ЛИНЕЙНЫЙ ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Российский патент 1999 года по МПК F02B71/04 H02K35/02 

Эта заявка относится к области автогенных генераторов электроэнергии, и более конкретно к генераторам, в которых механическая энергия, создаваемая возвратно-поступательным движением поршней двигателя внутреннего сгорания без коленчатого вала, трансформируется в электрический ток за счет взаимодействия постоянных магнитов, как единого целого с вышеупомянутыми поршнями при их движении, с неподвижными обмотками, которые циклически погружаются в магнитное поле, связанное с указанными магнитами.

Этот тип генераторов, очевидно, пригоден для производства электрического тока, который может затем использоваться либо непосредственно, например, для освещения или отопления, либо опосредованно для подачи энергии на электродвигатели, которые могут использоваться в различных типах тяговых средств на земле или воде, или в воздухе, или в других вариантах применения.

Однако используемые генераторы требуют точного выполнения с точки зрения выходного напряжения и настройки для сведения к минимуму шумов и причинения вреда окружающей среде.

Примеры уже известных типов таких генераторов имеют значительные ограничения с точки зрения требований, которые упомянуты выше. Характерный пример генератора дан в заявке GB 2219671A. Этот генератор также производит электроэнергию при помощи возвратно-поступательного движения магнитов относительно неподвижных обмоток, с магнитами, составляющими единое целое, при движении, с поршнями двигателя внутреннего сгорания без коленчатого вала, но с точки зрения конфигурации деталей и их предназначения он существенно отличается от генератора, описанного ниже: магниты колеблются относительно неподвижной точки, лежащей в срединной плоскости поперечного сечения устройства, содержащего обмотки, и дополнительно в альтернативном варианте могут также применяться неподвижные обмотки для производства электроэнергии, которая может применяться вне генератора, или для потребления электроэнергии для выталкивания указанных выше магнитов, с тем, чтобы сделать возможным возвратное движение поршня в такте сжатия. Таким образом ясно, что размеры устройства в соответствии с подаваемой энергией значительно больше, чем размеры генератора, соответствующего настоящему изобретению, в котором, как будет видно ниже, электрическая энергия производится как при вхождении магнитов в обмотки, так и при их возвращении в противоположном направлении, и в котором пуск и регулирование работы устройства могут осуществляться просто изменением количества топлива на цикл работы.

Общая регулировка устройства, соответствующего Британскому патенту, однако, как в части внутреннего сгорания, так и в электромагнитной части, очень сложна и дорога, поскольку давление и количество подаваемого воздуха, количество топлива и значения характеристик, находящиеся в определенном соотношении с током, проходящим по обмоткам (полное сопротивление, сопротивление, направление и т.д.), должны регулироваться при помощи электронных средств, цикл за циклом.

Регулирование количества впускаемого воздуха, например, в случае внутреннего сгорания бензина должно осуществляться приблизительно путем измерений способом определения количества химических веществ, участвующих в химической реакции как для двух тактов, так и для четырех тактов, которые осуществляются независимо от вышеупомянутых значений электрических параметров в районе впускных отсечных клапанов для воздуха и бензина. Значения электрических параметров, о которых идет речь, должны регулироваться последовательно, цикл за циклом, в соответствии с результатами только что описанной первоначальной регулировки. Это предусматривает применение подходящего компьютерного оборудования, способного хранить и обрабатывать большой объем данных, которое делает устройство как дорогим, так и чувствительным к повреждениям.

Значения электроэнергии и напряжения, вырабатываемые в ходе различных циклов, которые в значительной мере зависят от частоты колебания магнитов, не являются непосредственно или автоматически пропорциональными значению механической энергии, производимой двигателем при изменении такта сжатия. Это в целом предусматривает применение крупногабаритных аккумуляторных батарей, расположенных между частью внутреннего сгорания, которая их подзаряжает, и электродвигателями, которые питаются аккумуляторными батареями.

Функциональная схема двигателя внутреннего сгорания, кроме отсутствия коленчатого вала, является обычной, и отсюда задача состоит в достижении хорошей общей эффективности путем доведения до максимума энергии на цикл для получения требуемых высоких температур и давлений.

В то время как это приемлемо строго с точки зрения только энергии, это не так с точки зрения загрязнения окружающей среды, поскольку практически невозможно предотвратить образование токсичных составов, таких как закись азота и окись углерода при работе устройства на установленной смеси при высоких температурах внутри цилиндра.

Другой подобный пример линейного генератора включает двигатель Джарретта, в котором, хотя управление "возвращением" поршня под давлением, создаваемым электрическим током, представляет собой меньшую проблему, существуют все вышеупомянутые недостатки, плюс тот факт, что для того, чтобы дополнительно не увеличивать потери, которые уже высоки, свежий воздух для цикла поступает в цилиндр при помощи акустического резонанса, которого можно достичь только в ограниченном диапазоне частот цикла, и который влечет за собой то, что этот тип двигателя запускается только электрическим способом, и после этого работает с зафиксированной очень высокой компрессией, составляющей соотношение 26:1, что означает, что двигатель может работать только на сырой нефти, и только на очень высоких зафиксированных скоростях, при этом ему необходимо охлаждение, существуют проблемы с частицами и т.д.

