Электрогенератор на основе свободнопоршневого двигателя с вынесенной камерой сгорания
Изобретение относится к области энергомашиностроения. Электрогенератор на основе свободнопоршневого двигателя с вынесенной камерой сгорания, содержащий вынесенную камеру сгорания, полости поршней компрессора, полости поршней привода компрессора, статорную катушку и якорь линейного электрогенератора, жестко связанный с поршнями компрессора и поршнями привода компрессора, согласно изобретению двигатель снабжен клапанами управления потоком продуктов сгорания и воздухораспределительным клапанами, причем продукты сгорания из камеры сгорания через открытые клапаны управления потоком продуктов сгорания поступают в левую и правую полости поршней привода компрессора, а воздух из левой и правой полостей поршней компрессора через отрытые воздухораспределительные клапаны поступает в камеру сгорания. Изобретение обеспечивает повышение удельной мощности, экономичность энергомодуля, а также многотопливность. 1 ил.
Изобретение относится к области энергомашиностроения.
Известен электрогенератор на основе свободнопоршневого двигателя с вынесенной камерой сгорания, представляющий собой агрегат, состоящий из свободнопоршневого двигателя с вынесенной камерой сгорания и линейного электрогенератора. Ближайший аналог свободнопоршневого двигателя с вынесенной камерой сгорания - газотурбинный двигатель, см. Белов П.М., Бурячко В.Р., Акатов В.Е. Двигатели армейских машин. Часть первая. Теория. М.: Воениздат, 1971, стр.475-487.
Принцип действия газотурбинного двигателя.
Турбина компрессора засасывает воздух из атмосферы и подает его в камеру сгорания. Туда же впрыскивается топливо и воспламеняется, в результате чего повышается температура газового потока. Далее газовый поток через сопловой аппарат поступает на лопатки турбины привода компрессора, вращение которой через вал передается турбине компрессора, обеспечивая тем самым подачу воздуха из атмосферы в камеру сгорания. После турбины привода компрессора газы поступают в сопловой аппарат тяговой турбины, создавая крутящий момент на ее валу.
Основное достоинство газотурбинного двигателя - благоприятная для использования в качестве автомобильного двигателя тяговая характеристика. Крутящий момент тяговой турбины при постоянных параметрах газа обратно пропорционален числу ее оборотов.
Однако низкий адиабатический коэффициент процесса сгорания топлива на малых и средних оборотах вследствие перетекания газов между периферией лопаток и корпусом приводит к неприемлемо высокому удельному расходу топлива.
Современный автономный источник электроэнергии - это, как правило, двигатель внутреннего сгорания, вращающий ротор электрогенератора. Чтобы добиться высоких характеристик подобного агрегата, необходимо прежде всего избавиться от кривошипно-шатунного механизма, маховика, оси генератора и подшипников.
Известен электрогенератор на основе свободнопоршневого двигателя с вынесенной камерой сгорания, содержащий вынесенную камеру сгорания, полости поршней компрессора, полости поршней привода компрессора, статорную катушку и якорь линейного электрогенератора, жестко связанный с поршнями компрессора и поршнями привода компрессора (см. US 4270054, Н02K 33/00, 1981). Однако этот электрогенератор недостаточно экономичен.
Технической задачей заявляемого изобретения является создание универсального автономного экономичного источника электроэнергии малой мощности, преобразующего химическую энергию моторного топлива в электроэнергию.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагается электрогенератор на основе свободнопоршневого двигателя с вынесенной камерой сгорания, содержащий вынесенную камеру сгорания, полости поршней компрессора, полости поршней привода компрессора, статорную катушку и якорь линейного электрогенератора, жестко связанный с поршнями компрессора и поршнями привода компрессора. Двигатель снабжен клапанами управления потоком продуктов сгорания и воздухораспределительным клапанами, причем продукты сгорания из камеры сгорания через открытые клапаны управления потоком продуктов сгорания поступают в левую и правую полости поршней привода компрессора, а воздух из левой и правой полостей поршней компрессора через отрытые воздухораспределительные клапаны поступает в камеру сгорания.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
В его состав входят: 1 - камера сгорания, 2 - форсунка, 3 - свеча зажигания, 4, 13 - клапаны управления потоком продуктов сгорания, 5, 9 - поршни привода компрессора, 6 - шток. 7, 8 - поршни компрессора, 10, 11, 12, 16, 17, 18 - воздухораспределительные клапаны, 14 - катушка якоря или постоянный магнит якоря, 15 - статорная катушка.
