Нагрузочный способ синхронизации движения поршней свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания
Изобретение относится к области энергомашиностроения. Предложен нагрузочный способ синхронизации движения поршней свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания с оппозитным движением поршней, входящего в состав энергомодуля, преобразующего химическую энергию моторного топлива в электроэнергию, каждый поршень которого связан со своим электрогенератором, в котором синхронизация движения поршней двигателя осуществляется уменьшением нагрузки на один из электрогенераторов, для чего система управления отслеживает величины скоростей каждого поршня и по сигналу рассогласования скоростей поршней уменьшает нагрузку на электрогенератор, связанный с тем поршнем, скорость которого меньше скорости другого. Изобретение обеспечивает уменьшение энергозатрат на привод синхронизатора, увеличение удельной мощности и уменьшение его удельного объема. 2 ил.
Изобретение относится к области энергомашиностроения.
Одно из условий функционирования свободнопоршневого двигателя - синхронное движение его поршней в противофазе на протяжении всего рабочего цикла. Изготовить абсолютно идентичные по форме и массе поршни и цилиндр точной геометрической формы невозможно. Кроме того, если энергомодуль эксплуатируется на транспортном средстве, на характер движения поршней оказывает значительное влияние инерционные силы, возникающие в результате непрогнозируемых перемещений энергомодуля в пространстве. Традиционно синхронизация движения поршней свободнопоршневого двигателя реализуется рычажным или реечно-шестеренным механизмами (Шелест П.А. "Безвальные генераторы газов", М.: Машгиз, 1960, с.302-305). Эти механизмы связывают поршни так, что когда один из них движется в одну сторону, другой - в противоположную. Основные недостатки механического способа синхронизации движения поршней: наличие существенной массы синхронизатора и потери энергии на его привод, что негативно сказывается на удельной мощности и удельном объеме.
Ближайший аналог - "Осцилляторный пьезотрансформатор двигателя внутреннего сгорания", патент 2169278 С1, 2001, в котором описан принцип действия энергомодуля составе двухцилиндрового свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания с двумя поршнями в каждом цилиндре и двумя пьезотрансформаторными электрогенераторами.
Основные недостатки механического способа синхронизации движения поршней: наличие существенной массы синхронизатора и потери энергии на его привод, что негативно сказывается на удельной мощности и удельном объеме.
Заявленное изобретение решает задачу уменьшения энергозатрат на привод синхронизатора, увеличение удельной мощности и уменьшение его удельного объема.
Поставленная задача решается за счет того, что нагрузочный способ синхронизации движения поршней свободнопоршневого двигателя с оппозитным движением поршней, входящего в состав энергомодуля, преобразующего химическую энергию моторного топлива в электроэнергию и связанного со своим электрогенератором, причем синхронизация движения поршней двигателя осуществляется уменьшением нагрузки на один из электрогенераторов, для чего система управления отслеживает величины скоростей каждого поршня и по сигналу рассогласования скоростей поршней уменьшает нагрузку на электрогенератор, связанный с тем поршнем, скорость которого меньше скорости другого.
Нагрузочный способ синхронизации движения поршней свободнопоршневого - с двумя поршнями в одном цилиндре - двигателя, входящего в состав энергомодуля, преобразующего энергию моторного топлива в электроэнергию, каждый поршень которого связан со своим электрогенератором, осуществляется уменьшением нагрузки на один из электрогенераторов. Для этого система управления автоматикой энергомодуля отслеживает величины скоростей каждого поршня, сравнивает их значения и по сигналу рассогласования скоростей поршней прерывает или уменьшает нагрузку на электрогенератор, связанный с тем поршнем, скорость которого меньше скорости оппозитно движущегося поршня на время, не меньшее, чем необходимо для уравнивания скоростей поршня.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 - осцилляторный пьезотрансформатор двигателя внутреннего сгорания; на фиг.2 - энергомодуль в составе однотактного, с одним поршнем в цилиндре, свободнопоршневого двигателя с внешней камерой сгорания и линейного электрогенератора.
