СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2002 года по МПК F02B71/04 

Изобретение относится к энергетическим установкам и может быть использовано в автомобилестроении, тяжелом машиностроении и малой энергетике, в частности в виде вспомогательных двигателей транспортных механизмов на передвижных или переносных электростанциях, электросварочных агрегатах и др.

Известен свободнопоршневой двигатель [1], содержащий дизельный двигатель внутреннего сгорания, линейный генератор и систему подачи топлива. Двигатель представляет собой цилиндр с торцевыми камерами сгорания, в районе которых расположены впускные и выпускные клапаны. Внутри цилиндра расположены поршни, соединенные перемычкой (штоком).

Генератор состоит из статора, якоря и систем возбуждения и снятия нагрузки. Статор выполнен в виде обмоток статора и обмоток возбуждения. Эти обмотки укреплены на внешней поверхности цилиндра. Якорь выполнен в виде обмоток токоприемной и возбуждения, которые уложены внутри поршней и соединены друг с другом последовательно. Система возбуждения выполнена в виде присоединительных клемм возбуждения, а система съема нагрузки выполнена в виде клемм съема нагрузки.

Система подачи топлива представляет собой форсунки, расположенные в торцевых частях цилиндра и предназначенные для подачи топлива в камеру сгорания.

Процесс преобразования энергии делится на два основных цикла: первый цикл - преобразование энергии из химической энергии топлива в механическую энергию движения поршней, а второй - механическая энергия движения поршней преобразуется в электрическую энергию. Первый цикл представляет собой рабочий процесс двухтактного дизельного двигателя, а второй, в свою очередь, делится на два этапа. На первом этапе посредством пересечения обмоткой первого поршня магнитного поля, созданного первой обмоткой статора (обмоткой возбуждения), производится возбуждение магнитного поля в первом поршне. На втором этапе происходит образование и съем электроэнергии, при чем обмотка первого поршня играет роль обмотки возбуждения для второго поршня.

Использование принципа электромагнитов в обеих частях линейного генератора позволяет получить высокую мощность магнитного поля, и, как следствие, минимизировать размеры установки.

Однако известное устройство имеет следующие недостатки. При работе устройства движение одного поршня используется для возбуждения магнитного поля в другом. Это приводит к потере рабочего процесса первого поршня для производства энергии на токосъем. Неполное использование рабочего процесса двухтактного дизельного двигателя для производства энергии на токосъем является причиной низкого кпд. Кроме того, от перегрева обмоток до температуры 500-600^oС их магнитные свойства снижаются, что также понижает кпд двигателя.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является свободнопоршневой двигатель [2], состоящий из дизельного двигателя внутреннего сгорания, линейного генератора, системы подачи топлива и системы охлаждения.

Двигатель содержит цилиндр с выпускными клапанами в торцевых частях двигателя и продувочным окном в центральной части двигателя. Внутри гильзы расположен поршень со штоком.

Генератор состоит из статора, якоря, системы возбуждения и системы съема нагрузки. Статор выполнен в виде обмоток, закрепленных на внешней поверхности цилиндра. Якорь представляет собой обмотку, уложенную внутри поршня. Система возбуждения выполнена из щеток и проводов возбуждения. Щетки расположены внутри поршня. Они являются первой частью скользящего контакта системы возбуждения с обмоткой якоря. Второй частью скользящего контакта является пластина приема тока возбуждения, расположенная на обмотке якоря. Пластина соединена с выводами обмотки якоря. Провода подвода возбуждения расположены в штоке.

Система подачи топлива включает в себя две форсунки, расположенные в оппозитных частях цилиндра.

Система охлаждения состоит из двух водяных форсунок, также расположенных в оппозитных частях цилиндра.

Преобразование энергии осуществляется так же, как в вышеприведенном двигателе и состоит из двух циклов: первый цикл - преобразование энергии из химической энергии топлива в механическую энергию движения поршней, второй - механическая энергия движения поршней преобразуется в электрическую энергию. Первый цикл представляет собой рабочий процесс двухтактного дизельного двигателя. Второй цикл, в отличие от вышеприведенного двигателя, состоит из одного этапа и представляет собой рабочий процесс линейного генератора с непосредственным возбуждением. Исключение одного этапа достигается благодаря системе непосредственного возбуждения, провода которой проходят через шток.