При пуске двигателя в камеру сгорания 1 форсункой 2 подается топливо и воспламеняется свечой 3. Продукты сгорания через открытый клапан 4 поступают в левую полость поршня привода компрессора 5, в результате чего поршень 5 и соединенные с ним штоком 6 поршни компрессора 7 и 8 и поршень привода компрессора 9 начинают движение слева направо. Воздух из правой полости поршня 5 через открытый клапан 10 перетекает в левую полость поршня 7. Воздух из правой полости поршня 8 через открытый клапан 11 поступает в камеру сгорания, поддерживая тем самым процесс горения топлива. Площадь поршня 5 больше площади поршня 8 и, следовательно, давление воздуха в правой полости поршня 8 выше, чем давление продуктов сгорания в левой полости поршня 5, поэтому и обеспечивается подача воздуха в камеру сгорания. Одновременно воздух из атмосферы через клапан 12 поступает в левую полость поршня 9, а из его правой полости через открытый клапан 13 выбрасывается в атмосферу, не оказывая существенного сопротивления движению поршней. При движении поршней магнитный поток находящегося между поршнями 7 и 8 якоря 14 пересекает витки обмотки статорной катушки 15, в результате чего в статорной катушке генерируется импульс электроэнергии.
При достижении поршнями окрестностей крайнего правого положения система управления (на чертеже не показана) переводит клапаны 4 и 13 в правые положения, и теперь продукты сгорания из камеры сгорания через открывшийся клапан 13 поступают в правую полость поршня 9, вследствие чего поршни начинают движение справа налево. Все воздухораспределительные клапаны переходят в противоположные положения. Отработавшие газы из левой полости поршня 5 через клапан 4 выбрасываются в атмосферу, а в его правую полость из атмосферы засасывается воздух через клапан 16. Воздух из левой полости поршня 7 через клапан 17 подается в камеру сгорания 1, а воздух из левой полости поршня 9 через клапан 18 поступает в правую полость поршня 8. Одновременно при движении поршней справа налево в статорной катушке 15 генерируется импульс электроэнергии противоположного знака. В дальнейшем система управления, переводя клапаны 4 и 13 из одних крайних положений в другие, обеспечивает подачу воздуха в камеру сгорания. Генерируемая при этом электроэнергия направляется потребителю. Пульсация давления воздуха сглаживается воздушным ресивером (на чертеже не показан), а вибрация, возникающая в результате реакции движения поршней, компенсируется применением двух свободнопоршневых двигателей с вынесенными камерами сгорания (далее - энергомодулей), располагаемых таким образом, что оси симметрии поршней находятся на одной прямой и совершают движения в противофазе.
Основные преимущества электрогенератора на основе энергомодуля перед автономным агрегатом питания, состоящим из двигателя внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом и роторного электрогенератора, следующие.
Удельная мощность.
При эквивалентной мощности энергомодуля и автономного агрегата питания масса энергомодуля меньше на суммарную массу оси и подшипников роторного электрогенератора, а также массы пальцев поршней, шатунов, коленчатого вала, маховика и подшипников двигателя внутреннего сгорания. Поэтому удельная мощность энергомодуля значительно превосходит таковую автономного агрегата питания.
Экономичность.
Высокая экономичность энергомодуля обеспечивается рядом факторов. Расход топлива прямо пропорционален развиваемой мощности. Возможность реализации предельно высокой степени расширения продуктов сгорания в цилиндрах энергомодуля, охлаждение стенок цилиндров потоком воздуха от компрессора до камеры сгорания не только позволяет утилизировать выделяемое ими тепло, но и реализовать высокотемпературное охлаждение и отказаться от жидкостного.
Многотопливность.
Подобно газотурбинному двигателю энергомодуль не требователен к физико-химическим характеристикам топлива, способен работать на любых сортах моторных топлив.
Пуск двигателя.
Отсутствие жидкостного охлаждения обеспечивает высокие пусковые качества и быстрый выход на любой режим мощности при любых погодных условиях.
Область применения энергомодуля.
Основное назначение - служить автономным источником энергии для квартир, особняков, дач. Сельскохозяйственных сооружений и сельхозтехники. В перспективе энергомодуль будет использоваться в качестве универсального энергомодуля энергосистемы автомобиля с комбинированной силовой установкой. Установочная мощность каждой конкретной модели будет комплектоваться простым набором необходимого количества универсальных энергомодулей. Незаменимым окажется энергомодуль в экстремальных условиях.
За короткое время энергомодули можно доставить туда, где необходимо организовать экстренное энергоснабжение. В этом случае энергомодули объединяются в модульные электростанции значительных мощностей.
Электрогенератор на основе свободнопоршневого двигателя с вынесенной камерой сгорания, содержащий вынесенную камеру сгорания, полости поршней компрессора, полости поршней привода компрессора, статорную катушку и якорь линейного электрогенератора, жестко связанный с поршнями компрессора и поршнями привода компрессора, отличающийся тем, что двигатель снабжен клапанами управления потоком продуктов сгорания и воздухораспределительными клапанами, причем продукты сгорания из камеры сгорания через открытые клапаны управления потоком продуктов сгорания поступают в левую и правую полости поршней привода компрессора, а воздух из левой и правой полостей поршней компрессора через отрытые воздухораспределительные клапаны поступает в камеру сгорания.
