Устройство свободнопоршневого электромеханического агрегата с функциями выработки электрической энергии или компрессора Российский патент 2024 года по МПК F02B71/04 

Устройство относится к технике двигателей внутреннего сгорания и компрессорным агрегатам. Возможно его применение для потребителей малой мощности с использованием разнообразного топлива, такого как горючие газы, легковоспламеняющиеся жидкости с зажиганием смеси или впрыск дизельных фракций с самовоспламенением.

Уровень техники. Известно большое количество устройств свободнопоршневых двигателей, комбинированных устройств двигателя и компрессора, двигателей с электрическими генераторами и отдельных компрессоров. Можно выделить следующие известные устройства.

В устройстве (см. патент РФ 2 255 232, F02B 71/04, 2005) используются две камеры сгорания и единый поршень. Недостатком является несбалансированность устройства и наличие источника высокой температуры в непосредственной близости к обмоткам статора.

В устройстве (см. патент РФ 2 709 586, F01B 11/00, 2019) используется поршень, совмещённый с двумя камерами сгорания и шатуном, проходящим через камеру сгорания. Недостатком является постоянное воздействие высоких температур на шатун и поршень, сложность их охлаждения, несбалансированность двигателя.

В устройстве (см. патент РФ 2 577 425, F02B 71/00, 2016) имеется пневматическая пружина, которая при высоких скоростях движения поршня не обеспечивает высокую эффективность.

В устройстве (см. патент США 7.478,539, F25B 1/10, 2006), представляющим собой линейный компрессор, имеются два сбалансированных поршня, однако используется дополнительно рабочее пространство спереди и сзади поршня, что усложняет смазку и предполагает наличие втулки, работающей при высоких температурах

В устройстве (см. патент США 9,032,918, F02B 71/00, 2015) используется единый не сбалансированный поршень и пневматический демпфер, приводящий к избыточной вибрации и потерям

В устройстве (см. патент США 6,652,247, F04B 35/00, 2003) применяется зубчатая связь между поршнями для их синхронизации и балансировки, недостатком является наличие элемента зубчатой передачи и кривошипно-шатунного механизма

В устройстве (см. патент РФ 2 578 932, F02B 71/04, 2015) используется двигатель-компрессор, при этом устройство не является сбалансированным и содержит пневматический демпфер, что также приводит к вибрациям и потерям

В устройстве (см. пратент РФ 2 577 425, F02B 71/00, 2016) имеется пневматическая пружина, также приводящая к избыточным потерям за счёт не идеального адиабатического сжатия

В устройстве (Патент США 8,714,117, F02B71/04, 2014) имеется демпфируемый пружиной двухтактный двигатель с совмещённым компрессором

В устройстве (Патент США 6,484,674, F02B 71/00, 2002) используется раздельная камера сгорания с двумя поршнями и пружинными демпферами

В устройстве (Патент РФ 7,258,085, F02B 71/00, 2007) применяется продувка от задней ёмкости поршней

Наиболее близким аналогом к предлагаемому устройству является устройство (см. патент КНР CN103590899A, F02B71/04, 2014). В этом устройстве-прототипе свободнопоршневого четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания имеется линейный электродвигатель с генерирующим и двигательным режимом работы, реверсивное устройство накопления электроэнергии, инвертор, подключаемый между линейным электродвигателем и реверсивным устройством накопления электроэнергии а также с соответственно, с распределительными клапанами четырехтактного двигателя внутреннего сгорания и блоком электронного управления и зажигания, подключённого к инвертору, движитель линейного электродвигателя непосредственно связан с поршнем двигателя внутреннего сгорания и представляет собой ротор линейного двигателя, снабженный элементом определения положения, этот элемент определения положения соединён с блоком электронного управления, при этом в корпусе цилиндра камеры зажигания симметрично расположены два поршня и линейный электродвигатель, также располагаемый симметрично относительно поршней.