Принцип работы системы охлаждения состоит в том, что при достижении определенной (600-800^oС) температуры отработанных газов через специальные водяные форсунки в камеру сгорания подается охлаждающая жидкость, которая, испаряясь и смешиваясь с отработанными газами, образует охлаждающую среду, которая охлаждает камеру сгорания. Система охлаждения обеспечивает снижение температуры отработанных газов до 100-200^oС. Но температура охлажденных отработанных газов все-таки ниже, чем температура поршня и обмотки якоря, т. к. сначала охлаждаются отработанные газы, а затем они отбирают излишек теплоты у поршня и обмотки. Из-за этого температура поршня и обмоток снижается только до 250-300^oС.

Достоинством этого двигателя является повышение кпд за счет полного использования рабочего процесса двухтактного двигателя для производства электроэнергии на токосъем. Кроме того, кпд повышается за счет снижения потерь магнитного поля благодаря уменьшению температуры обмоток (в частности обмотки якоря).

Однако известное устройство имеет следующие недостатки. Отсутствие непосредственною контакта охлаждающей среды с обмоткой якоря, расположенной внутри поршня, приводит к недостаточному охлаждению обмотки. Температура обмотки снижается только до 250-300^oС. При этом потери электромагнитного поля на медных обмотках на 50% больше, чем потери электромагнитного поля при температуре в 20^oС.

Кроме того, подача охлаждающей жидкости в камеру сгорания приводит к резким перепадам температуры, а, как следствие, к колебанию магнитного поля и силы вырабатываемого тока, что также влияет на снижение кпд.

Задача, стоящая перед изобретателем, заключалась в разработке свободнопоршневого двигателя, с высоким кпд за счет минимизации потерь магнитного поля путем обеспечения температуры обмотки якоря, сопоставимой с температурой обмотки статора (т.е. окружающей среды).

Для решения поставленной задачи в известный свободнопоршневой двигатель, содержащий дизельный двигатель внутреннего сгорания, выполненный из цилиндра с форсунками, внутри которого расположен поршень со штоком, линейный генератор, выполненный из обмоток статора, расположенных на цилиндре, из обмотки якоря, расположенной на поршне и контактирующей с системой возбуждения, состоящей из щеток с проводами подвода возбуждения, систему съема нагрузки и систему охлаждения, в него дополнительно введены два отсекательных кольца системы охлаждения, закрепленных на штоке, и охлаждающие трубки, соединенные с внутрипоршневой камерой, при этом обмотка якоря расположена на штоке поршня, каждое отсекательное кольцо установлено между обмоткой и торцевыми частями поршня, а щетки установлены в теле цилиндра.

Кроме того каждое отсекательное кольцо выполнено полым, имеющим клапан для контакта с трубкой подвода охладителя.

Благодаря отличительным признакам (отсекательные кольца, охлаждающие трубки, соединенные с внутрипоршневой камерой и расположение обмоток на штоке поршня, а не внутри его) кпд двигателя повышается благодаря уменьшению потерь электромагнитного поля на нагрев обмоток на 30-50%.

Это обусловлено тем, что отсекательные кольца отделяют внутрипоршневую камеру от камер сгорания. При этом температура в камерах сгорания достигает 600-800^oС, а во внутрипоршневой камере обеспечивается температура, сопоставимая с температурой обмоток статора. Температура во внутрипоршневой камере, и на обмотке якоря зависит только от того, какая охлаждающая жидкость, или газ подается по трубкам в отсекательные кольца и в саму внутрипоршневую камеру.

Кроме того, снижение температуры во внутрипоршневой камере до температуры окружающей среды позволяет упростить конструкцию якоря вынесением обмотки якоря на внешнюю поверхность поршня. Это, в свою очередь, приводит к технологичности и ремонтолегкости конструкции.

Пример конкретного варианта электродвигателя.

Нa фигуре 1 изображена схема свободнопоршневого двигателя.

На фигуре 2 изображена схема системы охлаждения свободнопоршневого двигателя.

Свободнопоршневой двигатель состоит из двухтактного свободнопоршневого дизельного двигателя внутреннего сгорания, линейного генератора, системы подачи топлива и системы охлаждения.

Дизельный двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, поршень 2, камеры сгорания 3 и внутрипоршневую камеру 4.

Цилиндр 1 является остовом свободнопоршневого двигателя. Он выполнен с впускными и выпускными окнами 5, расположенными в районе камер сгорания 3. Окна 5 предназначены для подачи свежего заряда в камеру сгорания 3 и отведения из нес отработанных газов.

