Поршневой двигатель внутреннего сгорания с линейным генератором Российский патент 2023 года по МПК F02B71/04 F02B75/04 F02B63/04 F02D15/00 F01B11/00 

Область техники

Изобретение относится к области применения двигателей внутреннего сгорания и электротехники и предназначено для эффективного преобразования энергии различных видов углеводородного топлива в электрическую.

Уровень техники

Из уровня техники известны линейные генераторы, например, генератор по патенту РФ №2517712 для получения электрической энергии. Линейные генераторы обеспечивают возвратно-поступательное движение цилиндра с магнитом в цилиндре, при этом энергия вырабатывается электроиндукционной катушкой, а движение поршня (цилиндра) обеспечивается давлением текущей среды в торцевых частях корпуса (цилиндра)

Также известны различные линейные двигатели внутреннего сгорания, они существенно проще классических двигателей внутреннего сгорания, так как в их конструкции полностью исключена такая массивная и сложная система деталей, как «кривошипно-шатунный механизм»

Линейные двигатели внутреннего сгорания делятся на: оппозитно поршневые двигатели с внешним сжатием; с противоположным поршнем и внутренним сжатием; однопоршневые одностороннего действия с возвратным механизмом; свободнопоршневые и свободнопоршневые двойного действия.

Недостатками перечисленных выше двигателей являются механизмы и системы выработки электроэнергии или передачи момента, при которых теряется собственно КПД самого двигателя.

Для эффективной выработки электроэнергии совместно с линейными двигателями внутреннего сгорания используются линейные генераторы так, например:

известен ЛИНЕЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ-ГЕНЕРАТОР по патенту РФ №2462605, состоящий из вертикально стоящего на опорной плите оребренного снаружи рабочего цилиндра, заглушенного с нижнего конца, содержащий форсунку впрыска топлива в нижней части цилиндра, отверстия для впуска воздуха и выпуска выхлопных газов, открываемые и запираемые телом поршня; двигающегося по каналу цилиндра вверх-вниз поршня с компрессионными кольцами и штоком, на котором неподвижно закреплены постоянные магниты; обмотки генератора неподвижно закреплены над цилиндром и внутри них двигаются вверх-вниз закрепленные на штоке постоянные магниты. Недостатком данного устройства является сравнительно низкий КПД двигателя, неравномерность скорости поршня и как следствие выработки энергии.

Помимо упомянутого выше решения из уровня техники известны различные решения, использующие двигателей внутреннего сгорания со свободным поршнем для привода линейного электрогенератора, при этом для возврата поршня в обратное положение используются различные решения: пружины, жидкие рабочие тела, газ. Генераторы данного типа обладают очень большим потенциалом, могут работать на очень большой частоте обеспечивая высокий КПД в течение продолжительного времени.

Наиболее близкое решение, принятое за прототип описано в патенте США US9567898, высокоэффективный линейный двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр, имеющий стенку цилиндра и пару концов, причем цилиндр включает секцию сгорания, расположенную в центральной части цилиндра; пара противолежащих поршневых узлов, выполненных с возможностью линейного перемещения внутри цилиндра, причем каждый поршневой узел расположен на одной стороне секции сгорания напротив другого поршневого узла, каждый поршневой узел включает пружинный шток, а поршень содержит сплошную переднюю часть, примыкающую к секции сгорания и газовая секция; и пару линейных электромагнитных машин, приспособленных для прямого преобразования кинетической энергии поршневого узла в электрическую энергию. Двухцилиндровый двигатель предложенной схемы имеет поршневую группу, состоящую из двух поршней, соединенных жестким штоком. Циклически повторяющееся давление газов в процессе сгорания топлива сообщает поршневой группе возвратно-поступательное движение. В плоскости симметрии штока, между поршнями на штоке закреплена подвижная магнитная система. Подвижная магнитная система размещается внутри конструкции статора с системой обмоток. При возвратно-поступательном движении штока с закрепленной на нем магнитной системой внутри статора и взаимодействия их магнитных полей происходит возникновение электродвижущей силы в обмотках статора.

Недостатком данного решения является недостаточная мощность и количество поршневых деталей.

Раскрытие изобретения

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение высокой удельной мощности генерации электроэнергии.

Технический результат заявленного изобретения заключается в том, что обеспечивается высокая удельная мощность за счет конструкции линейного генератора и двигателя внутреннего сгорания с одним поршневым узлом.