Автор настоящего изобретения пришел к заключению, что для одновременного разрешения проблем вредных выбросов, сложности конструкции, необходимости применения промежуточных аккумуляторных батарей, возможности предварительной регулировки и низкой эффективности нужен генератор, в котором электромагнитная часть и часть внутреннего сгорания должны вместе образовывать функциональную единицу и составлять единое целое, при этом движение поршня с изменяемыми тактами будет приводить к тому, что количество механической энергии, производимой частью внутреннего сгорания, будет точно соответствовать количеству энергии, поглощаемой электромагнитной частью при производстве электрического тока для каждого такта, согласно законам термодинамики, сгорания газов и электромагнетизма.

На основании этого замысла, с применением одной или более форкамер в дополнение к существующим цилиндрам было создано сверхпростое устройство, управляемое электронным средством, прежде всего, путем управления только количеством топлива, впускаемого за один цикл, и положением конца такта сжатия поршня или поршней. Все это было достигнуто, как будет описано более подробно далее, с очень низкими максимальными, средними и минимальными температурами применяемых термодинамических циклов (около половины от обычных значений для двигателей внутреннего сгорания), и отсюда фактически с нулевым загрязнением окружающей среды и с очень высокой общей эффективностью работы части внутреннего сгорания при всех рабочих скоростях.

Основываясь на вышесказанном, автор изобрел объект данного описания, который фактически относится к автогенному генератору электроэнергии, в котором образование энергии достигается благодаря соединению электромагнитного средства, включающего неподвижные обмотки, с одним или более постоянных магнитов, движущихся вместе с возвратно-поступательным движением одного или более поршней двухтактного двигателя внутреннего сгорания, который может работать с изменяемым ходом сжатия, каждый поршень завершает один рабочий ход в результате сгорания топлива и расширения газов в цилиндре, и один ход сжатия в результате эффекта действия составляющей, возвращающей механическую энергию, отличающийся изложенным в отличительной части п. 1 прилагаемой формулы изобретения.

Преимущества, упомянутые выше, будут очевидны из подробного описания генератора, приведенного ниже со ссылками на прилагаемые иллюстрации, в которых:
фиг. 1 изображает продольный схематический разрез одного примера конструкции одноцилиндрового двухтактного генератора согласно изобретению;
фиг. 2 изображает продольный схематический разрез другого варианта конструкции с двумя поршнями, обращенными друг к другу с одной общей камерой сгорания;
фиг. 3 изображает схематический вид в плане генератора согласно изобретению, оснащенного четырьмя поршнями, объединенных парами, с двумя камерами сгорания;
фиг. 4 изображает продольный разрез направляющей конструкции, показывающий размещение магнитов и неподвижных обмоток;
фиг. 5 изображает диаграмму расхода сгорающего топлива, как функции весового соотношения воздуха/топлива в смеси;
фиг. 6 изображает продольное сечение примера конструкции с одним цилиндром, оснащенной двумя вспомогательными цилиндрами для выпуска выхлопных газов;
фиг. 7 изображает кривую общей эффективности двигателя внутреннего сгорания в качестве генератора согласно изобретению;
фиг. 8 изображает кривую удельного расхода топлива;
фиг. 9 изображает тип форкамеры в форме усеченного конуса в конфигурации, имеющей два впрыскивающих сопла.

Фиг. 1 изображает генератор, в котором магниты 3 и неподвижные обмотки 2 расположены так, что их электромагнитное сцепление сокращается при увеличении рабочего хода поршня 4, но увеличивается при увеличении хода сжатия поршня 4. Возможны, однако, другие конструкции, в которых части соединены так, что происходит обратное, то есть когда электромагнитное сцепление между магнитами 3 и обмотками 2 увеличивается при увеличении рабочего хода и наоборот.

Генератор состоит из цилиндра 5, в котором поршень 4 двигается (фиг. 1) с двумя одинаковыми устройствами магнитов 3, расположенных симметрично относительно оси цилиндра, единых с ней при помощи ответвления 4'. Эти магниты 3 погружаются в течение циклов при ходе сжатия и рабочем ходе, осуществляемыми поршнем 4, это погружение изменяется под углом в зависимости от длины указанного хода внутри двух неподвижных обмоток 2, которые таким образом идентичны и симметричны.

Поскольку ход сжатия увеличивается, как установлено, электромагнитное сцепление между магнитами 3 и связанными с ними обмотками 2 увеличивается, и наоборот, уменьшается по мере увеличения рабочего хода.

Движение поршня 4 вызывается в одном направлении расширением сжатого газа в соответствии с эффектом сгорания топлива, и в другом направлении - действием средства, предназначенного для возвращения механической энергии, например, одной или более скрученных пружин или других средств, включая электромагнитные средства известного типа, в которых используется электрическая энергия для возвращения механической энергии поршню, например типов генератора, уже известного и на который были сделаны ссылки ранее, даже если последнее устройство более сложное и дорогое.

Топливо, подающееся через впрыскивающее сопло 14, распыляется так, что оно насыщает по меньшей мере часть объема воздуха, содержащегося в форкамере 10, которая имеет по существу коническую конфигурацию с основанием 10', открытым в сторону цилиндра 5.