Дополнительно в этом устройстве присутствует возможность обеспечения зажигания, осуществление накопления механической энергии, например, в пружинном элементе. Основное назначение прототипа - генерация электрической энергии.

Недостаток этого устройства заключается в том, что отсутствует непосредственная механическая связь с вспомогательными функциями, например, для сжатия газов, жидкостного насоса, не рассматривается реализация магнитоэлектрической системы для заданной конфигурации шатуна, имеется только четырёхтактный режим работы, не обеспечивается предварительная компрессия, отсутствует описание резонансного режима работы, усилие, создаваемое пружиной является линейным, что создаёт трудности регулирования и генерации в мёртвых точках положениях шатуна, где электродвижущая сила минимальна.

Задача изобретения - создание устройства генератора электрической энергии и компрессора с унифицированной системой управления и частью механических элементов, электрическим приводом, накопительным и пусковым элементом с двухтактным и четырёхтактным циклом, включая оптимизированный для рабочей точки резонансный режим работы. При этом двигатель и компрессор имеют одинаковые элементы на основе свободно движущегося поршня с установленным на шатуне линейным генератором с движительным режимом, представляющим собой электромагнитную систему из постоянных ниобиевых и других типов магнитов с большой индукцией, образующих подвижную часть движителя, магнитопроводов с катушками, образующих неподвижную часть движителя. Свободно движущиеся два поршня имеют оппозитную компоновку с синхронным одновременным движением за счёт силового воздействия линейным электроприводом, навстречу и в противоположные стороны, позволяющей минимизировать сумму векторов сил инерции, уменьшая вибрации по сравнению с не сбалансированной схемой. При работе в качестве генератора используется двух- и четырёхтактная схема для двигателя внутреннего сгорания. Двухтактная схема содержит дополнительный цилиндр с окнами для выпуска и для продувки камеры сгорания топливо-воздушной смесью, четырёхтактная - систему электромеханического накопления энергии движения шатуна. При этом для двухтактной схемы дополнительно имеется поршень компрессора и окна для создания избыточного давления. Комбинированная схема заключается в объединении двигателя и компрессора за счёт механической связи между поршнями.

Технический результат предлагаемого устройства заключается в повышении эффективности преобразования в электрическую энергию для двигателя в двух- и четырёхтактном цикле меньших габаритов.

Для варианта устройства в виде компрессора результат заключается в увеличении срока службы, обеспечения эффективности преобразования электрической энергии в механическую за счёт резонансного режима работы. Комбинированное двигатель-компрессорное устройство позволяет добиться эффективности за счёт непосредственной передачи энергии от рабочего тела к сжимаемому газу.

Достижение технического результата осуществляется тем, что в устройстве свободнопоршневого четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания имеется линейный электродвигатель с генерирующим и двигательным режимом работы, реверсивное устройство накопления электроэнергии, инвертор, подключаемый между линейным электродвигателем и реверсивным устройством накопления электроэнергии а также с соответственно, с распределительными клапанами четырехтактного двигателя внутреннего сгорания и блоком электронного управления и зажигания, подключённого к инвертору, движитель линейного электродвигателя непосредственно связан с поршнем двигателя внутреннего сгорания и представляет собой ротор линейного двигателя, снабжённый элементом определения положения, подключаемым к блоку электронного управления, при этом в корпусе цилиндра камеры зажигания симметрично расположены два поршня и линейный электродвигатель, также располагаемый симметрично относительно поршней, при этом устройство накопления представляет собой совокупность двух накопительных элементов из суперконденсатора и электрохимической аккумуляторной батареи, соединяемыми через преобразователь из постоянного тока в постоянный, инвертор подключается непосредственно к аккумуляторной батарее, от этой шины звена постоянного тока производится питание блока контроля, управления и зажигания с использованием понижающего преобразователя а также питание приводов клапанов устройства, измеритель положения поршня представляет собой датчики Холла, устанавливаемые рядом с фазными обмотками линейного трёхфазного или многофазного движителя, а также, индуктивный датчик за счёт изменения индуктивности пружины при её сжатии и растяжении, установленными магнитами в конфигурации с отталкиванием одноимёнными полюсами между неподвижной частью движителя и шатуном.

