПД и ресурса работы генератора.
Техническим результатом, позволяющим решить эту задачу является снижение трения.
Поставленная задача достигается тем, что в генераторе, содержащем неподвижный корпус, цилиндро-поршневая группу из цилиндра внутреннего сгорания и поршня с, по меньшей мере, одним штоком, электромагнитную систему, системы клапанов и каналов, обеспечивающих подачу топлива, атмосферного воздуха, систему выпускных отверстий, согласно полезной модели, цилиндро-поршневая группа включает, по меньшей мере, один цилиндр внутреннего сгорания, который расположен внутри подвижного элемента, который вращается посредством подшипников и электромагнитной системы, содержащей катушки с щетками, на валу, который связан с устройством для засасывания воздуха с возможностью подачи воздуха внутрь вала, шток поршня расположен внутри масляной трубки, соединенной с ресивером, наполненным газом и снабженным мембраной, при чем масляная трубка снабжена регулировочным клапаном, внутри поршня установлен клапан с пружиной, вал выполнен полым с возможностью подачи в него топлива от топливного насоса, поршень выполнен в виде сосуда, наполненного маслом.
При выполнении цилиндро-поршневой группы из двух цилиндров, цилиндры могут быть расположены под углом 179-181° относительно друг друга.
При выполнении цилиндро-поршневой группы из трех цилиндров, цилиндры могут быть расположены под углом 119-121° относительно друг друга.
При выполнении поршня с штоками более одного, штоки выполнены параллельно друг другу.
Система клапанов может включать впускной клапан подачи воздуха, устройство впрыска топлива в виде форсунки и выпускной клапан.
Система каналов может включать воздушный канал и топливный канал.
Проведенные исследования по патентным и научно-техническим источникам информации свидетельствуют о том, что предлагаемый генератор не известен, а, следовательно, соответствует критерию «новизна».
Предлагаемый генератор может быть изготовлен на любом предприятии, специализирующемся в данной отрасли, так как для этого требуются известные материалы и стандартное оборудование, широко выпускаемое отечественной и зарубежной промышленностью.
Таким образом, заявляемый генератор соответствует критерию «промышленная применимость».
Предлагаемая совокупность существенных признаков сообщает заявленному генератору новые свойства, позволяющие решить поставленную задачу, а именно: увеличение КПД и ресурса работы устройства.
Расположение, по меньшей мере, одного цилиндра внутреннего сгорания внутри подвижного элемента, который вращается посредством подшипников и электромагнитной системы, содержащей катушки с щетками, на валу, который связан с устройством для засасывания воздуха с возможностью подачи воздуха внутрь вала, позволяет подвижному элементу вращаться с большей скоростью, большая скорость вращения подвижного элемента приводит к тому, что электрический ток, полученный при вращении подвижного элемента будет более высокого качества при малых затратах топлива, что повышает КПД генератора.
Расположение штока поршня внутри масляной трубки, соединенной с ресивером, наполненным газом и снабженным мембраной, при этом масляная трубка снабжена регулировочным клапаном позволяет контролировать движение поршня, удерживая его в определенном положении, замедляя обратное движение поршня, что в свою очередь увеличивает возникающую центробежную силу и соответственно ей скорость вращения подвижного элемента. Скорость вращения подвижного элемента увеличивает частоту электрического тока, возникающего при его вращении, а большая скорость вращения подвижного элемента приводит к тому, что электрический ток, полученный при вращении подвижного элемента, будет более высокого качества при малых затратах топлива, что также повышает КПД генератора.
Установка внутри поршня клапана с пружиной обеспечивает быструю подачу воздуха из верхней части цилиндра в нижнюю, тем самым осуществляется быстрая продувка камеры сгорания от отработавших газов. Продувка позволяет эффективно очищать камеру сгорания от отработавших газов, а удаление отработавших газов из камеры сгорания дает возможность следующей порции топлива сгорать более полно, более эффективно, что опять-таки повышает КПД генератора. Кроме того, продувка камеры сгорания воздухом позволяет эффективнее ее охлаждать и позволяет отказаться от установки дополнительно системы охлаждения.
Выполнение вала полым с возможностью подачи в него топлива от топливного насоса позволяет быстро доставить топливо в цилиндр, в результате обеспечивается быстрая и бесперебойная подача топлива от неподвижного топливного насоса к подвижному элементу. Бесперебойная подача топлива приводит к равномерному движению поршней внутри цилиндров, происходит уравновешивание сил, возникающих при их движении, а равномерное распределение сил приводит к равномерному вращению подвижного элемента, что позволяет получить ток более высокого качества и повышает КПД генератора.
Выполнение поршня в виде сосуда наполненного маслом позволяет поршню смазывать самого себя при возвратно-поступательном движении внутри цилиндра, что позволяет отказаться от установки сложной масляной системы и повысить ресурс работы всего устройства.
