Способ роторного преобразования энергии внутреннего сгорания в электрическую и устройство для его осуществления
Изобретение относится к области двигателестроения и преобразователей тепловой энергии в электрическую. Способ заключается в том, что рабочую полость заполняют рабочей жидкостью, производят запуск путем раскрутки электромотором жидкости, одновременно модулируя скорость ее вращения так, что в ней возникают резонансные колебания, приводящие к периодическому изменению объемов полостей между элементами конструкции и поверхностью жидкости, вводят в полость в момент максимального объема газовую рабочую смесь, поджигают, затем изменяют режим управления с раскрутки на поддержание резонанса с отбором мощности от генератора. В устройстве ротор и сердечник выполнены так, что в камере рабочие полости образованы между элементами конструкции и вращающейся рабочей жидкостью, а блок управления содержит аккумулирующий конденсатор. Изобретение обеспечивает повышение к.п.д. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области двигателестроения и преобразователей тепловой энергии в электрическую. Оно может быть использовано в качестве экономичного и экологически чистого автономного источника электрической энергии.
Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую с улучшенными показателями в части экономичности и экологичности (см., например, RU 2175395 С1 от 05.10.2001 г.). Этот способ включает подачу воздуха в цилиндр, сжатие его, подачу одной части топлива в камеру сгорания и другой части в зону впускного клапана со стороны впускного трубопровода с двухстадийным преобразованием на рабочих режимах с повышенной нагрузкой, воспламенение топливовоздушной смеси от сжатия и последующего сгорания в цилиндре, расширение и выпуск отработавших продуктов сгорания, регулирование подачи топлива по управляющему сигналу органа, связанного с двигателем. При этом рабочий режим переходит через стадию с 70% нагрузки.
В известном способе коэффициент полезного действия η (к.п.д.), как обычно, определяется разницей температур сгорания топлива Tn и отработанных газов Tx и составляет в соответствии с формулой Карно
величину порядка 0,4...0,5.
Недостатком известного способа является низкий к.п.д. из-за сложности получения высоких значений Tn.
Технический задачей группы изобретений является повышение к.п.д путем увеличения температуры Tn и отказа от возвратно-поступательного способа перемещения поршня в рабочем пространстве с заменой его на вращательное движение ротора.
Технический результат в части предлагаемого способа достигается за счет того, что способ роторного преобразования энергии внутреннего сгорания в электрическую предусматривает запуск устройства от источника тока, заполнение внутренних полостей устройства газовой рабочей смесью, осуществление рабочего процесса сгорания путем сжатия упомянутой смеси и преобразование энергии внутреннего сгорания в механическую и затем в электрическую путем использования электромагнитного преобразователя в виде генератора (он же электромотор), при этом рабочую полость заполняют рабочей жидкостью, производят запуск путем раскрутки электромотором упомянутой жидкости, одновременно модулируя скорость ее вращения так, что в ней возникают резонансные колебания, приводящие к периодическому изменению объемов полостей между элементами конструкции и поверхностью упомянутой жидкости, вводят в полость в момент достижения ее максимального объема газовую рабочую смесь и после ее поджига изменяют режим управления - с раскрутки на поддержание резонанса с отбором мощности от генератора.
Для получения этого технического результата полость внутри ротора частично заполняют рабочей жидкостью (например, водой) и ротор предварительно раскручивают с помощью электромагнитного преобразователя (используемого в данном случае как электромотор, работающий с переменной мощностью). При этом образовавшаяся в жидкости воронка периодически изменяет свой объем. В момент расширения воронки в нее впрыскивают газовую рабочую смесь, которая в момент сжатия воронки адиабатически нагревается до температуры сгорания и после этого передает энергию сгорания движущейся жидкости, передающей в свою очередь рабочему движению ротора. Поскольку ротор имеет ряд осесимметричных полостей, где происходят упомянутые циклы, фазирование этих процессов приводит к полезному вращательному движение ротора. Вращательное движение ротора передается на ротор генератора, вырабатывая электрическую энергию.
Известно устройство, представляющее собой роторный двигатель внутреннего сгорания (RU 2083850 С1 от 1997), включающее в себя полый корпус, ротор, системы питания, охлаждения, смазки и подачи жидкости. Однако жидкость в этом устройстве выполняет только уплотнительные и компрессорные функции, а не функции поршня. Поэтому в нем не удается осуществить трехмерное сжатие рабочей смеси (при трехмерном сжатии объем камеры меняется как куб ее линейных размеров, а площадь контакта со стенками - как квадрат линейных размеров), при котором отношение начальных и конечных объемов и, соответственно, отношение начальных и конечных температур, определяющее величину к.п.д., может существенно превосходить аналогичное отношение, получаемое при обычном (т.е. одномерном) сжатии. Соответственно, в нем не удается реализовать повышенный к.п.д. Помимо этого, необходимость использования коленчатого вала существенно усложняет кинематику, что снижает преимущества, связанные с использованием вращательного движения.
Устройство для осуществления предложенного способа включает ротор и сердечник, образующие камеры для ввода рабочей газовой смеси, а также установленный соосно с устройством, где осуществляется процесс сгорания, электромагнитный преобразователь; согласно изобретению ротор и сердечник выполнены так, что в камере рабочие полости образованы между элементами конструкции и вращающейся рабочей жидкостью, причем управление режимом работы и вращения осуществляет блок управления, содержащий аккумулирующий конденсатор.
Технический результат в части устройства заключается в создании установки, где реализуется повышенное значение температуры сгорания путем фазированного схлопывания (т.е. быстрого частичного заполнения рабочей жидкостью незаполненных объемов в полостях, содержащих газовую рабочую смесь), и, следовательно, реализуется повышенное значение коэффициента полезного действия установки при вращательном движении ротора.
