ЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ КУЩЕНКО В.А. Российский патент 2011 года по МПК F02B71/04 

Изобретение относится к свободнопоршневым двигателям, предназначенным для привода линейных электрических генераторов.

Известен линейный генератор электроэнергии (патент РФ №2141570, F02B 71/04, H02K 35/02, 1999) на основе свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания, который работает с измененным ходом сжатия.

Недостатком известного устройства является сложность конструкции, не позволяющей получать высокие мощности при малых размерах.

Известен генератор электроэнергии (патент РФ №2177067, F02B 71/04, 2001), в котором якорь перемещается в соответствии с поршнем в катушке, установленной в корпусе.

Недостатком известного устройства является большая вибрация при работе применяемого двигателя.

Известен энергомодуль (патент РФ №2345232, F02B 71/04, 2009), в котором двигатели внутреннего сгорания имеют общую внешнюю камеру сгорания и две одноактные свободнопоршневые расширительные машины. Недостатком этого устройства является большая вибрация, развиваемая двигателем.

Известен поршневой двигатель внутреннего сгорания, предназначенный для привода электрических генераторов (патент РФ №2209324, F02B 71/04, 2003), в котором возвратно-поступательное движение поршня на такте сжатия осуществляется путем преобразования электрической энергии в кинетическую энергию поршня. Недостатком устройства является большая вибрация используемого двигателя.

Известен свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС) (патент РФ №2324829, F02B 71/04, 2008), в котором применен гидравлический способ синхронизации движения поршней свободно-поршневого двигателя внутреннего сгорания с оппозитным движением поршней.

Недостатком известного устройства является тот факт, что штоки поршней проходят через газовые камеры сгорания и это не позволяет предотвратить проникновение газов в гидравлическую систему синхронизации в процессе эксплуатации, что ведет к низкой эффективности этого двигателя внутреннего сгорания.

Известен свободнопоршневой двигатель (патент РФ №2186231, F02B 71/04, 2002), в котором линейный генератор выполнен из обмоток статора, расположенных на цилиндре, и обмотки якоря, расположенной в поршне и контактирующей с системой возбуждения. Предлагаемый двигатель неэффективен в связи с тем, что агрессивная среда камеры сгорания быстро разрушит якорь электрогенератора.

Известен свободнопоршневой ДВС с линейным электрическим генератором (патент РФ №2150314, F02B 71/04, 2000 - прототип), включающим в себя два оппозитно расположенных цилиндра, в которых размещены поршни, жестко связанные между собой и якорем генератора, содержит стартер генератора с обмотками возбуждения, силовыми обмотками, генерирующими ток, магнитным проводом и электронный блок управления с датчиком положения поршня.

Недостатком известного устройства, так как он приведен в описании, является тот факт, что он недостаточно эффективен в работе. Согласно фиг.1, фиг.2 описания это поршневой двигатель с двумя клапанами. При движении влево происходит всасывание воздуха в правый цилиндр. Далее в левом цилиндре происходит вспышка топлива и рабочий ход вправо, в котором происходит сжатие и рабочий ход влево. В правом цилиндре - выход отработанных газов. И поскольку инерционной системы (маховика) нет, то приходится использовать полученную электроэнергию для обеспечения цикла всасывания в левом цилиндре и сжатия в правом и т.д. Использование способа синхронизации подачей топлива в двигатель также неэффективно, т.к наоборот при максимальной степени сжатия надо подавать топливо. В этом случае будет лучше происходить процесс сгорания. Предлагаемый двигатель также не обеспечивает двух-, четырехтактный и смешанные режимы работы. Не может работать в карбюраторном режиме, что делает его неэффективным.