Узел поршень/магнит удерживается двумя средствами 15, 16 с трением качения (скольжения), которые могут крепиться к корпусу указанного цилиндра 5 и которые допускают ход поршня, как описано выше, с минимальными механическими потерями.

Глядя на ту же фиг. 1, на которой изображен генератор 1 с двухтактным двигателем в нерабочем положении, легко описать его действие: все, что требуется для запуска, это впрыск заранее установленного количества должным образом распыленного топлива в форкамеру 10 и, только для цикла запуска, в цилиндр 5, и образование искры между электродами 13, расположенными вблизи основы 10' конуса, образующего форкамеру 10.

"Взрыв" смеси воздуха и топлива выдвигает узел поршень/магнит в направлении указанных пружин 7, сжимая их, и эти пружины затем разжимаются, возвращая такое же количество "поглощенной" кинетической энергии так, что поршень 4 завершает обратный ход сжатия.

Протяженность этого хода сжатия зависит от кинетической энергии, приобретенной поршнем 4 в результате указанного первоначального "взрыва", от которого количества энергии, которая трансформируется в электроэнергию в обмотках 2 по ходу поршня, проходят в обоих направлениях, при этом уменьшаются различные потери,
Результирующая остаточная кинетическая энергия поршня 4 затем преобразуется в ход сжатия, имеющий определенную длину.

В конце этого процесса сжатия плотность и отсюда масса воздуха, содержащегося внутри форкамеры 10, увеличится до величины, соответствующей полученной степени сжатия, и количество бензина, эквивалентное или немного большее, чем соответствующее количество, необходимое для получения нужной химической реакции, затем впрыскивается при помощи впрыскивающего сопла 14, и это топливо затем воспламеняется электродами 13. Если электромагнитное устройство имеет конструкцию согласно изобретению, то есть такую, что для этого хода сжатия и для соответствующей ему кривой скорости хода поршня, которая увеличивается с увеличением компрессии по понятным физическим причинам, механическая энергия, поглощаемая указанным электромагнитным устройством для производства электроэнергии при ходе поршня 4 вперед и назад, будет равной энергии, генерируемой в течение рабочего хода (сетка выходной мощности), поршень 4 завершит один рабочий ход плюс один возвратный ход сжатия, останавливаясь точно в той же точке, что и раньше, без изменений степени сжатия.

Таким образом, при впрыске одинакового количества топлива при неограниченном количестве циклов обеспечивается устойчивая, стабильная работа генератора.

Для увеличения количества электроэнергии, производимой за цикл, достаточно лишь увеличить на предопределенное значение количество топлива, впрыскиваемого в форкамеру 10.

Увеличение производимой при сгорании топлива энергии по сравнению с последним циклом при работе в постоянном режиме разделяется на увеличение количества произведенной электроэнергии и увеличение степени сжатия, которая устанавливается на новом уровне, который, в свою очередь, зависит исключительно от нового положения, занимаемого поршнем 4 в конце хода сжатия, и количество топлива, соответствующее большей массе воздуха, содержащегося в форкамере 10, должно затем впрыскиваться для соответствия новым условиям, и режим работы будет оставаться стабильным в новых условиях, обеспечивая то, что будет получено подтверждение описанного выше процесса, другими словами, вновь при этом новом ходе сжатия и относительной кривой скорости цилиндра 4 энергия, поглощаемая электромагнитным устройством (то есть, количество электрической энергии, генерируемой за цикл, разделенное на электромагнитный КПД) в новых условиях, при новом количестве энергии, вырабатываемой при сгорании топлива, остается точно такой же. Очевидно, что это относится и к замедлению и уменьшению хода поршня, хотя в этом случае количество бензина на цикл должно быть уменьшено вместо увеличения.

Изобретатель рекомендует увеличение насыщения воздуха в форкамере 10 в постоянном режиме работы примерно на 20% по сравнению с количеством, строго необходимым для химической реакции, то есть соотношение воздуха к бензину должно быль равным примерно 12,2.

В этих условиях быстрое ускорение и замедление хода поршня 4 может достигаться увеличением и уменьшением количества топлива, как было описано, на величину до 14% по сравнению с предшествующим циклом, каждый раз поддерживая такое состояние смеси в форкамере 10, которое обеспечивает скорость сгорания, как можно более близкую к оптимальной (см. фиг. 5), с относительными преимуществами конфигурации цикла и его термодинамического КПД. Если в форкамере 10 при изменении скорости применяются обогащенные смеси, их влияние относительно вредных выбросов на генератор, соответствующий изобретению, будет существенно уменьшено: воспламенение фактически вызывает немедленное и быстрое расширение с относительным сдерживанием роста температуры смеси, которая отдельно от прочего смешивается с очень значительным объемом воздуха, содержащегося в цилиндре 5, который имеет относительно низкую температуру при любых рабочих условиях. В качестве ориентира, в экспериментальном прототипе с максимальной степенью сжатия ρ = 8,5, для этой степени сжатия, находящейся на постоянном уровне, максимальная температура цикла примерно равна 765^oC (1029 К), и температура выхлопа примерно равна 164^oC (437 K), c (λ)_v = 10.

Инженеры, работающие в данной области техники, не будут иметь трудностей с расчетом образования токсичных веществ в результате сгорания топлива (NO_x, CO), фактически равных нулю в этих условиях.

