ИМПУЛЬСНЫЙ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОР Российский патент 1995 года по МПК F02B71/04 

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к импульсным дизель-генераторам, на свободных поршнях с программным управлением на базе микропроцессора.

Известен импульсный электродинамический генератор, содержащий разгонный ствол, в котором свободно перемещается металлический поршень, камеру, обеспечивающую ускорение поршня подаваемым извне сжатым воздухом или сжиганием топливной смеси от электросвечи, камеру торможения и возврата поршня, статор.

При проходе через статор, возбуждаемый разрядом конденсаторной батареи, поршень деформирует магнитное поле и энергия сжатого магнитного поля преобразуется в электрическую. Такой электродинамический генератор имеет невысокий КПД получаемой электроэнергии вследствие потерь на скольжение и аэродинамическое сопротивление, тем больших, чем выше скорость поршня (300 м/с) в разгонном стволе большой протяженности, и из-за тепловых потерь в камере торможения, обеспечивающей только возврат поршня без выполнения полезной работы.

Наиболее близким к предлагаемому является свободнопоршневой двигатель, содержащий цилиндр с двумя торцевыми камерами сгорания, на котором расположены обмотки статора и обмотка возбуждения, два жестко связанных между собой поршня с токоприемными обмотками и обмотками возбуждения, форсунки впрыска топлива, всасывающие и выпускные клапаны.

Двигатель работает по двухтактному дизельному циклу, используя возвратно-поступательное движение рабочий ход поршня в одной камере сгорания вызывает сжатие и воспламенение смеси в другой камере сгорания. Механическое смещение поршней преобразуется в электрическую энергию с помощью обмотки возбуждения статора, индуктирующей ток в последовательно соединенных токоприемной обмотке и обмотке возбуждения. Последняя индуктирует ток нагрузки в обмотке статора.

Такая конструкция свободнопоршневого двигателя не позволяет получить электроэнергию с высоким КПД из-за неэкономичности двухтактного цикла по сравнению с четырехтактным и неполного отбора энергии расширяющихся газов поршнем двигателя. Это объясняется тем, что поршни выполняют полезную работу одновременно с отбором энергии расширяющихся газов, что с точки зрения повышения КПД является взаимоисключающими факторами.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание импульсного дизель-генератора, работающего по наиболее экономичному четырехтактному дизельному циклу на свободных поршнях, и повышение таким образом КПД.

Противоречие, которое при этом необходимо преодолеть, заключается в том, что одновременный отбор энергии расширяющихся газов поршнем дизельного двигателя и выполнение полезной работы с точки зрения повышения КПД являются взаимоисключающими факторами и это противоречие проявляется тем сильнее, чем выше нагрузка. Так как давление газов в цилиндре двигателя расходуется не только на выполнение полезной работы, но и на увеличение кинетической энергии поршня, то полезная работа будет производится до тех пор, пока сила, развиваемая поршнем, будет превышать силу нагрузки, в противном случае величина нагрузки препятствует росту кинетической энергии поршня.

Поскольку свободно движущееся тело увеличивает величину кинетической энергии независимо от собственного уровня энергии и от величины силы, действующей на него и совпадающей с направлением его движения, то отбор энергии расширяющихся газов в рабочем цилиндре дизельного двигателя со свободным поршнем будет осуществляться наиболее эффективно в том случае, когда величина полезной работы, производимая поршнем, будет равна нулю, т.е. когда вся энергия расширяющихся газов будет полностью потрачена только на ускорение поршня.

Для обеспечения такого условия необходимо оборвать связь поршня с нагрузкой или исключить возможность одновременно производить полезную работу и отбор энергии расширяющихся газов в рабочем цилиндре дизельного двигателя одним и тем же поршнем или обеспечить работу дизельного двигателя двумя поршнями, из которых один производит полезную работу, а другой преобразует давление газов в кинетическую энергию.