Технический результат изобретения заключается в повышении его эффективности

Технический результат достигается тем, что в линейном двигателе внутреннего сгорания, включающем двигатель внутреннего сгорания и электрическую машину, согласно изобретению двигатель внутреннего сгорания выполнен в виде набора синхронизированных двигателей внутреннего сгорания, состоящих каждый из двух цилиндров и двух поршней, соединенных штоком, причем каждый цилиндр имеет систему приводов выпускного клапана и первого, второго, третьего впускных клапанов, объединенных общей полостью, причем первый впускной клапан подключен к воздухозаборнику и далее к турбонаддуву (или карбюратору), второй впускной клапан находится в части цилиндра под поршнем, а третий впускной клапан находится в части цилиндра над поршнем, причем каждый цилиндр имеет свой ТНВД (или магнето), подключенный к соответствующему приводу и к соответствующей форсунке (свече), причем каждый шток соединен с соленоидом (электрическая машина) и поршнем, синхронизирующийся, например, гидросистемой, причем устройство снабжено коммутируемым преобразователем напряжения, системой управления и аккумуляторной батареей.

Шток снабжен демпфирующим механизмом и датчиком положения штока, подключенного к системе управления.

Пары двигателей объединены в группы для создания необходимой мощности.

Гидроэлектромашина подключена к маховику и системе управления. Гидроэлектромеханический накопитель энергии выполнен распределенным, например, на колесах транспортных средств, совмещая реверсное накопление энергии с торможением.

Изобретение поясняется чертежами фиг.1, фиг.2, фиг.3.

В цилиндре 1 находится поршень 2 с кольцами 3, подключенный к штоку 4. Вокруг цилиндра 1 находится рубашка охлаждения 5. Цилиндр 1 имеет головку 6, на которой находится форсунка (свеча) 7, подключенная к топливному насосу высокого давления (ТНВД, магнето) 8, который посредством первого привода 9 подключен к соединению (например, зубчатому) 10 штока 4, подключенного к второму приводу 11, на котором находится кулачок 12, входящий в зацепление с толкателем 13, входящим в зацепление с рычагом 14, входящим в зацепление с подпружиненным клапаном 15 выхлопного канала 16, подключенного к газопроводу и глушителю 17. Первый привод 9 имеет три кулачка 18.1, 18.2, 18.3 (18). Кулачок 18.1 входит в зацепление с толкателем 19, входящим в зацепление с рычагом 20, входящим в зацепление с подпружиненным клапаном 21. Кулачок 18.2 входит в зацепление с толкателем 22, входящим в зацепление с рычагом 23, входящим в зацепление с клапаном 24. Кулачок 18.3 входит в зацепление с толкателем 25, который входит в зацепление с рычагом 26, который входит в зацепление с подпружиненным клапаном 27. Воздухозаборник 28 подсоединен к турбонаддуву (устройству наддува) 29 и к карбюратору (устройству подготовки топлива) 30. Если устройство 8 есть ТНВД, то он подключен к баку с топливом 31. Если устройство 8 есть магнето (прерыватель катушка зажигания), то блок 31 есть источник электроэнергии 31. На штоках 4 находятся демпфирующие устройства 32 (например, пружины). Цилиндр 1 имеет кольца 33, герметизирующие соответствующую полость. Корпус 34 синхронизирующего механизма прикреплен к цилиндру 1. На штоке 4 крепится поршень (с кольцами) 35. В соответствующей полости цилиндра 34 находится жидкость 36, которая проходит в соответствующую полость цилиндра 34 другого штока (4б) через трубопровод 37. К штоку 4 крепится соответствующий сердечник 38, на котором крепится магнитная система, например, постоянные магниты 39, помещенные в катушку 40, вход и выход (а, б) которой подключены к коммутирующему и преобразующему устройству (в заданный вид) напряжения (КПН) 41 (например, набор выпрямителей), подключенному к аккумуляторной батарее (АБ) 42 и к системе управления (СУ) 43, (например, цифровому процессору). Соответствующие датчики положения 44 соответствующих штоков 4 подключены к системе управления (СУ) 43. Цилиндры 34 снабжены соответствующими сальниками 45. Разъем (РЗМ) 46 подключен к СУ 43 и КПН 41. На фиг.2 изображен маховик (М) 47, подключенный к электрической машине (ЭМ) 48, подключенной к разъему (РЗМ) 49, подключенному к разъему (РЗМ) 46, подключенному к КПН 41. РЗМ 46 также подключен к разъему (РЗМ) 50 (фиг.3), подключенному к приводам клапанов 51.1-51.4, приводу топливного насоса (ТНВД, магнето) 51.5 и к другим приводам 51.m. Клапан (КЛ) 52 подключен к жидкостному трубопроводу 37. Клапан (КЛ) 53 подключен к трубопроводу 37 (а), соединяющему другие полости соответствующих цилиндров 34.