Поршень 2 выполнен из двух одинаковых поршневых секций 6, соединенных штоком 7. На боковой поверхности секций 6 выполнены компрессионные 8 и маслосъемные 9 кольца. Пространство между поршневыми секциями 6 представляет собой внутрипоршневую камеру 4, а пространство между торцевыми частями цилиндра 1 и торцевыми частями поршневых секций является камерой сгорания 3.

Линейный генератор электроэнергии состоит из статора, якоря, систем возбуждения и съема нагрузки.

Якорь выполнен в виде обмотки поршня 10, уложенной в центральной части штока 7. Расчетные размеры обмотки 10 зависят от мощности двигателя и материала обмоток. Обмотка 10 отделена от поршневых секций воздушным промежутком 11. Размеры промежутка определяются тепловым расчетом и зависят от типа и температуры охладителя. На обмотке 10 закреплена медная пластина 12, соединенная с ее выводами.

Статор линейного генератора выполнен в виде обмоток 13, закрепленных симметрично относительно центральной линии на внешней поверхности цилиндра 1 в районе внутрипоршневой камеры 4.

Система возбуждения выполнена из щеток 14 и проводов подвода возбуждения 15. Щетки 14 неподвижно установлены на центральной линии в теле цилиндра 1. Они являются неподвижной частью контакта, при помощи которого система возбуждения соединена с якорем. Подвижной частью контакта является пластина 12.

Система съема нагрузки выполнена в виде проводов 16 с присоединительными клеммами 17.

Система подачи топлива состоит из двух электрофорсунок 18, расположенных в торцевых частях цилиндра.

Система охлаждения состоит из двух отсекательных колец 19 и трубок подвода охладителя 20. Отсекательные кольца 19 выполнены в виде полых дисков, жестко закрепленных на штоке 7 и расположенных между обмоткой якоря 10 и поршневыми секциями 6. В теле отсекательных колец выполнены отверстия, закрытые клапанами 21. Клапаны представляют собой металлические шарики, подпружиненные пружинами 22. Клапаны расположены так, чтобы они могли взаимодействовать с трубками подвода охладителя. Кольца 19 выполняют функцию разделителя, отделяя внутрипоршневую камеру 4 от камер сгорания 3. По трубкам 20 в отсекательные кольца и внутрипоршневую камеру подводится охладитель. Трубки 20 закреплены в теле цилиндра 1 в районе внутрипошневой камеры на расчетном расстоянии от торцевых частей цилиндра 1. Это расстояние зависит от длины перемещения поршня.

Свободнопоршневой двигатель работает следующим образом.

При запуске свободнопоршневой двигатель линейного генератора работает в двигательном режиме. Для этого на обмотки 13 подается ток запуска, на обмотку 10 через провода 15, щетки 14 и медную пластину 12, подается ток, обратной полярности, по отношению к току, подаваемому на обмотки 13. Под действием магнитных сил, создаваемых обмотками, поршень 2 приводится в движение, совершая ход сжатия в одной части цилиндра. При достижении определенной степени сжатия форсункой 17 в камеру сгорания 3 впрыскивается порция топлива, после чего начинается процесс сгорания и расширения отработанных газов, происходящий в соответствии с циклом двухтактного двигателя. Одновременно в противоположном конце цилиндра происходит процесс сжатия воздуха. После запуска система линейного генератора переключается в генераторный режим.

При работе двигателя внутреннего сгорания каждый ход поршня является рабочим ходом для одной из частей цилиндра, в то время, как для противоположной части этот ход является процессом сжатия. Температура поршня, из-за его контакта с горячими отработанными газами, составит 500-600^oС.

Параллельно с работой дизельного двигателя, через щетки 14 и пластину 12 на обмотку якоря 10 подается ток возбуждения. При этом в обмотке якоря 10 возникает электромагнитное поле, и при пересечении этим полем неподвижных обмоток статора 13, в них индуцируется электрический ток. Вырабатываемый ток передается потребителю через провода 16 и клеммы 17 системы съема нагрузки.