Для достижения указанного технического результата поршневой двигатель внутреннего сгорания с линейным генератором, содержащий цилиндр из немагнитного материала, по торцевым сторонам которого располагаются полуцилиндры двигателя внутреннего сгорания, каждый из которых с торцевой стороны содержит камеру сгорания, клапан регулировки объема и степени сжатия, вентиляционный клапан, форсунку и свечу зажигания, в центральной части цилиндра с внешней стороны установлен статор линейного генератора с возможностью его соединения с внешней нагрузкой, при этом поршневой узел представлен одним челноком, выполненным с возможностью свободного движения по всей длине цилиндра от одной камеры сгорания полуцилиндра до другой камеры сгорания противоположного полуцилиндра и состоящего из соединенных правого и левого поршней с уплотнительными кольцами, между которыми установлен индуктор представленный постоянными магнитами, крайние к линейному генератору части полуцилиндров содержат выхлопные каналы.

Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что:

Существенно уменьшается масса электроустановки и увеличивается удельная мощность по сравнению с существующими энергоустановками;

Существенно увеличивается объем цилиндров на единицу массы, что позволяет сделать малогабаритную мощную энергетическую установку;

Увеличение мощности двигателя можно произвести путем простого удлинения цилиндра, без изменения конструкции агрегатов в и системы управления;

Повышается КПД двигателя и всей установки в целом за счет режима полного расширения газов в цилиндре;

Появляется возможность динамического изменения в каждом такте в широких пределах объема камеры сгорания и степени сжатия путем электронного управления;

Уменьшение числа движущихся деталей до одного поршневого узла;

Упрощение конструкции, отсутствие направляющих возвратно-поступательного движения.

За счет высокой скорости перемещения индуктора относительно статора линейного генератора увеличить ЭДС, уменьшить сечение проводов катушек статора и снизить вес генератора;

Возможна реализация оптимальных режимов сгорания топлива, в том числе и гомогенное воспламенение бедных смесей (режим сгорания HCCI). Потенциал для снижения вредных выбросов.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана схема поршневого двигателя, на которой позициями обозначены:

1 - Цилиндр поршневого двигателя;

2 - Поршневой узел двигателя;

3 - Статор линейного генератора;

4 - Обмотки статора линейного генератора;

5 - Левый выхлопной канал с патрубком;

6 - Левый клапан регулировки объема камеры сгорания и степени сжатия;

7 - Левый лепестковый вентиляционный клапан;

8 - Форсунка впрыска топлива в левый полуцилиндр;

9 - Свеча зажигания левого полуцилиндра;

10 - Правый выхлопной канал с патрубком;

11 - Правый клапан регулировки степени сжатия;

12 - Правый лепестковый вентиляционный клапан;

13 - Форсунка впрыска топлива в правый полуцилиндр;

14 - Свеча зажигания правого полуцилиндра;

15 - Нагрузка генератора;

16 - Левый полуцилиндр;

17 - Правый полуцилиндр;

18 - Линейный генератор.

На Фиг. 2 показана схема поршневого узла, включающая в себя:

19 - Левый поршень с уплотнительными кольцами;

20 - Правый поршень с уплотнительными кольцами;

21 - Соединительный стержень;

22 - Индуктор линейного генератора в виде набора постоянных магнитов.

На Фиг. 3-8 приведен рабочий цикл левого полуцилиндра, где обозначены:

5 - Левый выхлопной канал с патрубком;

6 - Левый клапан регулировки объема камеры сгорания и степени сжатия;

7 - Левый лепестковый вентиляционный клапан;

8 - Форсунка впрыска топлива в левый полуцилиндр;

9 - Свеча зажигания левого полуцилиндра.

На фиг. 9 приведены диаграммы зависимости давления от объема (P-V диаграмма) для режима полного расширения, а на фиг. 10 и фиг. 11 P-V диаграмма и для режима максимальной мощности для длинны полуцилиндра 1 метр и диаметра 100 мм.

Осуществление изобретения

Описание устройства и работы отдельных его узлов.

Ниже приведен пример конкретного выполнения устройства, который не ограничивает варианты его исполнения.

Предлагаемый поршневой двигатель отличается от аналогов тем, что энергия, возникающая в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, преобразуется в кинетическую энергию поршня, свободно разгоняющегося по цилиндру до максимальной скорости, при этом между двумя цилиндрами, в которых происходит преобразование химической энергии топлив в давление по принципу двигателей внутреннего сгорания, расположен - разгонный ствол по которому движется поршневой узел (поршень).