Описанные процедуры сгорания, которые стали возможными при использовании форкамеры 10, также допускают изменение выработки энергии за цикл с сохранением прежней степени сжатия при ходе поршня, или наоборот, без других регулировок и, как установлено, без отрицательных последствий, если только энергия генератора не подается на фиксированную нагрузку омического типа, в случае чего управление работой генератора ограничивается описанным выше, а на нагрузку, которая может изменяться в зависимости от специфических закономерностей, например, касающихся электродвигателей, или явления магнитного насыщения. В этом случае может следовать такая же процедура или изменяется количество топлива, подаваемого за цикл с изменением компрессии, но с сохранением прежнего хода поршня, или, наоборот, для приспособления к нарастающей нагрузке в случаях, когда, например, мгновенный опрокидывающий момент быстро отклоняется от движущего момента, и нагрузка вследствие этого изменяется, влияя на количество энергии, производимой генератором за один цикл.

Инженеры в данной области техники могут по своему усмотрению определять рабочие кривые различных характеристик, геометрические размеры двигателя и деталей генератора и тип регулировки в соответствии с типом нагрузки, так же как и значение в процентном соотношении увеличения или уменьшения количества топлива на цикл, которое должно обеспечиваться в различных рабочих ситуациях, с преимуществом, заключающимся в том, что в генераторе, согласно изобретению, в рамках области его применения, при увеличении хода сжатия эффективное напряжение на концах обмотки увеличивается по одинаковым кривым, но на более высоком уровне, чем до этого. Это также относится к количеству энергии за цикл в простейшем случае, в котором нагрузка является чисто омической нагрузкой.

Очевидно, что вышеупомянутый однофазный ток, производимый генератором, может выпрямляться диодами или модулироваться другими способами с применением преобразователя в зависимости от требований пользователя, таким образом допуская непосредственную подачу электроэнергии на электродвигатели транспортных средств без необходимости применения промежуточных аккумуляторных батарей.

Все, что нужно для регулировки двигателя внутреннего сгорания генератора 1, согласно изобретению, - это зафиксировать положение конца хода сжатия поршня 4 и ввести эти данные в центральный электронный блок (не показан), который регулирует количество топлива, подаваемого за цикл впрыскивающим соплом 14 в точной зависимости от положения, достигнутого поршнем 4 в ходе предшествующего цикла, и/или нагрузки, увеличивая или уменьшая его как требуется, если это необходимо, путем подачи команд на увеличение или уменьшение количества топлива, например, путем изменения углового или линейного положения педали акселератора или другого средства, выполняющего подобную роль.

Будет отмечено, что для двигателя мощностью около 35 л.с., сконструированного в соответствии с указанными параметрами и с изменением количества топлива за цикл, эквивалентным указанным ранее 14%, переход от минимальной выходной мощности к максимальной происходит менее чем за 2 сек.

Однако, если подача топлива прерывается полностью, поршни останавливаются после очень короткого остаточного хода "по инерции" в положении, в котором компрессионное сопротивление газа, находящегося в цилиндре 5, эквивалентно и противостоит действующей силе притяжения между движущимися магнитами 3 и другими намагниченными частями, или даже просто ферромагнитами, соединенными с неподвижными обмотками 2.

Последние упомянутые части не показаны на чертежах, поскольку они могут значительно изменяться в конфигурации и устройстве в зависимости от желания дизайнера, который, будучи специалистом в данной области техники, не будет иметь трудностей в определении размеров и расположения этих частей.

Стоит повторить, что, очевидно, для обеспечения правильной работы генератора соотношение между количествами механической энергии, поглощаемой генератором (эквивалентными количествам произведенной электроэнергии, разделенным на соответствующие электромагнитные КПД), при работе с двумя различными ходами сжатия в двигателе внутреннего сгорания, будут по существу равными соотношению между двумя соответствующими степенями сжатия, умноженными на соотношение между двумя выходными мощностями самого двигателя относительно этих степеней сжатия.

Для примера в цифрах:
Допустим, что для двух различных ходов поршня (и отсюда - соединенных с ними магнитов), две полученные степени сжатия эквивалентны 8,5 (:1) и 3,6 (: 1) и что значения общего КПД двигателя внутреннего сгорания составляют 0,46 и 0,30 относительно этих степеней сжатия.

Для выполнения представленных задач магниты и обмотки должны иметь размеры, также соответствующие типу нагрузки, их электрические значения могут контролироваться так, что соотношение между количествами энергии, потребляемыми электромагнитной частью генератора за два разных относительных цикла, то есть в течение одного хода сжатия и одного рабочего хода поршня соответствует указанным степеням сжатия, эквивалентным 8,5/3,6• 0,46/0,30 = 3,6. Другими словами, механическая энергия, потребляемая магнитами за один цикл движения, соответствующего степени сжатия 8,5, должна быть в 3,6 раза больше, чем механическая энергия, потребляемая за цикл, соответствующий степени сжатия 3,6.

Это означает, что два разных количества топлива, которые могут смешиваться приблизительно в объемах, необходимых для химической реакции, с двумя разными значениями масс воздуха, содержащегося в форкамере в соответствии с указанными степенями сжатия, будут давать необходимое количество энергии, сетку выходной мощности для движения магнитов при производстве электроэнергии.