В варианте исполнения устройства с функцией компрессора хладагента, свободно перемещаемые впускной и выпускной клапаны не содержат привода и перемещаются за счёт напора выпускаемого и поступающего газа в цилиндр, частота перемещения поршня близка к резонансной для механической системы, привод осуществляется от линейного двигателя, энергия к преобразователю двигателя поступает от источника питания или аккумуляторной батареи.

В варианте исполнения комбинированного двигателя и компрессора поршень движителя внутреннего сгорания соединён с линейными двигателем который соединяется с цилиндром компрессора, имеющего свободно перемещаемые впускной и выпускной клапаны, при этом цилиндры компрессора располагаются симметрично. Компрессия осуществляется за счёт такта расширения двигателя, при этом сжатие обеспечивается остаточной энергией, запасённой в пружине и с энергией поступающей от линейного двигателя, в этом случае генерация электроэнергии используется в основном для работы преобразователя и компенсации потерь на сжатие.

В варианте двухтактного двигателя и генератора линейный движитель соединён с шатуном, с торцов которого установлены поршни, в общем, имеющие различные диаметры, поршень двигателя внутреннего сгорания располагается в цилиндре с окном выпуска отработавших газов и продувки, поршень нагнетающего компрессора располагается в цилиндре сжатия с окном впуска и выпуска, при этом окно выпуска нагнетающего компрессора соединяется через патрубок с окном впуска двигателя внутреннего сгорания, причём цилиндр двигателя внутреннего сгорания, линейный движитель, поршень и шатун располагаются симметрично друг с другом.

Благодаря тому, что устройство в варианте исполнения четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания и генератора присутствует суперконденсатор и DC/DC преобразователь, достигается эффективность локального цикла сжатия и генерации, более полное использование напряжения суперконденсатора и его ёмкости, снижая массогабаритные показатели этого элемента, при этом обеспечивается подавление пульсаций напряжения звена постоянного тока на аккумуляторной батарее и дополнительные пусковые токи, при использовании взаимно отталкивающихся постоянных магнитов совместно с пружиной сжатия и растяжения достигается нелинейная механическая характеристика, где усилие максимально вблизи мёртвых точек поршня, в этом случае, для систем с малой мощностью удаётся достичь высокой скорости изменения движения и более полного использования хода поршня с точки зрения выработки электроэнергии и управления циклом сжатия и расширения.

В варианте устройства с функецией для осуществления компрессии хладагента с применением резонансного режима работы, увеличивая эффективность преобразования электрической энергии в механическую, так как отбор энергии идёт при максимальной скорости движения поршня, при этом кривая выходного напряжения инвертора содержит интервалы с выключенными ключами при прохождении поршнем мёртвых точек.

В варианте устройства с функцией для осуществления компрессии хладагента в виде комбинированного устройства двигателя-компрессора дополнительно возможно использование этого топлива как хладагента в обычном холодильном цикле сжатие-сжижение-испарение, при этом, обеспечивая размораживание системы для удаления конденсата и остатков влаги, присутствующих обычно в топливном газе, в варианте исполнения. Дополнительно в варианте исполнения двухтактного двигателя возможно использование дополнительного наддува за счёт увеличенного объёма вспомогательного цилиндра, например, для дизельного способа со впрыском топлива через форсунку, обеспечивая более полное сгорание топлива и удаление остатков отработавших газов.