Линейный гидроэлектромеханический двигатель может быть распределенным, то есть состоять из нескольких заранее рассредоточенных устройств в определенных местах, например, на колесах транспортных средств, совмещая привод и накопление энергии.

Устройство работает следующим образом. СУ 43 выдает команду КПН 41 и электронапряжение от АБ 42 поступает на соответствующую катушку 40, которая приводит в движение соответствующий сердечник 38, который приводит в движение соответствующий шток 4 (например, 4а), который посредством приводов 9, 11, кулачков 12, 18.1, 18.2, 18.3, штоков 13, 19, 22, 25, рычагов 14, 20, 26, 28 (клапанов 15, 21, 24, 27) закрывает клапаны 15, 21, открывает клапаны 24, 27.

Воздух из-под поршня 2 (2(а)) цилиндра 1(1 (а)) проходит через клапан 24 в соответствующую полость и клапан 27 в пространство над поршнем 2 цилиндра 1. Срабатывает датчик 44 (концевое положение соответствующего штока). СУ 43 вырабатывает другую команду и соответствующий шток 4 с соответствующим поршнем 2 идет в противоположную сторону. При этом клапаны 15, 27 закрыты, а клапаны 24, 21 открыты. Через них воздух из воздухозаборника 28 (если это дизельный двигатель, то из турбонаддува 29, если карбюраторный, то смесь из карбюратора 30) проходит в полость под поршень 2 цилиндра 1. Также происходит сжатие смеси над поршнем 2. Клапаны 21, 24 закрываются. Если это дизельный двигатель, то топливо из ТНВД 8 через форсунку 7 впрыскивается в полость цилиндра 1 и взрывается (аналогично, если это инжекторный двигатель). Если это карбюраторный двигатель, магнето (система зажигания) 8 вырабатывает напряжение на свечу 7, которая также поджигает смесь. Взорвавшаяся смесь осуществляет рабочий ход поршня 2 штока 4. Длина цилиндра в отличие от коленвальных двигателей здесь не лимитирована и определяется необходимой длиной рабочего хода, совершающего работу. В заданном месте движения поршня 2 открывается клапан 15 и осуществляется выброс отработанных газов через глушитель 17. Далее открываются клапаны 24, 27 (при открытом клапане 15), сжатая смесь из полости под поршнем 2 цилиндра 1 поступает в полость над поршнем 2 цилиндра 1 - осуществляется продувка. Шток 4 движется далее и клапан 15 закрывается. Осуществляется заполнение смесью (воздухом, окислителем) полости под поршнем 2 цилиндра 1, как было описано выше.

Поскольку поршень 2(а) работает в противофазе с поршнем 2(b), то аналогично вышеописанному в момент крайней нижней (правой) точки поршня 2(а) происходит воспламенение смеси в цилиндре 1(b), после чего поршень 1(а) начинает перемещаться влево и цикл, описанный выше, повторяется. Пары цилиндров 1(а) 1(b), 1(c) 1(d) могут располагаться друг за другом или рядом, образуя конструкцию, обеспечивающую заданную мощность путем увеличения количества этих пар.