При выполнении этого условия свободно движущийся поршень будет аккумулировать уменьшающееся давление расширяющихся газов в виде нарастающей кинетической энергии поршня. На момент, когда давление газов в рабочем цилиндре станет равным атмосферному (момент выхлопа), осуществится полный отбор и накопление энергии поршнем.

Выделение накопленной поршнем энергии осуществляется в другом рабочем цилиндре, который сообщен с ускорительным цилиндром линейного генератора, где она расходуется на сжатие воздуха, при этом вся кинетическая энергия поршня полностью преобразуется в энергию сжатого воздуха, которая используется для ускорения якорь-поршня линейного генератора, работающего в импульсном режиме.

Таким образом, для увеличения КПД импульсного дизель-генератора отбор и аккумуляция энергии расширяющихся газов в рабочем цилиндре дизельного двигателя, отбор и аккумуляция энергии сжатого воздуха, который используется для ускорения якорь-поршня, осуществляется двумя свободными поршнями дизельного двигателя, при этом четырехтактный дизельный цикл обеспечивается работой свободных поршней и совмещен с выполнением полезной работы якорь-поршнем линейного генератора.

На фиг.1 показано исходное положение поршней 5 и 6 и якорь-поршня перед пуском дизель-генератора; на фиг.2 положение поршней 5 и 6 и якорь-поршня в момент образования камеры наполнения 45; на фиг.3 положение поршней 5 и 6 и якорь-поршня на момент воспламенения рабочей смеси (1 такт); на фиг.4 положение поршней 5и 6 и якорь-поршня к моменту окончания приостановки поршня 5 (поршень 6 находится в мертвой точке); на фиг.5 положение поршней 5 и 6 и якорь-поршня на момент разгерметизации камеры сгорания 48; на фиг.6 показано положение поршней 5 6 и якорь-поршня на момент разгерметизации ускорительного цилиндра 8; на фиг.7 положение поршней 5 и 6 и якорь-поршня на момент окончания рабочего такта в рабочем цилиндре 4 и ускорительном цилиндре 8; на фиг.8 положение поршней 5 и 6 и якорь-поршня 10 на момент образования камеры наполнения 52; на фиг.9 положение поршней 5 и 6 и якорь-поршня 10 на момент воспламенения рабочей смеси (II такт).

Импульсный дизель-генератор по изобретению содержит дизельный двигатель 1 и линейный генератор 2. Дизельный двигатель 1 состоит из двух соосных состыкованных между собой рабочих цилиндров 3 и 4, внутри которых размещены не связанные между собой поршни 5 и 6, установленные с возможностью перемещаться независимо друг от друга, из рабочего цилиндра 3 в рабочий цилиндр 4 и обратно. Линейный генератор 2 состоит из ускорительных цилиндров 7 и 8, статора 9 и якорь-поршня 10, установленного с возможностью свободного перемещения из ускорительного цилиндра 7 в ускорительный цилиндр 8 и обратно.

Полости рабочих цилиндров 3 и 4 дизельного двигателя 1 попарно сообщены с полостями ускорительных цилиндров 7 и 8 линейного генератора 2 с помощью отводов 11 и 12, расположенных на противоположных концах соответствующих цилиндров. Внутри отводов 11 и 12 установлены заслонки 13 и 14 для регулировки потока воздуха между цилиндрами 3 и 4 и цилиндрами 4 и 8 соответственно.

Дизельный двигатель 1 снабжен отдельными для каждого рабочего цилиндра 3 и 4 форсунками подачи сжатого воздуха 15 и 16 и форсунками подачи топлива 17 и 18, а также общими для обоих рабочих цилиндров 3 и 4 выхлопными окнами 19. Выхлопные окна 19 выполнены в месте стыка рабочих цилиндров 3 и 4, форсунки подачи сжатого воздуха 15 и 16 расположены по обе стороны от выхлопных окон 19 в непосредственной близости от них, а форсунки подачи топлива 17 и 18 за форсунками подачи сжатого воздуха 15 и 16.