Расположение цилиндров под углом 179-181° при выполнении цилиндро-поршневой группы из двух цилиндров позволяет равномерно распределить силы, возникающие при движении поршней. Движение каждого поршня можно разделить на два такта: первый такт, когда поршень расположен максимально близко к центру, второй такт, когда поршень максимально удален от него. Соответственно один поршень максимально близко к центру, а второй в этот же время максимально удален от него, при таком положении поршней силы, возникающие при их движении, будут полностью уравновешенны, что приводит к равномерному движению вращения подвижного элемента, а равномерное вращение подвижного элемента дает возможность получение тока более высокого качества при малых затратах топлива и в результате повышает КПД генератора.
Расположение цилиндров под углом 119-121° при выполнении цилиндро-поршневая группы из трех цилиндров обеспечивает еще более равномерное распределение сил при вращении подвижного элемента. Поршни будут находиться на равномерном расстоянии друг от друга, что уравновешивает силы, возникающие при их движении. Движение поршня можно разделить на три такта. Первый такт, когда поршень расположен максимально близко к центру, второй такт, когда поршень максимально удален от центра, третий такт, когда поршень находится в среднем положении: между первым и вторым. При таком положении поршней силы, возникающие при их движении, полностью уравновешенны, что приводит к равномерному движению вращения подвижного элемента и увеличивает ресурс работы генератора. Кроме того, каждый поршень служит границей между катушками, установленными на валу, тем самым катушки делятся на три части. За один оборот вала получается электрическая энергия от трех катушек таким образом при одном обороте подвижного элемента получается трехфазный ток, который широко используется в электротехнике. Высокое качество получаемого тока при малых затратах топлива говорит о повышении КПД генератора.
Выполнение штоков параллельными друг другу при выполнении поршня с штоками более одного обеспечивает более равномерное движение поршня внутри цилиндра, что в свою очередь приводит к снижению вибрации и более равномерному вращению подвижного элемента, а это дает возможность получения тока более высокого качества и повышает КПД генератора.
Включение в состав системы клапанов впускного клапана подачи воздуха, устройства впрыска топлива и выпускного клапана позволяет смешивать топливо внутри камеры сгорания и позволяет отказаться от дополнительных устройств в виде карбюратора или инжектора, что повышает КПД генератора.
Включение в состав системы каналов воздушного канала и топливного канала позволяет быстро и бесперебойно обеспечивать цилиндры воздухом и топливом, что приводит к более равномерному движению поршней внутри цилиндра. В результате уравновешиваются силы, возникающие при их движении. Равномерное распределение сил приводит к равномерному вращению подвижного элемента, а равномерное вращение подвижного элемента дает получение тока более высокого качества при малых затратах топлива, что повышает КПД генератора.
Таким образом, совокупность существенных признаков предлагаемого генератора позволяет увеличить его коэффициент полезного действия (КПД) и ресурс работы.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется схематичными чертежами, на которых изображены:
На Фиг. 1 - изображен общий вид генератора;
На Фиг. 2 - разрез А-А фиг. 1;
На Фиг. 3 - показано место А фиг. 2
Генератор содержит неподвижный корпус 1, цилиндро-поршневую группу из цилиндра 2 внутреннего сгорания и поршня 3 с, по меньшей мере, одним штоком 4, электромагнитную систему 5, систему клапанов (не показано), систему каналов (не показано), обеспечивающих подачу топлива, атмосферного воздуха, систему 6 выпускных отверстий, цилиндро-поршневая группа включает, по меньшей мере, один цилиндр 2 внутреннего сгорания, который расположен внутри подвижного элемента 7, который вращается посредством подшипников 8 и электромагнитной системы 5, содержащей катушки 9 с щетками 10, на валу 11, который связан с устройством для засасывания воздуха 12 с возможностью подачи воздуха внутрь вала 11, шток 4 поршня 3 расположен внутри масляной трубки 13, соединенной с ресивером 14, наполненным газом и снабженным мембраной 15, при этом масляная трубка 13 снабжена регулировочным клапаном 16, внутри поршня 3 установлен клапан 17 с пружиной 18, вал 11 выполнен полым с возможностью подачи в него топлива от топливного насоса (на чертеже не показан), поршень 3 выполнен в виде сосуда, наполненного маслом.
При выполнении цилиндро-поршневой группы из двух цилиндров, цилиндры 2 расположены под углом 179-181° относительно друг друга.
При выполнении цилиндро-поршневой группы из трех цилиндров, цилиндры расположены под углом 119-121° относительно друг друга.
При выполнении поршня с штоками в количестве более одного штоки выполнены параллельно друг другу.
Система клапанов может содержать впускной клапан 19 подачи воздуха, устройство 20 впрыска топлива и выпускной клапан 21.
Система каналов может содержать воздушный канал 22 и топливный канал 23.