В состав энергомодуля входят (фиг.1): 1 - два пьезотрансформаторных электрогенератора (вверху и внизу чертежа), 2 - пьезоэлементы, 3, 12 - клапаны управления потоком жидкости, 4 - два свободнопоршневых двигателя внутреннего сгорания (правый и левый), 5 - поршни двигателя, 6 - клапаны впуска воздуха, 7 - выпускной клапан, 8 - клапан компрессора, 9 - форсунка, 10 - поршень компрессора, 11, 13, 14 - плунжеры и система управления (не показана) двух идентичных свободнопоршневых двигателей с оппозитным движением поршней (правый и левый), и системы управления автоматикой энергомодуля (система управления не показана).
Перед пуском энергомодуля поршни 5 правого двигателя находятся в крайних точках схождения, впускные клапаны воздуха 6, выпускной клапан отработавших газов 7 закрыты, а клапан компрессора 8 открыт. Все детали левого двигателя занимают противоположные положения.
При пуске система управления автоматикой энергомодуля форсункой 9 подает топливо в камеру сгорания правого двигателя. Одним из способов топливо воспламеняется, сгорает, и расширяющиеся продукты сгорания начинают разводить поршни двигателя. Соединенные с поршнями двигателя поршни компрессора 10 сжимают воздух в полостях компрессора, а плунжеры 11 продавливают жидкость через пьезотрансформаторы. От пьезотрансформаторов жидкость поступает в полости плунжеров левого двигателя. Его поршни и плунжеры начинают встречное движение, все клапаны переходят в противоположные положения, воздух из атмосферы поступает в полости компрессора, воздух в цилиндре сжимается. При продавливании жидкости через пьезотрансформаторы системе управления клапанами управления потоком жидкости попеременно подает жидкость в полости пьезоэлементов. В результате знакопеременного давления жидкости на пьезоэлементы на их активных гранях выделяются электрические заряды. Пьезотрансформторы действуют в режиме электрогенераторов. В дальнейшем каждый рабочий цикл одного двигателя инициирует рабочий цикл смежного двигателя.
Так, если при такте расхождения поршней энергомодуля (см. фиг.1) скорость поршня 5 в правом цилиндре окажется меньше оппозитно движущегося поршня, система управления открывает один из клапанов управления потоком жидкости нижнего пьезотрансформатора (электрогенертора), например клапан 12, и жидкость из полости плунжера 13 перетекает с меньшим сопротивлением в полость 14 левого цилиндра. Поскольку сопротивление движению жидкости резко уменьшается, скорость поршня 5 увеличивается по сравнению с оппозитно движущимся поршнем, и в момент, когда скорости поршней сравняются, или ″а″ момент, обеспечивающий одновременность прихода поршней в точки максимального расхождения, клапан управления потоком жидкости возобновляет работу в режиме генерации.
Нагрузочный способ синхронизации движения поршней приемлем, когда необходимо исключить вибрацию двух совместно действующих свободнопоршневых двигателей с одним поршнем в одном цилиндре.
Ниже приводится принцип действия энергомодуля в составе однотактного, с одним поршнем в цилиндре, свободнопоршневого двигателя с внешней камерой сгорания и линейного электрогенератора. В состав энергомодуля входят: 15 - камера сгорания, 16 - форсунка, 17 - свеча зажигания, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 - газораспределительные клапаны, 26, 27 - поршни, 28 - шток, 29 - якорь, 30 - статорная катушка.
Исходное положение деталей энергомодуля.