На внешних торцах рабочих цилиндров 3 и 4 дизельного двигателя 1 и на внешних торцах ускорительных цилиндров 7 и 8 линейного генератора 2 расположены реверсивные клапаны 20-23, которые соединены с емкостями воздуха высокого давления 24 и 25 Реверсивные клапаны 20-23 снабжены управляемыми вентилями 26-29 для сброса воздуха из цилиндров 3-8, каждый из которых снабжен соответственно датчиками давления 30-33.

Форсунки подачи воздуха 15 и 16 с помощью трубопроводов 34 и 35 соединены с полостями соответствующих рабочих цилиндров 3 и 4, а с помощью трубопроводов 36 и 37 с емкостью воздуха низкого давления 38, которая трубопроводами 39 и 40 соединена с емкостями воздуха высокого давления 24 и 25. Отверстия 41 и 42 для разгерметизации полостей рабочих цилиндров 3 и 4 дизельного двигателя 1 выполнены в стенках ускорительных цилиндров 7 и 8 линейного генератора 2 и расположены по обе стороны от статора 9, который жестко установлен между ускорительными цилиндрами 7 и 8 и электрически от них изолирован.

Якорь-поршень 10 линейного генератора 2 снабжен обмоткой подмагничивания (не показана), концы которой соединены с группами поршневых колей 43 и 44, которые электрически изолированы от корпуса якорь-поршня 10.

Импульсный дизель-генератор работает следующим образом.

Перед пуском дизель-генератора поршень 5 находится в рабочем цилиндре 3, поршень 6 в рабочем цилиндре 4 дизельного двигателя 1, а якорь-поршень в ускорительном цилиндре 7 линейного генератора 2.

Установка поршней 5, 6 и якорь-поршня 10 в исходное положение (фиг.1) осуществляется продольно-поперечной продувкой сжатым воздухом при закрытых заслонках 13 и 14. Через реверсивные клапаны 20 и 21 короткими импульсами подаются порции сжатого воздуха, достаточные только для переброски поршней из одного рабочего цилиндра в другой при непрерывной продувке сжатым воздухом из емкости 38. Проходя под форсунками 15 и 16, сжатый воздух ускоряет первый по ходу движения поршень и замедляет второй, т.е. возникает воздушная прослойка между поршнями. Чтобы она сохранилась при проходе выхлопных окон 19, оба вентиля 26 и 27 после продольного пуска открываются, воздух поршнями 5 и 6 вытесняется только из одного рабочего цилиндра, затем оба вентиля 26 и 27 закрываются. Через несколько тактов становится возможным "отскок" дожимающего воздух в противоположный цилиндр, вентиль которого остается открытым, не препятствуя такому отходу.

Якорь-поршень 10 устанавливается в исходное положение отдельно от установки поршней 5 и 6 только продольной продувкой воздуха.

Управление работой импульсного дизель-генератора (ИДГ) осуществляется программными средствами на базе микропроцессора.

Пуск импульсного дизель-генератора производится поршнем 5 и якорь-поршнем 10, для чего открывают заслонку 14, закрывают заслонку 13, и через реверсивные клапаны 20 и 22 раздельными импульсами подают воздух высокого давления из емкости 24 (фиг.1). Длительность импульсов подбирается такой, чтобы поршень 5, пройдя выхлопные окна 19, и якорь-поршень 10, пройдя отверстия для разгерметизации 42, одновременно перекрыли рабочий цилиндр 4 и ускорительный цилиндр 8.

В этом положении образуется камера наполнения (КН) 45, ограниченная торцами 46 и 47 поршней 5 и 6, которые расположены на расстоянии l_кн друг от друга.