Если нагрузка между обмотками является чисто омической нагрузкой, этого можно легко добиться простой подгонкой физических размеров и конфигурации магнитов и обмоток, как описано ниже, и таким образом это происходит автоматически при каждом ходе сжатия. Иным способом, количество топлива за цикл и/или электрические значения, относящиеся к нагрузке, могут изменяться, как описывалось ранее.

Внутренний КПД реально действующей части генератора определяет количество электроэнергии, реально вырабатываемой с разными ходами сжатия двигателя внутреннего сгорания.

Вышеупомянутое может быть достигнуто физически, например, путем увеличения количества витков обмоток 2 как линейно, так и следуя другим пригодным кривым в направлении погружения в них магнитов 3 (см. стрелку на фиг. 4), формируя конфигурацию магнитов 3 в соответствии с/или изменениями электрических значений относительно нагрузки.

Однако возможны другие конфигурации, создаваемые специалистами в данной области техники, включая применение нескольких магнитов в форме параллелепипеда и неподвижных обмоток (фиг. 4), имеющих такие устройство и размеры, что электроэнергия, генерируемая за один цикл при их относительном движении для разных ходов поршня (которые равны интегралу ∫Vidt за время цикла), следует кривой, конфигурация которой может выпрямляться путем приведения ее в соответствие кривой энергии, вырабатываемой за один цикл двигателя внутреннего сгорания (сетке выходной мощности) путем изменения, например, толщины магнитов, их ширины и/или отверстия для воздуха (Т на фиг. 4) в направлении движения. Нет необходимости выполнять эти изменения: конструктор может также решить применять магниты, имеющие параллелепипедную конфигурацию, изменяя часть объема воздуха, смешиваемого в форкамере, и/или количество топлива, применяемого для его насыщения так, что количество энергии, генерируемой двигателем при любой скорости, оказывается таким же, как и используемое генератором для производства электроэнергии.

Это осуществляется особенно легко, если нагрузка является чисто омической нагрузкой с постоянным значением (фиг. 4).

Тип сгорания, получаемого с применением форкамеры 10, работающей, как описано, или, предпочтительно, двух форкамер, расположенных диаметрально противоположно и обращенных друг к другу 110 (см. фиг. 9), более подобен обеспечиваемому горелкой, чем обычным внутренним сгоранием в двигателе внутреннего сгорания, и, как указано, представляет очень низкую температуру внутри цилиндра, что вместе с обилием кислорода, необходимого для завершения сгорания, в значительной степени гарантирует отсутствие токсичных продуктов, таких как CO, HC и NO_x.

Форкамеры, показанные на фиг. 1, 2 и 6, имеют коническую конфигурацию и только одно впрыскивающее сопло 14, расположенное в вершине конуса, но иногда может быть полезным применение форкамер, которые, например, имеют конфигурацию субцилиндрического или усеченного конуса с впрыскивающим соплом 111, установленным в предопределенном положении перпендикулярно оси форкамеры (фиг. 9). Если цилиндр 9 соединяется при помощи соответствующих каналов 112 с закрытым основанием 113, находящимся с обратной стороны, не обращенной к указанному цилиндру 9, существует возможность насыщать до необходимой степени лишь часть общего объема воздуха, содержащегося в форкамере.

Второе впрыскивающее сопло 14, установленное в указанное закрытое основание 113, может применяться только для первоначального пускового цикла. В этой последней конфигурации устройства и с обращенными друг к другу форкамерами существует возможность полностью устранить остатки HC благодаря очень сильным завихрениям, образующимся в результате столкновения двух объемов смеси при ее расширении и сгорании. Применение одного или более впрыскивающих сопел также возможно.

Описанный процесс относится к случаям, когда двигатель внутреннего сгорания питается топливами с низкой температурой воспламенения, такими как бензин, спирты или газообразные топлива, но дизельное или ему подобные топлива также могут применяться; для этого применяются два впрыскивающих сопла в одной форкамере (как на фиг, 9), причем первое сопло применяется для впрыскивания бензина, например, через определенные промежутки времени, только в переходный период запуска двигателя, пока не достигнута адекватная степень сжатия для самовоспламенения дизельного топлива, которое зачем впрыскивается вторым соплом.

Такое решение может рекомендоваться в случае со стационарными высокопроизводительными генераторами, в которых максимальная выходная мощность может преобладать по важности над проблемой выброса частиц (которая реально может быть уменьшена за счет частичной рециркуляции выхлопных газов, как описано ниже).

С таким способом работы вновь могут поддерживаться очень низкие температуры по сравнению с подобными двигателями обычного типа.

Уже было отмечено, как соединение поршень/магнит может поддерживаться с возможностью движения, например, двумя или более втулками 15 с трением качения, которые скользят вдоль направляющих стержней 16 (фиг. 1), или другими подобными средствами для сведения к минимуму трения и в этом случае нет необходимости обеспечения смазкой любой из движущихся частей ввиду низких рабочих температур. Система охлаждения также не требуется и фактически, целесообразно изолировать двигатель внутреннего сгорания, чтобы его работа была адиабатической.