При движении поршня 35(а) вправо (шток 4а) поршень 35(b) (шток 4b) движется влево благодаря действию жидкости 36, перетекающей по трубопроводам 37, 37 (а) в соответствующие полости цилиндров 34(b), 34 (а). При движении соответствующего штока 4 движется и соответствующий сердечник 38, который приводит в действие магнитную систему 39, например, постоянные магниты, которые пересекают своими силовыми линиями витки катушки 40, и вырабатывается электрический ток, поступающий на КПП 41 и далее с Un-выходов потребителю. Количество катушек должно соответствовать балансу мощностей, поступающих от двигателей, и отдаваемой электрической энергии. Для предотвращения динамических ударов на штоках 4 устанавливается демпфирующее устройство 32. В качестве балластного (нагрузочного) сопротивления может быть использована, например гидромеханическая или электромеханическая инерционная система. Если это гидромеханическая система, то накопителем энергии является маховик 47, приводимый в движение гидромашиной ГМ 48, подключенной к разъему РЗМ 49 (и далее к КПН 41) и КЛ 52, 53. Если это электромеханическая система, то привод маховика 47 осуществляется электрической машиной 48. Механическая энергия от маховика преобразуется в электрической машине 48 и через катушку 40, сердечник 38 под управлением СУ 43 осуществляет необходимое движение соответствующих штоков 4.

СУ 43 может посредством КПН 41 через РЗМ 46, РЗМ 50 осуществляет управление клапанами 15, 21, 24, 27 посредством приводов (например, электромеханических) соответственно 51.1, 51.2, 51.3, 51.4 установленных в соответствующих местах соответствующих цилиндров 1 (фиг.1). В этом случае кроме двухтактного режима работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) можно осуществить четырехтактный режим работы ДВС и другие управляемые варианты, например при четырехтактном режиме работы поршень 1(а) уходит вправо, осуществляется процесс заполнения верхней полости цилиндра 1(а) смесью (окислителем, воздухом) - такт первый. При этом СУ 43 осуществляет управление, открывает и закрывает соответствующие клапаны на впускной системе (ДВС). Далее гидроэлектрическая машина получает энергию, например, от маховика посредством поршня 35 (а) или (и) катушки 40 (сердечника 38), совершает обратное движение (для поршня 2(а) влево) и начинается второй такт - сжатие. Далее подается топливо через соответствующий ТНВД от соответствующего привода 51.5 (или воспламенение от соответствующей свечи) и происходит третий такт - рабочий ход. При этом часть энергии идет на поддержание запаса через ГЭМ 48 к маховику 47. Далее, как было описано выше, используется запасенная энергия и открывается соответствующий клапан 15, в цилиндре (например) 1(а) - происходит четвертый такт - выброс отработанных газов. Для реализации этого режима выхлопной клапан 16(а) может быть расположен (или добавлен еще один) в верхней части надпоршневого пространства (16б) цилиндра 1. Далее описанный цикл повторяется. Аналогично со смещением соответствующей фазы выполняются циклы для других цилиндров 1. Система управления позволяет повторять цикл выхлопа (холостого хода) несколько раз, также осуществлять переход с двухтактного режима работы на четырехтактный или иной режим (механизм газораспределения системы заменен на электромеханический). В зависимости от нагрузки на ДВС могут подключать необходимое количество цилиндров, остальные работать в режиме холостого хода с необходимой смазкой через соответствующие форсунки. Это также уменьшает расход топлива. Подключение ДВС может быстро запускаться, поэтому нет необходимости работать на холостом ходу в ждущем режиме. Также это можно сделать, отключая синхронизацию между цилиндрами. Простота конструкции позволяет использовать их и в наноприводах. По сравнению с прототипом устройство обладает следующими преимуществами:

1. Устройство обладает большим коэффициентом полезного действия, так как образуется меньшим количеством трущихся и взаимодействующих деталей.

2. Устройство компактно, позволяет разместить его в технологических нишах систем.

3. Устройство экономно, так как позволяет создать большую степень сжатия и больший рабочий ход поршня.

4. Устройство позволяет регулировать мощность путем присоединения новых пар осцилляторов (поршень-цилиндр).

5. Устройство динамично, более устойчиво, пары поршней работают в противофазе.

6. Введение дополнительных клапанных систем позволяет более экономно расходовать топливо, регулируя длительность режима продувки.