Генератор работает следующим образом при варианте использования трех рабочих цилиндров: до первого пуска генератора необходимо зафиксировать поршни 3 в положении максимально близко к центру подвижного элемента 7, фиксацию поршней в этом положении осуществляют перекрытием подачи масла в регулировочные клапана 16. Пуск генератора осуществляют за счет подачи электрического тока на электромагнитную систему 5: катушки 9, щетки 10; подвижный элемент 7 приходит в движение, начинает вращение с помощью подшипников 10, в полый внутри вал 11 от топливного насоса поступает топливо, далее из вала 11 топливо попадает внутрь подвижного элемента 7, при вращении вала 11, устройство для засасывания воздуха 12, расположенное на валу, засасывает воздух из атмосферы, из устройства для засасывания воздуха 12 воздух попадает внутрь подвижного элемента 7. Топливо и атмосферный кислород смешивается и происходит сгорание топлива внутри подвижного элемента 7, отработавшие газы выходят через систему 6 выпускных отверстий. Выход отработавших газов происходит в направлении, обратном вращению подвижного элемента, за счет чего осуществляется его реактивное движение.
Когда поршни 3 расположены у центра подвижного элемента 7, штоки 4 перемещены вместе с ними и расположены внутри масляных трубок 13, штоки давят на масло в масляных трубках, масло давит на мембрану 15, мембрана давит на газ, находящийся внутри ресивера 14, и сжимает газ, увеличивает его давление. При открытии регулировочных клапанов 16 поршни 3 под действием давления газа в ресивере 14 и центробежной силы начинают двигаться в сторону от центра подвижного элемента 7. Из вала 11 в цилиндры 2 поступает топливо по топливным каналам 23 через устройство 20 впрыска топлива (которое представляет собой или топливную форсунку, или клапан), там оно смешивается с воздухом, который находится в устройстве до первого пуска генератора, устройство 20 впрыска топлива закрывается. Из вала 11 в цилиндры 2 по воздушным каналам 22 через впускной клапан 19 поступает воздух, так как клапан 17 внутри поршня 3 закрыт, поршень 3 опускается вниз и сжимает топливную смесь, происходит взрыв топливной смеси. Такие процессы происходят в каждом из цилиндров.
Чтобы вращение было равномерным должно быть поочередное, а не одновременное включение в работу поршней.
Взрыв топливной смеси внутри цилиндра приводит к тому, что поршень 3 начинает движение к центру подвижного элемента. Такое движение приводит к тому, что поршень начинает двигать штоки 4 внутри масляных трубок 13, штоки давят на масло внутри ресивера 14, масло давит на мембрану 15, мембрана сжимает газ внутри ресивера, кроме того, поршень сжимает воздух в верхней части цилиндра 2, поступающий из впускного клапана 19. Когда поршень 3 достигает положение максимально близкого к центру подвижного элемента, то впускной клапан 19 закрывается, одновременно с этим пружина 18 касается внутренней стенки цилиндра 2 и начинает сжиматься. Сжатие пружины 18 приводит к тому, что клапан 17 начинает открываться, одновременно с этим открывается выпускной клапан 21, отработанные газы выходят через выпускной клапан, а их место занимает воздух из верхней части цилиндра, который поступает в нижнюю часть цилиндра через открытый клапан 17, в результате происходит продувка камеры сгорания и наполнение ее воздухом. После продувки выпускной клапан 21 закрывается, а поршень под действием центробежной силы и давления газа в ресивере начинает двигаться вниз, через устройство 20 впрыска топлива в камеру сгорания подается топливо, которое смешивается с воздухом внутри камеры сгорания, поршень сжимает топливную смесь внутри цилиндра 2, происходит взрыв топливной смеси - цикл повторяется. Такие процессы происходят внутри каждого цилиндра. При вращении подвижного элемента 7 между электромагнитной системой 5, внутри катушек 9 возникает электрический ток. Этот ток передается по полому валу 11 и снимается с него, с помощью щеток 10.
Остановку генератора осуществляют перекрытием регулировочных клапанов 16 внутри масляных трубок 13, при этом положение поршня должно быть максимально близко к центру, перекрытие регулировочных клапанов приводит к тому, что поршень 3 фиксируется, фиксацию поршня осуществляют в тот момент времени, когда продувка завершена и выпускной клапан 21 закрыт, но топливо не подано через устройство 20 впрыска топлива. После этого перекрывают подачу топлива, и генератор останавливается под действием сил трения. После этого пуск генератора можно осуществить также как и при первом пуске.
Используя заявляемую конструкцию генератора можно изготавливать генераторы, работающие на бензине, газе и дизельном топливе.
В заявляемом генераторе используется один источник получения энергии - это реактивное движение, вызванное выхлопом отработавших газов, так как они выходят из камеры сгорания в направлении обратном вращению подвижного элемента.