Блок поршней и якоря энергомодуля
Изобретение относится к области энергомашиностроения. Энергомодуль преобразует химическую энергию моторного топлива в электроэнергию. Он состоит из линейного электрогенератора и однотактного свободнопоршневого двигателя с внешней камерой сгорания, в составе которого блок из двух поршней и якоря. Каждый поршень блока попеременно выполняет функции рабочего поршня и одновременно поршня компрессора подачи воздуха в камеру сгорания. При движении блока поршней и якоря в противоположном направлении тот же поршень выполняет функции поршня вытеснения отработавших газов из цилиндра и одновременно поршня забора воздуха из атмосферы в полость компрессора. Изобретение обеспечивает повышение удельной мощности энергомодуля, его экологичность, экономичность и обеспечивает многотопливность. 1 ил.
Область техники.
Изобретение относится к области энергомашиностроения.
Уровень техники.
Ближайший аналог заявленного изобретения - паровая машина. "Паровая машина - первичный поршневой двигатель, в котором потенциальная энергия водяного пара превращается в механическую работу. Паровая машина имеет хорошие тяговые характеристики, допускает большие перегрузки и реверсирование, надежна, проста. КПД достигает 20-25%. Недостаток - низкая экономичность" ("Большой политехнический словарь ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ". Научное издательство "Большая Российская энциклопедия", Москва, 1998, с.364).
Низкая экономичность паровой машины обусловлена высокими энергозатратами на фазовый переход воды в пар, которые безвозвратно теряются при конденсации пара в холодильнике, если таковой имеется.
Совпадающие признаки паровой машины и энергомодуля, преобразующего химическую энергию моторного топлива в электроэнергию, состоящего из линейного электрогенератора и однотактного свободнопоршневого двигателя с внешней камерой сгорания.
Паровая машина - однотактная расширительная машина, поршни которой при каждом рабочем ходе одновременно выполняют функции рабочего поршня при поступлении пара в цилиндр и поршня вытеснения отработавшего пара из цилиндра. Поршни расширительной машины энергомодуля также одновременно выполняют функции рабочего поршня при поступлении продуктов сгорания в цилиндр из камеры сгорания и поршня вытеснения отработавших газов из цилиндра.
Раскрытие изобретения.
Задача изобретения - получить экологичный, экономичный энергомодуль высокой удельной мощности. В первую очередь, задача решается применением блока поршней и якоря расширительной машины энергомодуля. Устройство и действие блока поршней и якоря поясняется описанием принципа действия такого энергомодуля.
Принцип действия энергомодуля в составе линейного электрогенератора и однотактного свободнопоршневого двигателя с внешней камерой сгорания.
Состав энергомодуля (см. чертеж):
1 - камера сгорания, 2 - форсунка, 3 - свеча зажигания, 4, 9, 10, 11, 13, 14, 15, 16 - газораспределительные клапаны, 5, 8 - поршни, 6 - шток, 7 - якорь, 12 - статорная катушка.
При пуске энергомодуля в камеру сгорания 1 форсункой 2 подается топливо и воспламеняется свечой зажигания 3. Продукты сгорания через открытый клапан 4 поступают в левую полость поршня 5, и под их воздействием поршень 5 и соединенные с ним штоком 6, якорь 7 и поршень 8 начинают движение слева направо. Площадь левой торцевой поверхности поршня 5 больше площади его противоположной поверхности на величину площади поперечного сечения штока 6. Следовательно, давление воздуха в правой полости поршня 5 больше давления продуктов сгорания в его левой полости, поэтому воздух из правой полости поршня 5 открывает клапан 9 и поступает в камеру сгорания 1, обеспечивая тем самым воздухом процесс горения топлива. Одновременно воздух из правой полости поршня 8 через открытый клапан 10 выбрасывается в атмосферу (при последующих рабочих циклах - отработавшие газы), воздух из атмосферы через открытый клапан 11 поступает в его левую полость. Магнитный поток движущегося якоря 7 пересекает витки статорной катушки 12, в результате в статорной катушке 12 генерируется импульс электроэнергии. По достижению поршнями крайнего правого положения система управления (не показана) переводит клапаны 4, 10, 13, 14 в противоположные положения. Продукты сгорания из камеры сгорания 1 через открывшийся клапан 13 поступают в правую полость поршня 8, поршни 5, 8 и якорь 7 начинают движение справа налево. Воздух из левой полости поршня 8 закрывает клапан 11 и через открывшийся клапан 15 поступает в камеру сгорания 1. Клапан 9 закрывается, воздух из атмосферы через открывшийся клапан 16 засасывается в правую полость поршня 5, а отработавшие газы через открывшийся клапан 14 выбрасываются в атмосферу. Магнитный поток якоря 7 пересекает витки статорной катушки 12, и в ней генерируется импульс электроэнергии противоположного знака. В дальнейшем система управления, переводя клапаны 4, 10, 13, 14 из одного положения в противоположное, обеспечивает постоянную подачу воздуха в камеру сгорания. Якорь совершает колебательные движения, в статорной катушке генерируется переменное напряжение, направляемое потребителю. Пульсации давления, подаваемого в камеру сгорания воздуха, сглаживаются воздушным ресивером (не показан). Возникающая в результате реакций движения поршней и якоря вибрация компенсируется применением двух энергомодулей, ориентируемых так, что оси симметрии поршней и якоря располагаются на одной прямой, а их движение тем или иным способом организуется в противофазе.
