Газораспределительный способ синхронизации движения поршней энергомодуля
Изобретение относится к энергомашиностроению. Газораспределительный способ синхронизации движения поршней энергомодуля, преобразующего химическую энергию моторного топлива в электрическую или механическую энергию, включающий общую внешнюю камеру сгорания и две однотактные свободнопоршневые расширительные машины, оси симметрии поршней которых совпадают с одной прямой, и поршни двигаются в противофазе, согласно изобретению синхронизация движения поршней расширительных машин энергомодуля осуществляется перераспределением поступающих из внешней камеры сгорания продуктов сгорания в цилиндры расширительных машин, для чего система управления отслеживает величины скоростей каждого поршня, сравнивает их значения и по сигналу рассогласования скоростей поршней устанавливает исполнительный орган синхронизатора в положение, при котором увеличивается подача продуктов сгорания в тот цилиндр, скорость движения поршня в котором меньше скорости оппозитно движущегося поршня в другом цилиндре на время, необходимое для уравнивания скоростей поршней, или на время, обеспечивающее одновременный приход поршней в крайние точки их движения. Изобретение обеспечивает уменьшение энергозатрат на привод синхронизатора, его удельного объема и увеличение удельной мощности энергомодуля. 2 ил.
Область техники
Изобретение относится к области энергомашиностроения.
Уровень техники
Одно из условий функционирования свободнопоршневых двигателей - синхронное движение поршней в противофазе на всем протяжении тактов схождения и расхождения. Заявленный способ синхронизации движения поршней может применяться в энергомодуле с общей внешней камерой сгорания и двумя идентичными однотактными свободнопоршневыми расширительными машинами, оси симметрии поршней которых совпадают с одной прямой, а сами поршни двигаются в противофазе. Традиционно синхронизация движения поршней свободнопоршневых двигателей реализуется механическими синхронизаторами трех типов: кривошипно-шатунными, реечно-шестеренными и параллелограмными (П.А.Шелест. "Безвальные генераторы газов". Москва, Машгиз, с.302-305). Основной их недостаток - наличие определенной массы, энергозатраты на привод и громоздкость конструкции.
Заявленное изобретение уменьшает энергозатраты на привод синхронизатора, уменьшает его удельный объем и увеличивает удельную мощность энергомодуля.
Раскрытие изобретения
Газораспределительный способ синхронизации движения поршней энергомодуля, преобразующего химическую энергию моторного топлива в электрическую или механическую энергию через силовую расширительную машину поршневого или турбинного типа, осуществляется перераспределением поступающих из камеры сгорания продуктов сгорания между цилиндрами его расширительных машин так, чтобы обеспечить равные скорости поршней.
Перед изложением сущности газораспределительного способа синхронизации движения поршней дается описание принципа действия энергомодуля в составе линейного электрогенератора и однотактной свободнопоршневой расширительной машины с внешней камерой сгорания. Энергомодуль преобразует химическую энергию моторного топлива в электроэнергию.
Принцип действия энергомодуля в составе линейного электрогенератора и однотактной свободнопоршневой расширительной машины с внешней камерой сгорания.
Состав энергомодуля, см. фигуру 1.
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 S 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 достижении 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 6, 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 положение 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.
В силу того что невозможно изготовить оба цилиндра расширительных машин идеальной цилиндрической формы, а поршни к тому же равными по массе, и по ряду других причин, скорости движения поршней в каждый текущий момент могут быть различными, что вызывает возникновение вибраций энергомодуля, для подавления которых необходимо обеспечить синхронное движение поршней в противофазе.
Принцип газораспределительного способа синхронизации движения поршней энергомодуля поясняется на приводимом ниже примере.
Принцип действия энергомодуля в составе двух однотактных свободнопоршневых расширительных машин с общей внешней камерой сгорания.
Состав энергомодуля, см. фигуру 2.
17 - блок поршней, 18, 19 - расширительные машины, 20 - камера сгорания, 21, 22 - газовые каналы, 23 - синхронизатор, 24, 25 - газораспределительные клапаны, 26 - исполнительный орган синхронизатора, заслонки (далее для краткости - поршни) расширительных машин 18 и 19 находятся в точках крайнего схождения, либо, как показано на чертеже в точках крайнего расхождения. При пуске энергомодуля в камеру сгорания 20 продукты сгорания по каналам 21 и 22 синхронизатора 23 через газораспределительные клапаны 24 и 25 поступают в цилиндры расширительных машин 18 и 19, в результате чего поршни начинают сходиться. Система управления (не показана) отслеживает величины скоростей каждого поршня и, сравнивая их значения, вырабатывает сигнал рассогласования. Если, например, скорость поршня левой расширительной машины меньше скорости поршня правой, система управления по сигналу рассогласования устанавливает исполнительный орган синхронизатора 23, в данном случае заслонку 26, в положение как показано на чертеже. Площадь поперечного сечения левого канала 21 синхронизатора 23 увеличивается, а площадь поперечного сечения правого канала 22 уменьшается. Соответственно динамическое сопротивление потоку продуктов сгорания левого канала 21 уменьшается, а правого канала 22 увеличивается. Давление продуктов сгорания в левом цилиндре 18 увеличивается, и скорость его поршня тоже увеличивается, а давление продуктов сгорания в правом цилиндре уменьшается, и скорость поршня в нем уменьшается. Заслонка 26 остается в данном положении до тех пор, пока скорости поршней не уравняются или пока поршни одновременно не придут в крайние точки схождения, после чего система управления возвращает заслонку 26 в исходное положение. Синхронизация движения поршней при такте расхождения поршней осуществляется аналогичным образом.
Промышленная применимость изобретения.
Газораспределительный способ синхронизации движения поршней уменьшает удельный объем энергомодуля и увеличивает его удельную мощность. Реализация способа не требует решения сложных технических проблем.
Графический материал.
Фигура 1.
Энергомодуль в составе линейного электрогенератора и однотактной свободнопоршневой расширительной машины с внешней камерой сгорания.
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.
Фигура 2.
Энергомодуль в составе двух однотактных свободнопоршневых расширительных машин с общей внешней камерой сгорания.
17 блок поршней, 18, 19 - расширительные машины, 20 - камера сгорания, 21, 22 - газовые каналы, 23 - синхронизатор, 24, 25 - газораспределительные клапаны, 26 - исполнительный орган синхронизатора, заслонка.
Газораспределительный способ синхронизации движения поршней энергомодуля, преобразующего химическую энергию моторного топлива в электрическую или механическую энергию, включающий общую внешнюю камеру сгорания и две однотактные свободнопоршневые расширительные машины, оси симметрии поршней которых совпадают с одной прямой и поршни двигаются в противофазе, отличающийся тем, что синхронизация движения поршней расширительных машин энергомодуля осуществляется перераспределением поступающих из внешней камеры сгорания продуктов сгорания в цилиндры расширительных машин, для чего система управления отслеживает величины скоростей каждого поршня, сравнивает их значения и по сигналу рассогласования скоростей поршней устанавливает исполнительный орган синхронизатора в положение, при котором увеличивается подача продуктов сгорания в тот цилиндр, скорость движения поршня в котором меньше скорости оппозитно движущегося поршня в другом цилиндре на время, необходимое для уравнивания скоростей поршней, или на время, обеспечивающее одновременный приход поршней в крайние точки их движения.