7. Использование системы процессорного управления и адаптации параметров подачи топлива и потребляемого тока нагрузкой также уменьшает расход топлива, уменьшает ударные нагрузки поршней о цилиндры (путем регулирования соответствующих балластных сопротивлений).

8. Простота изготовления генераторов тока (катушки соленоидов) и необходимое их количество позволяет более полно использовать вырабатываемую механическую энергию.

9. Устройство позволяет реализовать его на макро- и микро(нано)уровнях для встраивания соответствующей системы.

10. При реверсивном использовании устройство может служить соответствующим насосом или дозатором газообразных или жидких веществ.

11. Устройство не имеет картеров, коленвалов и роторов, может использоваться в любом положении, в водяной или в вакуумной среде (космической среде, в дизельном варианте).

12. В качестве рабочих органов устройство (вместо катушек) может снабжаться держателем необходимого инструмента, например долбежного долота.

13. При снабжении рабочего органа компрессором или использовании определенного количества цилиндров в качестве приводов, а других в качестве компрессоров (воздушно-жидкостная среда) устройство образует систему привода.

14. При использовании части двигателей в качестве привода они могут быть установлены близко к органу движения.

15. Позволяет реализовать двухтактный режим работы ДВС, четырехтактный, смешанный и другие режимы. Позволяет накапливать механическую энергию.

16. Позволяет осуществлять управляемое включение-выключение отдельных цилиндров.

17. Позволяет экономить энергию, регулируя холостой ход.

Изобретение относится к свободнопоршневым двигателям, предназначенным для привода линейных электрических генераторов. Линейный гидроэлектромеханический двигатель внутреннего сгорания, включающий двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и электрическую машину, согласно изобретению двигатель внутреннего сгорания выполнен в виде набора синхронизированных ДВС, состоящих каждый из двух цилиндров и двух поршней, соединенных штоком, причем каждый цилиндр имеет систему приводов выпускного клапана и первого, второго, третьего впускных клапанов, объединенных общей полостью, при этом первый впускной клапан подключен к воздухозаборнику и далее к турбонаддуву (или карбюратору), второй впускной клапан находится в части цилиндра под поршнем, а третий впускной клапан находится в части цилиндра над поршнем, причем каждый цилиндр имеет свой ТНВД (или магнето), подключенный к соответствующему приводу и к соответствующей форсунке (свече), причем каждый шток соединен с соленоидом (электрическая машина) и поршнем, синхронизирующийся, например, гидросистемой, причем устройство снабжено коммутируемым преобразователем напряжения, системой управления и аккумуляторной батареей. Изобретение обеспечивает повышение эффективности работы двигателя. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Линейный гидроэлектромеханический двигатель внутреннего сгорания, включающий двигатель внутреннего сгорания и электрическую машину, отличающийся тем, что двигатель внутреннего сгорания (ДВС) выполнен в виде набора синхронизированных ДВС, состоящих каждый из двух цилиндров и двух поршней, соединенных штоком, причем каждый цилиндр имеет систему приводов выпускного клапана и первого, второго, третьего впускных клапанов, объединенных общей полостью, причем первый впускной клапан подключен к воздухозаборнику и далее к турбонаддуву (или карбюратору), второй впускной клапан находится в части цилиндра под поршнем, а третий впускной клапан находится в части цилиндра над поршнем, причем каждый цилиндр имеет свой ТНВД (или магнето) подключенный к соответствующему приводу и к соответствующей форсунке (свече), причем каждый шток соединен с соленоидом (электрическая машина) и поршнем, синхронизирующийся, например, гидросистемой, причем устройство снабжено коммутируемым преобразователем напряжения, системой управления и аккумуляторной батареей.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что шток снабжен демпфирующим механизмом и датчиком положения штока, подключенного к системе управления.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что пары двигателей объединены в группы.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что дополнительно снабжен гидроэлектромашиной, подключенной к маховику и системе управления.

5. Двигатель по п.1, отличающийся, тем, что гидроэлектромеханический накопитель энергии выполнен распределенно, например, на колесах транспортных средств, совмещая реверсное накопление энергии с торможением.