Двигатель внутреннего сгорания является двигателем двухтактного типа, поскольку, как мы видели, для каждого цикла требуется впуск воздуха и выпуск из цилиндра или цилиндров. Одно решение, предлагаемое автором, предполагает достижение этого при помощи движения вспомогательного выпускного поршня 19, показанного на фиг. 6, который при движении составляет единое целое с поршнем 4 двигателя и который во время хода сжатия поршня втягивает воздух внутрь цилиндра 20, который удерживает воздух при помощи одностороннего клапана 21, в то время как при рабочем хода упомянутого поршня 4 он сжимает этот воздух до того момента, когда второй односторонний клапан 22 впускает воздух в форкамеру 10 и соответствующий цилиндр 5 вследствие падения давления внутри цилиндра 5 двигателя.

С таким устройством без проблем может достигаться значение эффективности выпуска, приближающееся к 0,90, и, что более важно, оно остается постоянным при любом ходе сжатия, и отсюда - при любом количестве топлива за цикл.

Аналогичный результат может быть достигнут с вспомогательным поршнем 19', показанным на фиг. 9, который составляет единое целое с поршнем 6 и использует часть указанного цилиндра 9 двигателя в качестве вспомогательного цилиндра 20', в соответствии с хорошо известным в данной области техники способом работы двухтактных двигателей с внутренним выпуском выхлопных газов.

Это решение, показанное на фиг. 3, в случае с противоположным расположением поршней, описано ниже.

Поскольку эффективный рабочий ход поршней 4, 6 двигателя эквивалентен только соответствующей длине цилиндров 5, 9, тогда как ход сжатия вспомогательных поршней 19, 19' равен сумме этой длины и хода сжатия пружин, на этапе разработки устройства диаметр вспомогательного поршня 19, 19' может быть выбран большим, равным или меньшим, чем диаметр поршня двигателя, в зависимости от того, полный или только частичный выпуск газообразных продуктов сгорания необходим для данного диапазона скоростей. Например, в прототипе, упомянутом ранее, имеющем вспомогательный поршень 19 (фиг. 6), который имеет одинаковый диаметр с поршнем 4 двигателя, полный выпуск выхлопных газов происходит тогда, когда ход сжатия соответствует степени сжатия, эквивалентной 3,5:1, и частичный выпуск с уменьшенным количеством воздуха, впущенного при меньшем ходе поршня, происходила при минимально допустимой степени сжатия, эквивалентной 1,6:1, когда выпуск достигает лишь 50% объема цилиндра. Частичная рециркуляция выхлопных газов при более низких степенях сжатия служит, как было обнаружено, для увеличения протяженности такта, поскольку ход поршня уменьшен, для сохранения температур, и отсюда - длительности сгорания, достаточно высокими для того, чтобы избежать образования HC в выхлопных газах в переходном состоянии с низким давлением при запуске генератора 1.

Для оптимальной работы устройства будет полезно применять датчики измерения температуры цилиндра и давления, причем первый должен применяться для небольшого изменения количества впускаемого топлива при холодном двигателе (при запуске), а второй - вновь в зависимости от положения поршня в конце хода сжатия - для изменения преобладания топливного насоса с целью получения эффективного впрыска, выверенного для всех рабочих режимов.

Эти компоненты не показаны на чертежах, поскольку они известны и легко могут быть выполнены специалистом в данной области техники.

Несмотря на все вышеупомянутое, для дополнительного упрощения конструкции автогенного генератора, соответствующего изобретению, и для устранения ограничивающих обратных действий и/или одновременно вибраций, целесообразно применять одну или более пар поршней 6, 6' обращенных друг к другу, предпочтительно, с единой общей камерой сгорания 9 (фиг. 2). В этом случае можно иметь только одну форкамеру 10 (или две форкамеры 111, обращенные друг к другу, как показано на фиг. 9), расположенную в центре с продольной осью h, перпендикулярной оси k поршней 6, 6'. Для обеспечения должной синхронизации между несколькими парами поршней во время работы, при необходимости, автор предлагает выполнить поршни 6, 6' как единое целое при помощи соединительных средств 8, 8' (фиг. 3), эти поршни в данный момент цикла работают в одном направлении (практически - одна половина поршней).

Если в конструкцию включены компоненты для возвращения механической энергии, то есть пружины 7, в описанном случае, так, что их положение может регулироваться в направлении оси К движения поршней, спаренных с ними, то за цикл могут производиться разные количества электроэнергии без изменения требуемой частоты или частота может меняться при неизменном цикле, соответствующем оптимальной эффективности, путем изменения длины хода поршней и отсюда - изменения времени, необходимого для завершения хода. Осуществление непрерывного отслеживания скорости и синхронизации поршней также означает, что ход поршня может изменяться микрометрически так, что он может поддерживаться постоянным и должным образом синхронизированным. Очевидно, что для достижения этого последнего результата достаточно того, чтобы положение пружин, соединенных только с одной половиной поршней, могло регулироваться, то есть тех поршней, которые соединены как единое целое при помощи соединительных средств 8, показанных на фиг. 3.

Средством, пригодным для указанной регулировки, может быть, например, шаговый двигатель или электродвигатель постоянного тока 17, подсоединенный при помощи системы винтов и внутренней принимающей резьбы, действующих в качестве линейного повторителя для компонента 18, соединенного как единое целое с соответствующей пружиной 7.