На чертежах (фиг. 1,2,3,4) изображены разрезы вдоль оси цилиндров заявляемого устройства и его вариантов:

на фиг. 1 представлено устройство свободнопоршневого четырёхктактного двигателя внутреннего сгорания с симметричным расположением механических элементов, электромеханическим управлением и генерацией с системой обеспечения питания, накопителем с суперконденсатором, аккумуляторной батареей, системой управления и датчиками;

на фиг. 2 изображён вариант исполнения устройства с функцией компрессора для хладагента, с не управляемыми клапанами в цилиндре, показанным на фиг. 1;

на фиг. 3 представлен вариант устройства с функцией комбинированного двигатель-компрессорного агрегата с дополнительным поршнем, расположенным на шатуне, показанным на фиг. 1;

на фиг. 4 изображён вариант устройства двухтактного двигателя внутреннего сгорания с предварительной компрессией вспомогательными цилиндрами с поршнями, установленными на шатуне двигателя показанным на фиг. 1.

На фиг. 1 изображено предпочтительное устройство четырёхтактного свободнопоршневого двигателя с функцией генератора: 1 - блок цилиндра, установленный неподвижно, 2 - свеча зажигания, 3 - поршень, 4 - шатун, 5 - втулка шатуна, 6 - втулка подвижного элемента линейного электродвижителя, 7 - опора для пружин на подвижном элементе электродвижителя, 8 - неподвижная опора пружины, 9 - пружина рабочего хода, 10 - пружина обратного хода, 11 - магнит рабочего хода неподвижный, 12 - магнит рабочего хода подвижный, 13 - магнит обратного хода подвижный, 14 - сердечник магнитопровода статора линейного электромеханического движителя и генератора, 15 - обмотка сердечника магнитопровода статора, 16 - постоянный магнит подвижного элемента линейного движителя, 17 - датчики Холла, установленные рядом с магнитными зазорами линейного движителя, 18 - входной патрубок, 19 - входной клапан, 20 - выходной клапан, 21 - выходной патрубок, 22 - электромеханический привод одного из клапанов, 23-1 - блок генератора и инвертора, 23-2 - блок генератора и инвертора симметричный, 24 - соединение инвертора 26 к обмотке 15, далее, 25 - датчик линейного перемещения на основе измерения индуктивности, 26 - автономный инвертор напряжения двунаправленный, 27 - электрохимическая аккумуляторная батарея, 28 - преобразователь из постоянного тока в постоянный, 29 - суперконденсатор.

На фиг. 2 представлен вариант исполнения устройства свободнопоршневого двигателя с функцией компрессора хладагента, где: 32.1 - блок, включающий блоки электромеханического линейного двигателя и генератора 30.1 и 32.1 - блок формирования нелинейного усилия и накопления механической энергии, 30.2, 31.2 и 32.2 - блоки, симметричные соответственно блокам 30.1, 31.1 и 32.1, 33 - впускной клапан, 34 - впускной патрубок, 35 - выпускной клапан, 36 - выпускной патрубок.

На фиг. 3 изображён вариант осуществления устройства свободнопоршневого двигателя с функцией двигателя-компрессора: 37 - блок двигателя внутреннего сгорания, 38-1 - блок компрессора, содержащий элементы устройства, изображённого на фиг. 1 и 2, а именно, поршень 3, впускной клапан 33, впускной патрубок 34, выпускной клапан 35, выпускной патрубок 36. Блок электромеханического управления циклом двигателя и компрессором 39-1 включает в себя блоки формирования усилия 32-1 и электромеханический движитель 31-1. Симметричные блоки обозначены соответственно как 38-2 для блока компрессора и 39-2 для блока цикла двигателя и компрессора.

На фиг. 4 представлен вариант свободнопоршневого двигателя с двухтактным циклом и линейным генератором: 31-1 - блок линейного движителя и генератора, 32-1 - блок формирования нелинейного усилия и накопления потенциальной энергии, 40 - блок неподвижного цилиндра нагнетателя воздуха или топливо-воздушной смеси, 41 - впускное окно цилиндра нагнетателя, 42 - выпускное окно цилиндра нагнетателя, 43 - патрубок соединяющий выпускное окно нагнетателя 42 и впускное окно цилиндра двигателя внутреннего сгорания 44. 44 - впускное окно цилиндра двигателя внутреннего сгорания,
45 - выпускное окно, 46 - блок цилиндра двигателя внутреннего сгорания, 47.1 - блок одной функциональной секции двигателя и генератора, включающий указанные на рисунке блоки, элементы и блок 47.2 симметричный 47.1.