Изобретение в части установки поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично изображено устройство в поперечном сечении; на фиг.2 - в продольном сечении.
Устройство состоит из ротора 1, в который плотно впрессован сердечник 2, соединенный подшипниками 12 с неподвижным статором 4, в котором размещены: трубка 13 подачи рабочей жидкости, газоотводная трубка 5 и трубка 6 для подачи газовой рабочей смеси. К статору 4 крепится статор электромагнитного преобразователя 8 (электромагнитный преобразователь представляет собой электрический генератор, способный также выполнять и функции электромотора, когда на него подается соответствующее питание), вокруг которого может вращаться ротор электромагнитного преобразователя 7, закрепленный на роторе. На внутренней части сердечника имеются круговые прорези, в которых размещены трубки 5 и 6; в верхней его части расположены клапаны 15 для подачи рабочей жидкости; в роторе 1 имеется заглушка 14 для слива рабочей жидкости 3. Рабочая жидкость показана в состоянии устройства, когда ротор раскручен. Показанная в верхнем правом углу система коммутации состоит из аккумулирующего конденсатора 10, блока управления 9 режимом работы устройства и клемм съема полезной мощности 11; она предназначена для управления запуском и съема полезной мощности с генератора. Ротор 1 помещен в осесимметричный короб 16, образующий с ротором полость, служащую для воздушного охлаждения устройства, для чего на роторе имеются лопасти 17, а на коробе - защитная решетка 18.
Устройство работает следующим образом. В качестве примера рассмотрим двухтактный режим работы устройства. После заливки рабочей жидкости во внутреннюю полость между ротором и сердечником включают напряжение на электромагнитный преобразователь, который в данном случае используется в качестве электромотора. Напряжение, подаваемое на электромагнитный преобразователь, имеет постоянную составляющую и составляющую, модулированную во времени. Вращение ротора электромагнитного преобразователя приводит к вытеснению жидкости во внешнюю область полостей (как показано на фиг.1). Модуляция мощности приводит к раскачке колебаний рабочей жидкости, заключающейся в периодичном изменении уровня в правых и левых полостях. Блок управления выводит упомянутую раскачку в состояние резонанса, частота которого обусловлена заданной конструкцией ротора и сердечника и кратна частоте оборотов ротора, после чего поддерживает это состояние. В тот момент, когда объем области, свободной от рабочей жидкости, становится максимально большим, в нее впрыскивают газовую рабочую смесь, которая сжимается при обратном движении рабочей жидкости. Это сжатие отличается от обычной схемы сжатия в известных двигателях внутреннего сгорания (ДВС) тем, что оно реализуется с помощью трехмерного сжатия. Это, в свою очередь, резко повышает степень сжатия. Поджиг газовой рабочей смеси производится при ее максимальном сжатии. После поджига газовой рабочей смеси начинается стадия расширения области, свободной от рабочей жидкости, причем образовавшиеся продукты сгорания совершают, в процессе этого расширения, работу над рабочей жидкостью. Когда объем свободной от рабочей жидкости области становится близким к максимуму, открывается отверстие выпуска газа, и продукты сгорания выводятся через газоотводную трубку. В результате описанного выше процесса энергия колебаний рабочей жидкости увеличивается. Когда раскачка колебаний рабочей жидкости становится независимой от внешнего привода, блок управления меняет режим работы: с подачи мощности на устройство с целью его раскрутки на использование резонанса для съема мощности с устройства. Электромагнитный преобразователь периодически (причем этот период определяется резонансной частотой колебаний рабочей жидкости) на определенное время, меньшее, чем период, подключается к внешней нагрузке и к аккумулирующему конденсатору и отдает в них свою энергию. В оставшуюся часть периода электромагнитный преобразователь отсоединяется от внешней нагрузки и работает в режиме электромотора, причем питание осуществляется за счет той энергии, которая была перед этим запасена в аккумулирующем конденсаторе. В результате может быть снята только добавочная, выделяемая при сгорании топлива энергия, а энергия, относящаяся к колебаниям рабочей жидкости, остается постоянной: колебания не затухают, но и не раскачиваются.
Использование предложенного способа и устройства позволит существенно сократить потребление топлива в процессе эксплуатации электрогенераторов (до 40-50%) при сохранении мощности, отбираемой потребителями, и обойтись без механической системы преобразования поступательного движения поршня в известных ДВС.
1. Способ роторного преобразования энергии внутреннего сгорания в электрическую, предусматривающий запуск устройства от источника тока, заполнение внутренних полостей устройства газовой рабочей смесью, осуществление рабочего процесса сгорания путем сжатия упомянутой смеси и преобразование энергии внутреннего сгорания в механическую и затем в электрическую путем использования электромагнитного преобразователя в виде генератора (он же электромотор), отличающийся тем, что рабочую полость заполняют рабочей жидкостью, производят запуск путем раскрутки электромотором упомянутой жидкости, одновременно модулируя скорость ее вращения так, что в ней возникают резонансные колебания, приводящие к периодическому изменению объемов полостей между элементами конструкции и поверхностью упомянутой жидкости, вводят в полость в момент достижения ее максимального объема газовую рабочую смесь и после ее поджига изменяют режим управления - с раскрутки на поддержание резонанса с отбором мощности от генератора.
2. Устройство для осуществления способа по п.1, включающее ротор и сердечник, образующие камеру для ввода рабочей газовой смеси, а также установленный соосно с устройством, где осуществляется процесс сгорания, электромагнитный преобразователь, отличающееся тем, что ротор и сердечник выполнены так, что в камере рабочие полости образованы между элементами конструкции и вращающейся рабочей жидкостью, причем управление режимом работы и вращения осуществляет блок управления, содержащий аккумулирующий конденсатор.