Кинетическая энергия поршневого узла, полученная в результате преобразования давления в цилиндрах в скорость, отбирается в узле отбора мощности и преобразуется в электроэнергию, так же для сжатия топливно-воздушной смеси используется также кинетическая энергия поршневого узла, оставшаяся после отбора мощности.

Объем цилиндра, камеры сгорания и степени сжатия могут меняться от цикла к циклу с помощью специальных регулировочных клапанов, расположенных в каждом из двух цилиндров.

Устройство позволяет реализовать режим полного расширения газа в цилиндре до атмосферного давления для разгона поршневого узла, что увеличит КПД двигателя.

Схема поршневого двигателя внутреннего сгорания, интегрированного с линейным генератором приведена на Фиг. 1

Поршневой двигатель состоит из цилиндра 1, закрытого с двух сторон. Цилиндр 1 выполнен из немагнитного материала и имеет гладкие полированные внутренние стенки, как у обыкновенного цилиндра двигателя внутреннего сгорания. Цилиндр 1 подразделяется на правый 17 и левый 16 полуцилиндры, между которыми расположен линейный генератор 18. По цилиндру 1 движется поршневой узел 2, совершающий возвратно-поступательное движение.

Всеми процессами, как и в любом другом двигателе внутреннего сгорания, руководит система управления (не показана на чертежах). Она контролирует положение челнока и его скорость с помощью специальных датчиков (не показаны на чертежах) и задает циклограмму работы двигателя путем открытия и закрытия в нужные моменты клапанов, впрыском требуемого количества топлива и подачей напряжения от источников (не показаны на чертежах) на свечи зажигания.

На Фиг. 2 изображен поршневой узел 2, который представляет собой правый и левый поршни с соединяющим их стержнем и с уплотнительными кольцами минимальное количество которых 2 с каждой стороны, между которыми на стержне располагается набор постоянных магнитов количество которых зависит от мощности и габаритов, минимальное количество 3 шт. Магниты выполняют роль индуктора линейного генератора.

Полуцилиндры могут строиться для работы по любому из существующих циклов двигателя внутреннего сгорания - по циклу Отто с искровым зажиганием, по циклу Дизеля, а также с использованием компрессионного воспламенения гомогенных бедных смесей (режим сгорания HCCI).

На Фиг. 1 изображен двигатель с искровым зажиганием и непосредственным впрыском топлива.

Каждый полуцилиндр 16 или 17 содержит:

В торцевых частях цилиндра 1 (полуцилиндрах 16 и 17):

- свечи зажигания 9, установленные на торцах цилиндра 1 - камеры сгорания (не показаны на фигурах);

- клапан регулировки объема камеры сгорания и степени сжатия 6 или 11, который представляет собой обыкновенный седельный клапан, открываемый и закрываемый соленоидом по командам системы управления двигателем;

- форсунку, применяемую в топливных системах двигателей внутреннего сгорания 8 или 13 для впрыска топлива в левый или в правый полуцилиндр соответственно;

- лепестковые вентиляционный клапан 7 и 12.

В обратных частях полуцилиндров 16, 17 относительно камер сгорания топлива установлены выхлопные каналы правый 10 и левый 5 с патрубками.

Линейный генератор 18 состоит из статора 3 линейного генератора, который расположен вокруг центральной части цилиндра 1, с внешней его стороны. Конструкция линейных генераторов идентична известным решениям и описана в прототипе. Катушки статора 3 соединены с внешней нагрузкой 15.

Заявленное изобретение по фиг. 1-3 представляет собой и устройство, работающее по принципу двигателя внутреннего сгорания, преобразующее давление, создаваемое рабочим телом при нагреве в кинетическую энергию разгоняемого свободного снаряда, коим является поршневой узел 2.

Эта энергия отбирается в пространстве между двумя полуцилиндрами 16 и 17 либо с помощью линейного генератора 18.

По сути заявляемое устройство является двумя «пушками» - камерами сгорания, направленными друг против друга, «стреляющими» поочередно челноком 2. По дороге от одной «пушке» к другой происходит отбор мощности с помощью линейного генератора 18 и «снаряд» - поршневой узел 2 замедляется, приходя в противоположную «пушку» с нужной для организации сжатия скоростью. В качестве оппозитных «пушек» выступают полуцилиндры 16 и 17, в которых реализуются процессы, характерные для цилиндров двигателей внутреннего сгорания, с рабочим циклом с искровым зажиганием или Дизеля, а также режим сгорания с компрессионным зажиганием обедненной гомогенной смеси (HCCI).