Одновременно с работой двигателя происходит работа системы охлаждения. Для этого по трубкам 20 во внутрипошневую камеру 4 и кольца 19 подается охладитель, (например хлодон). Кольца 19 препятствуют пропуску горячего воздуха от камер сгорания 3 во внутрипоршневую камеру 4. Температура в камере 4 будет зависеть от температуры охладителя. При использовании в системе охлаждения газа хлодон она может доводится до +10 - +20^oС. При большом расходе газа на охлаждение внутрипоршневой камеры температура в пей доводится до -10 - -20^oС. Сообщение колец 19 с трубками 20 происходит следующим образом. При ходе поршня отсекательное кольцо 19 подходит к трубке подачи охладителя 20. При этом трубка 20 опускает клапан 21 внутрь полости 23. Тем самым полость 23 кольца охлаждения 19 сообщается с трубкой подвода охладителя 20 и, подающийся в трубку 20 под давлением охладитель, проникает в отсекательное кольцо 19, охлаждая его. При дальнейшем перемещении поршня кольцо 19 отходит от трубки 20 и пружина 22 садит клапан на место, запирая полость 23.

При остановке двигателя вновь происходит переключение линейного генератора в режим двигателя и отключаются форсунки 18. При этом, для создания противодействия движению поршня, ток остановки, подаваемый на обмотки 7 и 9, обеспечивает движение поршня в направлении, обратном настоящему направлению движения поршня.

Т.к. в процессе работы свободнопоршневого двигателя температура на обмотках якоря и статора составляет примерно +10 - +20^oС, то потери магнитного поля в медных обмотках на нагрев уменьшаются, по сравнению с потерями магнитного поля в прототипе, на 30-50%. Снижение потерь приводит к повышению кпд свободнопоршневого двигателя.

Источники информации, принятые во внимание
1. А.с. 985365 СССР, МКИ 5 F 02 В 71/04. Свободнопоршневой двигатель /В. А. Долгушин/ (СССР) - 3239479/25-06; Заявлено 21.01.81; Опубл. 30.12.82, Бюл. 48. - 2с.

2. А. с. 1733650 СССР, МКИ 5 F 02 B 71/04. Способ работы свободнопоршневого двигателя-электрогенератора /В.И. Краля/ (СССР). - 4816030/06; Заявлено 16.02.90; Опубл. 15.05.92, Бюл 18. - 3с.

Изобретение относится к энергетическим установкам и может быть использовано в автомобилестроении, тяжелом машиностроении и малой энергетике, в частности в виде вспомогательных двигателей транспортных механизмов на передвижных или переносных электростанциях, электросварочных агрегатах и др. Изобретение позволяет путем обеспечения при работе двигателя температуры обмотки якоря в пределах +20 - -20^oС снизить потери магнитного поля на 30-50%, что, в свою очередь, приводит к повышению кпд. Свободнопоршневой двигатель содержит дизельный двигатель внутреннего сгорания, выполненный из цилиндра с форсунками, внутри которого расположен поршень со штоком, линейный генератор, выполненный из обмоток статора, расположенных на цилиндре, из обмотки якоря, расположенной в поршне и контактирующей с системой возбуждения, состоящей из щеток с проводами подвода возбуждения, систему съема нагрузки и систему охлаждения. В двигатель введены два отсекательных кольца, закрепленных на штоке между обмоткой якоря и торцевыми частями поршня, и охлаждающие трубки, соединенные с внутрипоршневой камерой. Обмотка якоря расположена на штоке поршня. Каждое отсекательное кольцо установлено между обмоткой и торцевыми частями поршня, а щетки установлены в теле цилиндра. При этом каждое отсекательное кольцо выполнено полым, имеющим клапан для контакта с трубкой подвода охладителя. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Свободнопоршневой двигатель, содержащий дизельный двигатель внутреннего сгорания, выполненный из цилиндра с форсунками, внутри которого расположен поршень со штоком, линейный генератор, выполненный из обмоток статора, расположенных на цилиндре, из обмотки якоря, расположенной на поршне и контактирующей с системой возбуждения, состоящей из щеток с проводами подвода возбуждения, систему съема нагрузки и систему охлаждения, отличающийся тем, что в него дополнительно введены два отсекательных кольца системы охлаждения, закрепленных на штоке, и охлаждающие трубки, соединенные с внутрипоршневой камерой, при этом обмотка якоря расположена на штоке поршня, каждое отсекательное кольцо установлено между обмоткой и торцевыми частями поршня. 2. Свободнопоршневой двигатель по п. 1, отличающийся тем, что каждое отсекательное кольцо выполнено полым, имеющим клапан для контакта с трубкой подвода охладителя.