В камеру наполнения 45 через форсунку 16 подается порция воздуха из емкости низкого давления 38, через форсунку 18 порция топлива (фиг.2). Поршень 5, продолжая движение вправо, сжимает смесь "воздух-газ", приводя в движение поршень 6, якорь-поршень 10 сжимает воздух в ускорительном цилиндре 8 навстречу поршню 6. Рабочая смесь смещается на величину Δ l_кн за пределы расположения форсунок 16 и 18. Между торцами 46 и 47 поршней 5 и 6 образуется камера сгорания (КС) 48 (фиг.3).

Если кинетическая энергия поршня 5 достаточно велика, то при степени сжатия 13 и выше произойдет многоочаговое воспламенение рабочей смеси, как в обычном дизельном двигателе.

Поршень 5 приостанавливается на мгновение, отдавая камере сгорания 48 избыточную кинетическую энергию. Приостановка поршня 5, дожимающего горящую смесь, позволяет поршню 6 ускоренно сместиться вправо на величину Δ КС_п под действием максимального давления в камере сгорания, при этом начинается вторичное сжатие объема предварительно сжатого воздуха между поршнем 6 и якорем-поршнем 10.

Якорь-поршень 10 начинает смещаться влево почти одновременно с ускоренным движением поршня 6 вправо в условиях нарастающего, несмотря на движение якорь-поршня 10, давления воздуха, производимого поршнем 6, так как площадь торца поршня 6 больше площади торца якорь-поршня 10 (фиг.4).

Окончание приостановки поршня 5 вызывает его резкий отход влево, напоминающий "отстрел", при этом поршень 5, пройдя выхлопные окна 19, разгерметизирует камеру сгорания 48, перекроет рабочий цилиндр 3, а якорь-поршень 10, продолжая ускоренное движение влево, пройдя отверстия разгерметизации 41, перекроет ускорительный цилиндр 7, образовав левую газораспределительную камеру (ГРК) 49. В нее входят объемы ускорительного цилиндра 7, рабочего цилиндра 3, камер-пробок 50 и 51 и воздушного отвода 11. Аналогично при обратном ходе будет образована правая ГРК 54. Объем ГРК переменный (фиг.2).

Поршень 6 после прекращения приостановки поршня 5, продолжая двигаться вправо, проходит путь торможения Δ КС_мт до полной его остановки (перехода через мертвую точку (МТ). Время прохода пути Δ КС_мт или время "зависания" поршня 6t_зав затянуто, т.к. поршень 6 тормозится теперь уже уменьшающимся давлением воздуха перед ним якорь-поршень 10 освободил большую часть объема ускорительного цилиндра 8 и в то же время поршень 6 испытывает уменьшающееся давление со стороны камеры сгорания 48.

В идеальном случае время "зависания" поршня 6 должно быть равно времени "отстрела" поршня 5. Тогда длина камеры сгорания 48 l_кс станет равна (фиг. 1-5):
l_кс l_кн + Δ l_кн + Δ КС_п + Δ КС_мт
Якорь-поршень 10 частью своей длины Δ Я удерживает сжатый воздух в ускорительном цилиндре 8, предоставляя возможность поршню 6 начать возвратное движение (фиг. 5). Время прохода якорем-поршнем 10 пути Δ Я в условиях электромагнитного торможения в статоре 9 и в левой газораспределительной камере 49 равно времени ускорения поршня 6 на пути Δ l (фиг.6). Или время на ускорение поршня 6 равно времени между разгерметизацией камеры сгорания 48 и разгерметизацией правой газораспределительной камеры 54. Это равенство выдерживается тем точнее, чем больше диаметр поршней 5 и 6 дизельного двигателя 1 в сравнении с диаметром якорь-поршня 10 линейного генератора 2, при достаточной длине якорь-поршня 10 с тем, чтобы к моменту разгерметизации якорем-поршнем 10 ускорительного цилиндра 8 остаточное давление воздуха было полностью использовано поршнем 6 для ускорения, но не более, чем на пути Δ l, (чтобы момент падения давления воздуха в ускорительном цилиндре 8 до атмосферного совпал с его разгерметизацией якорем-поршнем 10).