Устройство и система управления свободнопоршневым электромеханическим агрегатом с функциями генератора электрической энергии или компрессора работает следующим образом. Предпочтительный вариант устройства представляет собой четырёхтактный двигатель и линейный генератор с системой управления и накопительными элементами. В этом случае имеется общий неподвижный цилиндр 1 в котором имеется свеча зажигания 2, поршень 3, свободно перемещаемый в цилиндре и установленный на шатуне 4, который движется через неподвижные направляющие и фиксирующие втулки 5 и 6, с противоположного торца шатуна по отношению к поршню устанавливается подвижная опора 7, пружина рабочего хода 8 одним концом упирается в подвижную опору 7, а другим - в неподвижную опору 9. Пружина обратного хода 10 устанавливается аналогично между подвижной опорой и неподвижной. Пружины 9 и 10, в общем виде, имеют разную жёсткость и предназначены для обеспечения различных усилий при заданных положениях шатуна. В частности, более жёсткая пружина рабочего хода обеспечивает возврат, рекуперацию энергии в цикле рабочего хода и выпуска отработавших газов, при этом часть энергии, имеющей импульсный характер при рабочем ходе с максимальной скоростью движения поршня, накапливается в виде энергии сжатия пружины, и, затем, отдаётся в виде кинетической в цикле выпуска отработавших газов. Таким образом, инвертор 26 работает в режиме генерации в этих двух циклах. На неподвижной опоре 9 устанавливается постоянный магнит рабочего хода 11, направленный полюсом к полюсу постоянного магнита опоры 12 установленного на подвижной опоре 7, при этом полюса магнитов направленные навстречу друг другу являются одноимёнными так что магниты отталкиваются. Аналогично установлен магнит обратного хода 13 на неподвижной опоре и направлен к магниту опоры, при этом наименования полюсов также одинаковы и обеспечивают отталкивающее усилие. Магниты прямого и обратного хода выполняют те же функции что и пружины, при этом при сближении магнитов усилие существенно возрастает, что применяется для дополнительного ограничения позиции движения поршней, для создания высокой скорости изменения направления вектора скорости шатуна, косвенного определения позиции шатуна по изменению магнитного поля между магнитами а также для дополнительного отбора электроэнергии при изменении магнитного потока за счёт движения этих магнитов, например, для питания собственных нужд. Основная генерация производится линейным электродвигателем и генератором, состоящим из магнитопроводов неподвижного статора 14, обмоток статора 15, подвижных постоянных магнитов 16. Количество полюсов подвижного элемента линейного электродвигателя и количество фаз выбирается исходя их оптимальных условий генерации и управления, формируемых усилием рабочего хода или сжатия, максимальной скоростью движения поршня, его инерцией, границами перемещения, напряжением и током звена постоянного тока, потерями в электромагнитной системе и инверторе, другими дополнительными параметрами. Датчик Холла 17 устанавливается близи зазора между статором и подвижной частью линейного электродвигателя, количество датчиков выбирается исходя из количества фаз. Топливовоздушная смесь подаётся через впускной патрубок 18, фаза впуска определяется впускным клапаном 19. Выпускной клапан 20 пропускает отработавшие газы в выпускной патрубок 21. Клапаны имеют электромагнитную систему привода 22, питаемую от звена постоянного тока. Блок 23-1 содержит соответствующие элементы, приведённые на фиг. 1 и отражает наличие симметричного блока 23-2, располагаемого зеркально в механической части и имеющего аналогичные элементы в электрической части. Многофазный силовой соединитель 24 подключается к преобразователю из переменного тока в постоянный 26, представляющего собой автономный инвертор напряжения, в частности, трёхфазный. Система автоматического регулирования формирует сигналы широтно-импульсной модуляции управления инвертором на основе сигналов с датчиков Холла 17, а также с датчика линейного перемещения 25, основанного на измерении индуктивности катушки с изменяемым шагом намотки, например, пружины или на измерении импеданса объёмного резонатора, образуемого цилиндрами и дополнительным задающим сверхвысокочастотным генератором. Инвертор 26 соединяется со звеном постоянного тока, представляющего собой шины аккумуляторной батареи 27, тем самым, напряжение шины является изменяемым в заданных диапазонах в зависимости от степени заряда батареи. Чтобы избежать чрезмерных токов, отсутствие потерь на внутреннем сопротивлении батареи при циклическом характере выработки и потреблении энергии в циклах двигателя внутреннего сгорания, имеется повышающий преобразователь из постоянного тока в постоянный 28, присоединённый к суперконденсатору 29. Суперконденсатор заряжается до напряжения большего чем максимальное напряжение на батареи. Из-за синхронности и одновременности работы инвертора 26 и преобразователя 28 имеется система управления, имеющая общую структуру формирования модулирующих и опорных сигналов, реализации контуров регулирования, предпочтительно реализуемая на едином цифровом блоке управления.