Автор также предусмотрел дополнительные средства для предотвращения вибрации, возникающей вследствие кратковременной потери синхронизации между двумя обращенными друг к другу поршнями. Фактически при соединении механических частей генератора, которые действуют в качестве основания и местоположения пружин 7 (на фиг. 2 эти части состоят из корпуса 11, образующего корпус цилиндров 5 и 5'), с землей или с компонентом, являющимся опорой генератора, при помощи соединения 12, обладающего предопределенной ограниченной эластичностью в направлении движения поршней 6, 6', эластичного прогиба соединения 12 при должной синхронизации поршней не происходит, поскольку силы, воздействующие в противоположных направлениях на две пружины 7, соединенные с двумя обращенными друг к другу поршнями, всегда равны друг другу. Однако, если один из двух портной движется раньше другого, это вызовет в первую очередь воздействие силы на соответствующую пружину и затем на эластичные соединения 12, которые будут извлекать часть кинетической энергии, которую должна поглощать пружина, и затем возвращать соответствующий поршень в результате эффектов упругого гистерезиса под воздействием сжатия пружин.

Это влечет за собой замедление возвратного хода поршня и его постепенную синхронизацию с другим (задержавшимся) обращенным к нему поршнем. Очевидно, эта корректировка синхронизации влечет потери, хотя и слабые, общего энергетического баланса, и таким образом целесообразно применять электронный способ, как было указано выше, изменения возвратного положения пружины для обеспечения точной первоначальной синхронизации.

В заключение этого описания приглашаем читателя взглянуть на диаграммы (фиг. 7) общего КПД двигателя внутреннего сгорания генератора, соответствующего изобретению, и его удельного потребления энергии (фиг. 8). Нет оснований для специальных детальных комментариев к этим диаграммам, поскольку специалисту в данной области техники они будут легко понятны. Общий КПД фактически имеет значение, превышающее примерно вдвое КПД обычного двигателя при любой скорости.

Все составные части, их предназначение и расположение, а также способы регулировки могут изменяться и усовершенствоваться в соответствии с опытом специалиста в данной области техники.

Например, вместо того, чтобы удерживаться вилкой 4', магниты 2, показанные на фиг. 1 и 2, могут крепиться на цилиндрическом основании, имеющем единую ось с поршнем и составляющем единое целое с ним, с составными частями, скомпонованными так, как уже описано относительно двигателя Джарретта. Этот вариант на чертежах не показан.

Описанные проиллюстрированные конструкции таким образом являются предпочтительными вариантами воплощения изобретения, которые не имеют ограничительного или обязательного характера.

Изобретение относится к энергомашиностроению и позволяет повысить топливную экономичность и снизить выбросы токсичных газов в свободнопоршневых двигателях внутреннего сгорания. В автогенном генераторе (1), в котором электроэнергия генерируется при помощи электромагнитного сцепления между неподвижными обмотками (2) и постоянными магнитами, которые движутся внутри при возвратно-поступательном движении одного или более поршней двухтактного двигателя внутреннего сгорания, цилиндры (5), спаренные с поршнями (4), имеют коническую форкамеру (10), открытую в направлении цилиндров (5). Двигатель работает с изменяемыми ходами сжатия и магниты (3) и обмотки (2) устроены так, что соотношение между количествами механической энергии, используемой для производства электроэнергии за два разных хода магнитов (3), равно соотношению между двумя степенями сжатия, получаемыми в цилиндрах (5) относительно двух разных ходов, осуществляемых поршнями (4), едиными с указанными магнитами (3), умноженным на соотношение между двумя значениями общих КПД двигателя относительно указанных степеней сжатия. 15 з.п.ф-лы, 9 ил.