Итак, структура блока поршней и якоря позволяет за один такт его движения выполнять несколько функций. Каждый поршень блока, состоящий из двух поршней, попеременно выполняет функции рабочего поршня, приводимого в действие поступающими из камеры сгорания расширяющимися продуктами сгорания, и одновременно поршня компрессора подачи воздуха в камеру сгорания, а при движении в противоположном направлении поршень выполняет функции вытеснения отработавших газов из цилиндра и одновременно поршня забора воздуха из атмосферы в полость компрессора, при этом якорь, независимо от направления движения, генерирует импульс электроэнергии в статорной катушке линейного электрогенератора.
Промышленная применимость изобретения.
Экологичный, экономичный, многотопливный энергомодуль с высокой удельной мощностью найдет применение как источник резервного и бесперебойного энергообеспечения, но, в первую очередь, - в качестве основного агрегата многомодульной силовой установки автомобиля. Экологичность, экономичность и многотопливность обусловлены спецификой сгорания моторного топлива во внешней камере сгорания. Независимо от нагрузки на энергомодуль топливо сгорает до конечных продуктов окисления и не оставляет кислорода для образования оксидов азота, так как процесс сгорания топлива протекает при стехиометрическом соотношении топливо-окислитель.
В отличие от ДВС (двигатель внутреннего сгорания) с кривошипно-шатунным механизмом в расширительной машине энергомодуля отсутствуют поршневые пальцы, шатуны, коленвал, маховик и их подшипники. В линейном электрогенераторе нет подшипников. То есть при одной и той же мощности масса энергомодуля меньше на суммарную массу перечисленных деталей энергоблока на основе ДВС и электрогенератора с вращающимся якорем (ротором). Далее, в четырехтактном ДВС поршень за один рабочий цикл совершает четыре такта. В свободнопоршневой расширительной машине с внешней камерой сгорания энергомодуля рабочий цикл совершается за один ход блока поршней и якоря. При одной и той же средней скорости и частоте движения блока поршней и якоря выигрыш в рабочей частоте четырехкратный. Известно - удельная мощность любой машины дискретного действия, в том числе и электрической, при прочих равных условиях прямо пропорциональна рабочей частоте. Кроме того, если единичный импульс электроэнергии, генерируемый за один рабочий цикл, разделить на группу отдельных импульсов, удельная мощность электрогенератора увеличится пропорционально числу разделенных импульсов, а значит, увеличится удельная мощность и энергомодуля в целом.
Графический материал.
Энергомодуль в составе линейного электрогенератора и однотактного свободнопоршневого двигателя с внешней камерой сгорания.
Состав энергомодуля:
1 - камера сгорания, 2 - форсунка, 3 - свеча зажигания, 4, 9, 10, 11, 13, 14, 15, 16 - газораспределительные клапаны, 5, 8 - поршни, 6 - шток, 7 - якорь, 12 - статорная катушка.
Блок поршней и якоря энергомодуля, преобразующего химическую энергию моторного топлива в электроэнергию, включающего линейный электрогенератор и однотактный свободнопоршневой двигатель с внешней камерой сгорания, отличающийся тем, что каждый поршень блока, состоящего из двух поршней однотактного свободнопоршневого двигателя с внешней камерой сгорания и якоря линейного электрогенератора энергомодуля, попеременно выполняет функции рабочего поршня и одновременно поршня компрессора подачи воздуха в камеру сгорания, а при движении блока поршней и якоря в противоположном направлении тот же поршень выполняет функции вытеснения отработавших газов из цилиндра и одновременно поршня забора воздуха из атмосферы в полость компрессора.