Двигаясь влево, поршень 6 вытесняет отработанный газ к выхлопным окнам 19 и одновременно прокачивает объем Δ V воздуха по пути: открытые отверстия разгерметизации 42, ускорительный цилиндр 8, воздушный отвод 12, рабочий цилиндр 4, выхлопные окна 19 обеспечивая, заодно с прокачкой "свежего" воздуха, перенос тепла из ускорительного цилиндра 8 в рабочий цилиндр 4 и далее к выхлопным окнам 19 (после того, как поршень 6 покинет рабочий цилиндр 4).

Как только торец 46 поршня 5 пройдет форсунку 15, подается порция воздуха низкого давления из емкости 38 (фиг.1), которая, расширяясь, увлекается вглубь рабочего цилиндра 3 вслед за поршнем 5, отсекает торец 46 поршня 5 от выхлопных газов, а образующаяся воздушная подушка частично выходит через выхлопные окна 19 и выталкивает отработанный газ навстречу движущемуся поршню 6 (фиг.6).

Поршень 6 и якорь-поршень 10, продолжая двигаться влево, сжимают воздух в левой газораспределительной камере 49. Как только поршень 5 пройдет форсунку 17, подается порция топлива в увлекаемый поршнем 5 воздух.

Поршень 6 завершает вытеснение отработанных газов, приблизившись к выхлопным окнам 19 (фиг.7). Продолжая двигаться влево, поршень 6 перекрывает рабочий цилиндр 3, образуя камеру наполнения 52 между торцами 46 и 47 движущихся поршней 5 и 6, которые находятся на расстоянии l_кн друг от друга (фиг. 8).

Продолжая движение влево, поршень 6 сжимает смесь "воздух-газ", при этом рабочая смесь смещается за пределы расположения форсунок 15 и 17 на величину Δ l_кн, образуя камеру наполнения 53. После воспламенения рабочей смеси цикл работы импульсного дизель-генератора повторяется (фиг.9).

Из газораспределительных камер 49 и 54 (фиг.1 и 6) воздух по трубопроводам 34 и 35 (фиг.1 и фиг.9) через форсунки 15 и 16 подается в камеры наполнения 45 и 52 (фии.2 и 8) только после вычисления его величины, т.к. избыточный расход воздуха может привести к срыву работы дизельного двигателя 1.

Остановка импульсного дизель-генератора выполняется с использованием управляемых вентилей 26-29 сброса воздуха из цилиндров 3, 4 7 и 8, воздушных заслонок 13, 14, с помощью которых, например, рабочий цилиндр 3 и ускорительный цилиндр 7 изолируются друг от друга и превращаются в камеры-пробки большой протяженности (фиг.1).

Получив от микропроцессора сигнал остановки, дизельный двигатель 1 выводится в режим минимальной мощности. Выбирается сторона остановки, например, левая (фиг.3). Заслонка 13 перекрывает воздушный отвод 11 и открываются вентили 26 и 28 для сброса воздуха. Поршень 5 и якорь-поршень 10 вытесняют воздух из цилиндров 3 и 7, затем вентили 26 и 28 закрываются. Поршень 6, вызвав вспышку рабочей смеси, "отстреливается" вправо, заслонка 14 перекрывает воздушный отвод 12 и открывается вентиль 27. Поршень 6 вытесняет воздух из рабочего цилиндра 4, затем вентиль 27 закрывается.

Поршень 6 остается на месте.

Поршень 5 после вспышки смеси попытается отойти вправо, давление воздуха в камере-пробке 51 резко понизится, и, под действием атмосферного давления выхлопные окна 19 свободны, поршень 5 сместится назад.