1. Линейный электрический генератор (1), в котором генерирование электроэнергии достигается при помощи электромагнитного устройства, содержащего неподвижные обмотки (2) и один или более постоянных магнитов (3), которые перемещаются вместе с возвратно-поступательным движением одного или более поршней (4) двухтактного двигателя внутреннего сгорания, приспособленного к работе также с изменяемыми ходами сжатия, каждый поршень (4) завершает один рабочий ход вследствие сгорания и расширения смеси в цилиндре (5) и один ход сжатия вследствие действия средства (7) для возвращения механической энергии, благодаря чему цилиндры (5) двигателя внутреннего сгорания, спаренные с поршнями (4), имеют, по меньшей мере, одну форкамеру (10) с основой (10'), которая открыта в направлении цилиндров и в которой при любых режимах работы двигателя, по меньшей мере, часть объема воздуха, содержащегося в форкамере, смешивается с, по меньшей мере, количеством топлива, необходимым для химической реакции, отличающийся тем, что сгорание смеси в форкамере (10) производит всю необходимую выходную энергию и вызывает ее распространение в воздухе, содержащемся в цилиндрах, в который не было впрыснуто топливо, и в котором сгорание заканчивается, указанное электромагнитное устройство имеет такую конструкцию, что для заданного соотношения воздух/топливо и с указанной частью объема воздуха, остающейся неизменной, соотношение между двумя количествами суммарной энергии, которая реально используется для производства электроэнергии, когда генератор работает в разных постоянных режимах, соответствующих любым двум разным законченным ходам расширения и сжатия указанных поршней (4), по существу равно соотношению между двумя степенями сжатия, полученными в форкамерах (10) и соответствующих цилиндрах (5) в результате действия вышеупомянутых двух разных ходов указанных поршней (4), умноженному на отношение двух значений общих КПД двигателя внутреннего сгорания, соответствующих указанным степеням сжатия. 2. Линейный генератор электроэнергии по п.1, отличающийся тем, что часть объема воздуха в форкамере (10), которая должна смешиваться с топливом, устанавливается каналами (112), ведущими от цилиндров (5) к закрытому основанию (113) форкамеры. 3. Линейный генератор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что магниты (3) и неподвижные обмотки (2) расположены так, что происходит уменьшение их электромагнитного сцепления при нарастании рабочего хода поршней (4), но увеличивается при нарастании хода сжатия указанных поршней (4). 4. Линейный генератор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что омическая нагрузка с постоянным значением прилагается между концами обмоток (2) и надлежащие количества механической энергии, используемой для производства электроэнергии относительно двух разных завершенных ходов расширения и сжатия указанных поршней (5), автоматически получаются благодаря пригодной конфигурации, компоновке и размерам указанных магнитов (3) и неподвижных обмоток (2). 5. Линейный генератор по п.4, отличающийся тем, что указанные магниты (3) по существу имеют форму параллелепипеда, они и неподвижные обмотки (2) имеют такую компоновку и размеры, что механическая энергия, используемая для производства электроэнергии при их относительном перемещении за один цикл, следует кривой, соответствующей изменению хода сжатия указанного поршня или поршней (4), которую можно считать по существу совпадающей с кривой энергии, производимой за один цикл двигателя внутреннего сгорания в соответствии с этим таким же ходом сжатия за счет изменения толщины магнитов (3), их ширины и/или воздушного промежутка (Т) в направлении движения. 6. Линейный генератор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна форкамера (10) имеет по существу коническую конфигурацию с впрыскивающим соплом (14), расположенным в вершине конуса. 7. Линейный генератор по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна форкамера (10) имеет по существу конфигурацию усеченного конуса и ее закрытое основание (113), обращенное в противоположную от цилиндра (9) сторону, соединено с указанным цилиндром (9) при помощи одного или более каналов (112), впрыскивающее сопло (114) расположено на оси указанного закрытого основания и второе впрыскивающее сопло (111) расположено перпендикулярно к оси форкамеры в предопределенном положении. 8. Линейный генератор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что для устранения вибраций и ограничивающих обратных действий имеется одна или более пар поршней (6, 6'), обращенных друг к другу. 9. Линейный генератор по п.8, отличающийся тем, что количество поршней (6, 6') целиком кратно двум и они соединены воедино попарно друг с другом при помощи соединительных средств 8, 8' (фиг.3), причем эти поршни (6, 6') работают в одном направлении в каждый момент цикла. 10. Линейный генератор по п.8 или 9, отличающийся тем, что два цилиндра, находящиеся друг против друга (6, 6'), имеют общую камеру сгорания (9), в которую ведет, по меньшей мере, одна форкамера (10), с продольной осью (h), перпендикулярной продольной оси (К) двух цилиндров (6, 6'). 11. Линейный генератор по п.10, отличающийся тем, что применяются две форкамеры (110) для каждой пары обращенных друг к другу цилиндров (6, 6'), расположенных диаметрально противоположно и обращенных друг к другу. 12. Линейный генератор по одному из пп.8 - 11, отличающийся тем, что положение, по меньшей мере, части указанных компонентов (7), предназначенных для возвращения механической энергии, может регулироваться в направлении оси движения поршней, спаренных с этими компонентами. 13. Линейный генератор по п.12, отличающийся тем, что может регулироваться только положение компонентов для возвращения энергии, спаренных с половиной поршней (6, 6' фиг.2), которые движутся в заданном направлении в заданный момент цикла. 14. Линейный генератор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что часть (11), которая выполняет роль основания и местоположения вышеупомянутых возвратных механизмов (7), соединена с землей или с поддерживающим генератор (1) элементом при помощи соединений (12), имеющих предопределенную эластичность в направлении движения поршней (6, 6' фиг.2). 15. Линейный генератор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что воздух для удаления выхлопных газов и заполнения цилиндров (5) подается форкамерой(ами) (10) при помощи одного или более вспомогательных выхлопных поршней (19), представляющих собой единое целое с поршнями (4) двигателя внутреннего сгорания, эти вспомогательные поршни (19) всасывают воздух в фазе сжатия поршней (4) при помощи первичных односторонних клапанов (21), закрепленных во взаимодействующих вспомогательных цилиндрах, и нагнетают его в указанные форкамеры (10) при помощи вторичных односторонних клапанов (22), расположенных вблизи указанных форкамер (10) в ходе фазы расширения этих поршней (4). 16. Линейный генератор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в любом рабочем режиме, по меньшей мере, часть воздуха, содержащегося в форкамере/камерах (10) двигателя внутреннего сгорания, смешивается с количеством топлива, эквивалентным 120% количества топлива, необходимого для химической реакции.

Приоритет по пунктам:
09.06.94 по пп.1, 3, 6, 8, 9, 10, 12 - 14;
04.11.94 по пп.4, 5, 11, 15, 16;
07.02.95 по пп.2 и 7.