Размеры полуцилиндров диаметр и длина, а также размер всего генератора практически ничем не ограничены.

Минимальный диаметр цилиндра 1 может быть ограничен только возможностями установки свечей и клапанов.

Максимально возможный диаметр цилиндра 1 ограничивается только условиями применения, например, для энергетической установки, сопоставимой по мощности установке ледокола «Арктика» (два реактора по 160 МВт) потребуется цилиндр диаметром 1,8 метра и длинной полуцилиндра 20 метров.

Максимальная длина не имеет никаких конструктивных ограничений.

В классическом двигателе внутреннего сгорания длина цилиндра ограничена размерами кривошипно-шатунного механизма. В приведенных прототипах препятствием наращиванию длины цилиндра являются прочностные характеристики штоков, соединяющих поршни.

В челночном двигателе нет никаких конструктивных ограничений для увеличения длины.

Не меняя диаметр цилиндра 1 и не меняя размеры и конструкцию поршневого узла 2, можно без ограничений увеличивать длину полуцилиндра, при этом, пропорционально увеличивается объем камеры сгорания и рабочий объем полуцилиндра, а также скорость челнока и мощность генератора в целом.

Примеры осуществления

Описание работы двигателя с искровым зажиганием Цикл работы челночного двигателя состоит из четырех циклов:

1. Рабочий цикл левого полуцилиндра 16;

2. Торможение при поступательном движении с генерацией энергии;

3. Рабочий цикл правого полуцилиндра 17;

4. Торможение при возвратном движении с генерацией энергии.

Рабочий цикл левого полуцилиндра

На Фиг. 3. приведено начало цикла. В начальной точке челнок движется влево с некоторой заданной скоростью, которая осталась после этапа отбора мощности. Началом цикла можно считать момент пересечением левого поршня челнока 2 выхлопного патрубка 5. Лепестковый вентиляционный клапан 7 закрыт, а клапан регулировки объема камеры сгорания и степени сжатия - 6 (КРКС) принудительно открыт и зафиксирован.

Поршневой узел 2 движется к точке сжатия и через КРКС 6 выходит воздух из полуцилиндра 16 в атмосферу.

На Фиг. 4. изображен момент начала сжатия. Начальная точка сжатия определяется системой управления исходя из нескольких параметров:

- требуемого объема камеры сгорания;

- требуемого давления в камере сгорания после сжатия, связанного с применяемым в классических ДВС параметром «степень сжатия»;

- реальной скоростью поршневого узла после отбора мощности.

При достижении начальной точки сжатия система управления закрывает клапан 6, происходит впрыск топлива в нужной дозе и начинается процесс сжатия топливно-воздушной смеси в камере сгорания.

На Фиг. 5 изображен момент окончания сжатия. Он характерен тем, что вся кинетическая энергия движущегося поршневого узла 2 переходит в потенциальную энергию сжатия, и он останавливается. В этот момент полается искра, топливно-воздушная смесь воспламеняется, и давление в камере сгорания увеличивается.

На Фиг. 6. изображен процесс рабочего разгона поршневого узла 2 (по аналогии с рабочим ходом в ДВС). Под действием давления поршневой узел 2 начинает движение вправо, разгоняясь по цилиндру 1. Газ при этом совершает адиабатическое расширение.

Начальное ускорение разгона зависит от начального давления в камере сгорания, площади поршня и массы поршневого узла. При адиабатическом расширении давление в полуцилиндре падает по мере движения челнока вправо. Пока избыточное давление больше нуля, челнок продолжает увеличивать скорость.

Конец разгона наступает при достижении поршневого узла выхлопного патрубка, сила, двигающая поршневой узел прекратится, и он начнет двигаться по инерции.

На Фиг. 7 изображен процесс вентиляции или продувки полуцилиндра.

Выхлопной патрубок 5 открывается и под действием оставшиеся после расширения давления отработанные газы устремляются в атмосферу с большой скоростью.

Через некоторое время в полуцилиндре возникнет разрежение, которое приведет к открытию лепесткового вентиляционного клапана 7. Наружный воздух начнет поступать в полуцилиндр, замещая отработанные газы.