Поршни 26, 27, якорь 29 и клапаны 18, 23, 22, 20 в левом крайнем положении. Клапаны 10, 21 открыты, клапаны 24, 25 закрыты. При пуске энергомодуля в камеру сгорания 15 (см. фиг.2) форсункой 16 подается топливо и воспламеняется свечой зажигания 17. Продукты сгорания через клапан 18 поступают в левую полость поршня 26 и под их воздействием поршень 26 и соединенные с ним штоком 28 якорь 29 и поршень 27 начинают движение слева направо. Площадь левой торцевой поверхности поршня 26 больше площади его противоположной поверхности на величину площади поперечного сечения штока 28. Следовательно, давление воздуха в правой полости поршня 26 больше давления продуктов сгорания в его левой полости, поэтому воздух из правой полости поршня 26 открывает клапан 19 и поступает в камеру сгорания 15, обеспечивая тем самым воздухом процесс горения топлива. Одновременно воздух из правой полости поршня 27 через клапан 20 выбрасывается в атмосферу (при последующих рабочих циклах - отработавшие газы), воздух из атмосферы через клапан 21 поступает в его левую полость. Магнитный поток движущегося якоря 29 пересекает витки статорной катушки 30 и в статорной катушке генерируется импульс электроэнергии. По достижении поршнями крайнего правого положения система управления (не показана) переводит клапаны 18, 23, 22, 20 в противоположные положения. Продукты сгорания из камеры сгорания 15 через открывшийся клапан 22 поступает в правую полость поршня 27, поршни 26, 27 и якорь 29 начинают движение справа налево. Воздух из левой полости поршня 27 закрывает клапан 21 и через открывшийся клапан 24 поступает в камеру сгорания 15. Клапан 19 закрывается, воздух из атмосферы через открывшийся клапан 25 засасывается в правую полость поршня 26, а отработавшие газы через открывшийся клапан 23 выбрасывается в атмосферу. Магнитный поток якоря 29 пересекает витки статорной катушки 30 и в ней генерируется импульс электроэнергии противоположного знака. В дальнейшем система управления, переводя клапаны 18, 20, 22, 23 из одного положения в противоположное, обеспечивает постоянную подачу воздуха в камеру сгорания. Якорь совершает колебательные движения и в статорной катушке генерируется переменное напряжение. Пульсация давления подаваемого в камеру сгорания воздуха сглаживается воздушным ресивером (не показано). Возникающая в результате реакции движения поршней вибрация компенсируется применением двух энергомодулей ориентированных так, что оси симметрии поршней и якоря располагаются на одной прямой, а их движение тем или иным способом организуется в противофазе.
Синхронизация движения поршней энергомодудей осуществляется следующим образом.
Следует оговориться - блок из двух поршней 26, 27 и якоря 29 движется совместно как один поршень, поэтому для краткости в дальнейшем именуется «блок поршней и якорь».
Независимо от того, сходятся оппозитно движущиеся и в противофазе блоки поршней и якоря обоих энергомодулей или расходятся, принцип синхронизации их движения тот же, что описан для варианта с двумя поршнями. Система управления энергомодулей отслеживает величины скоростей блоков поршней и якоря каждого двигателя, сравнивая их значения и по сигналу рассогласования скоростей уменьшает (разрывает часть витков цепи обмотки катушки якоря 29 или статорной катушки 30) или прерывает (разрывает цепь обмотки одной из катушек) нагрузку на электрогенератор, связанный с тем блоком поршней и якоря, скорость которого меньше скорости оппозитно движущегося блока поршней и якоря, на время, необходимое для обеспечения одновременного прихода блоков поршней и якоря в крайние точки схождения или расхождения, после чего система управления замыкает цепи катушек, и электрогенератор возобновляет работу в прежнем режиме.
Нагрузочный способ синхронизации движения поршней свободно-поршневого двигателя внутреннего сгорания с оппозитным движением поршней, входящего в состав энергомодуля, преобразующего энергию моторного топлива в электроэнергию, каждый поршень которого связан со своим электрогенератором, отличающийся тем, что синхронизация движения поршней двигателя осуществляется уменьшением нагрузки на один из электрогенераторов, для чего система управления отслеживает скорость каждого поршня и по сигналу рассогласования скоростей поршней снижает нагрузку на генератор того поршня, скорость которого меньше скорости другого.