Подкачка воздуха высокого давления в емкости 24 и 25 (фиг.1) через реверсивные клапаны 20-23 осуществляется в импульсном режиме дозированно, ориентируясь на показания датчиков давления 30-33, по каждому такту работы импульсного дизель-генератора в момент максимального давления в газораспределительной камере.

Ражим подкачки может осуществляться раздельно или совмещенно с выработкой электроэнергии в статоре 9 линейного генератора 2.

Средняя часть 55 линейного генератора 2, расположенная между ускорительными цилиндрами 7 и 8, электрически изолирована от ускорительных цилиндров 7 и 8 в местах расположения отверстий для разгерметизации 41 и 42. Для подачи импульса возбуждения на обмотку якорь-поршня 10, концы которой соединены с группами колец 43 и 44, которые электрически изолированы от корпуса якорь-поршня 10 (фиг. 1), источник импульсов (не показан) подключает к средней части 55 и ускорительным цилиндрам 7 и 8.

При проходе под статором 9 якорь-поршня 10 обмотка его подключается к источнику импульсов возбуждения (между одним из ускорительных цилиндров и средней частью 55), якорь-поршень 10 намагничивается и тормозится в статоре 9, обеспечивая одновременность образования газораспределительной камеры одним из поршней 5, 6 и якорем-поршнем 10, так как дизельный двигатель 1, непрерывно перекачивая энергию с помощью приостановки в линейный генератор 2, от такта к такту увеличивает скорость проходя якорь-поршня 10 в статоре 9, предоставляя возможность торможением якорь-поршня 10 обеспечить одновременность образования газораспределительной камеры 49 или 54, т.е. амплитуда импульса возбуждения определяет входную скорость якорь-поршня 10 в статоре 9 или одновременность образования одно из газораспределительных камер 49 или 54. Длительность импульса возбуждения регулирует выходную скорость якорь-поршня 10 из статора 9 или регулирует избыток или недостаток кинетической энергии якорь-поршня 10 на момент вспышки рабочей смеси.

Использование: в энергомашиностроениии. Сущность изобретения: отбор и аккумуляция энергии расширяющихся газов в рабочем цилиндре 3, 4, дизельного двигателя и отбор и аккумуляции сжатого воздуха, который используется для разгона якоря-поршня 10, осуществляется двумя свободными поршнями 5, 6 дизельного двигателя. При этом четырехтактный дизельный цикл обеспечивается работой свободных поршней и совмещен с выполнением полезной работы якорем-поршнем линейного генератора. 1 з. п. ф-лы, 9 ил.

1. ИМПУЛЬСНЫЙ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОР, включающий свободнопоршневой дизельный двигатель, выполненный в виде двух соосных рабочих цилиндров, состыкованных между собой, и динейный генератор, содержащий якорь-поршень, статор и ускорительные цилиндры, которые вместе с рабочими цилиндрами дизельного двигателя сообщены с системой подачи сжатого воздуха, а также форсунки подачи сжатого воздуха, форсунки подачи топлива, выхлопные окна и отверстия для разгерметизации полостей рабочих цилиндров дизельного двигателя, отличающийся тем, что поршни дизельного двигателя установлены с возможностью перемещения независимо друг от друга из одного рабочего цилиндра в другой и обратно, рабочие цилиндры дизельного двигателя и ускорительные цилиндры линейного генератора сообщены между собой с помощью отводов, установленных на противоположных концах цилиндров, выхлопные окна выполнены в месте стыка рабочих цилиндров дизельного двигателя, форсунки подачи сжатого воздуха расположены по обе стороны от выхлопных окон, форсунки подачи топлива размещены за форсунками подачи сжатого воздуха, отверстия для разгерметизации полостей рабочих цилиндров дизельного двигателя выполнены в стенках ускорительных цилиндров по обе стороны от статора, при этом последний установлен между ускорительными цилиндрами линейного генератора. 2. Дизель-генератор по п.1, отличающийся тем, что диаметр поршня дизельного двигателя равен или больше диаметра якоря-поршня линейного генератора.