Для усиления эффекта может быть принудительно открыт и клапан 6 регулировки камеры сгорания. За время возврата поршневого узла 2 в точку начала цикла полуцилиндр может быть полностью провентилирован.

В отличии от решения, принятого за прототип, в заявляемом решении:

1. Поршневой узел движется в цилиндре свободно от одного полуцилиндра к другому, не ограниченный никакими направляющими, кроме самого цилиндра.

2. Результатом рабочего цикла в полуцилиндре является разгон поршневого узла до максимально возможной скорости, то есть максимальное накопление кинетической энергии, в отличии от большинства двигателей внутреннего сгорания, где давление в камере сгорания и в цилиндре превращается в силу.

Термодинамический цикл челночного двигателя с искровым зажиганием

Диаграммы зависимости давления от объема (P-V диаграмма) для режима полного расширения и для режима максимальной мощности для длинны полуцилиндра 1 метр и диаметра 100 мм приведены на Фигурах. 10 и 11. Общий объем цилиндра составляет 7,85 литра.

Термодинамические циклы двигателя могут отличаться объемом камеры сгорания, которую выбирает система управления от цикла к циклу исходя из внешних параметров, в первую очередь, сообразуясь с нагрузкой. Объем цилиндра и камеры сгорания определяется положением начальной тоски сжатия. На фигуре 10 приведен цикл для режима полного расширения. Начальная точка сжатия подобрана так, что газ в конце полуцилиндра 1 расширяется до атмосферного давления, и вся энергия расширения превращается в работу разгона. Этот режим характерен повышенным КПД и малым расходом топлива на кВт мощности.

Следует отметить, что режим полного расширения является по сути режимом минимальной мощности, поскольку дальнейшее уменьшение камеры сгорания приведет к тому, что в конце полуцилиндра давление будет ниже атмосферного и возникшее разряжение будет тормозить поршневой узел 2.

Дальнейшее наращивание объема камеры сгорания приведет к увеличению мощности. Одновременно повысится давление на выхлопе.

Наибольший объем камеры сгорания получается при начальной точке сжатия, расположенной в начале полуцилиндра. Это можно считать режимом максимальной мощности. Диаграмма режима приведена на фигуре 11.

Изобретение относится к области двигателестроения и предназначено для эффективного преобразования энергии различных видов углеводородного топлива в электрическую. Технический результат - обеспечение высокой удельной мощности, снижение массы и габаритов, упрощение конструкции двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с линейным генератором. Предложен поршневой ДВС с линейным генератором 18, содержащий цилиндр 1 из немагнитного материала, по торцевым сторонам которого располагаются полуцилиндры ДВС, каждый из которых с торцевой стороны содержит камеру сгорания, клапан 6, 11 регулировки объема и степени сжатия, вентиляционный клапан 7, 12, форсунку 8, 13 и свечу зажигания 9, а ближние к линейному генератору части полуцилиндров содержат выхлопные каналы 5, 10. В центральной части цилиндра с внешней стороны установлен статор 3 линейного генератора 18 с возможностью его соединения с внешней нагрузкой 15. Поршневой узел представлен одним челноком 2, выполненным с возможностью свободного движения по всей длине цилиндра от камеры сгорания одного полуцилиндра до камеры сгорания противоположного полуцилиндра и состоит из соединенных правого и левого поршней с уплотнительными кольцами, между которыми установлен индуктор, представленный постоянными магнитами. 11 ил.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания с линейным генератором, характеризующийся тем, что содержит цилиндр из немагнитного материала, по торцевым сторонам которого располагаются полуцилиндры двигателя внутреннего сгорания, каждый из которых с торцевой стороны содержит камеру сгорания, клапан регулировки объема и степени сжатия, вентиляционный клапан, форсунку и свечу зажигания, в центральной части цилиндра с внешней стороны установлен статор линейного генератора с возможностью его соединения с внешней нагрузкой, при этом поршневой узел представлен одним поршнем, выполненным с возможностью свободного движения по всей длине цилиндра от одной камеры сгорания полуцилиндра до другой камеры сгорания противоположного полуцилиндра и состоящим из соединенных правого и левого поршней с уплотнительными кольцами, между которыми установлен индуктор, представленный постоянными магнитами, крайние к линейному генератору части полуцилиндров содержат выхлопные каналы.