Изначально в цикле впуска инвертор 26 формирует напряжение на линейном двигателе 14, 15, 16, при котором шатун 4 и поршень 3 движутся с увеличением объёма в цилиндре 1, сжимая пружину 8 и магниты 11, 12, в этом цикле расходуется энергия, накопленная в суперконденсаторе 29, а также потенциальная энергия пружины 10 работающей на разжимание и магнитов 13, 12. Клапан 19 открывается и топливовоздушная смесь попадает в цилиндр. Затем, следует фаза сжатия, при этом энергия, запасённая в пружине 8 и магнитах 11, 12, расходуется на сжатие газа в цилиндре и на сжатие оппозитных пружины и магнитов соответственно. В следующей фазе рабочего хода происходит поджиг смеси свечей зажигания 2, при этом механическая энергия движения поршня преобразуется обратно в электрическую соответствующим заданием на ток инвертором 26 для линейного двигателя в режиме генератора. Так как энергия при расширении достаточно велика, происходит её частичное накопление в пружине 8 и магнитах 11, 12, помимо основного накопления в суперконденсаторе 29 через преобразователь 28 а также в аккумуляторной батарее 27 за счёт формирования разницы токов между преобразователем и инвертором. В следующем цикле выпуска отработавших газов открывается клапан 20 электрическим приводом клапана 22, и поршень совершает обратное движение в сторону уменьшения объёма цилиндра, при этом энергия, запасённая в пружине, отдаётся инвертором в суперконденсатор, затем, цикл повторяется.

В варианте устройства с функцией компрессора, представленным на фиг. 2, также происходит использование энергии, накопленной пружиной и запасённой магнитном поле. Блок 30-1 и ему симметричный 30-2, представляют собой электрический линейный двигатель, блок 31-1 и ему симметричный 31-2 представляют собой накопитель механической энергии на пружинах и формирования нелинейого усилия на постоянных магнитах аналогичные реализации блокам на фиг. 1. Блок 32-1 и ему симметричный 32-2 представляют собой механическую часть компрессора состоящую из поршня и шатуна а также из блоков 30-1 и 31-2. В ходе впуска хладагента система управления формирует управляющее воздействие на инвертор и преобразователь, производя отбор электроэнергии от суперконденсатора и частично от внешнего источника питания или аккумуляторной батареи, поршень при этом перемещается в сторону увеличения объёма цилиндра, клапан 33 открывается и газообразный хладагент поступает в цилиндр через впускной патрубок 34. Затем, в процессе сжатия, клапан 33 закрывается, от избыточного давления начинает открываться клапан 35 и сжатый хладагент поступает далее через выпускной патрубок 36. В этом случае энергия на сжатие отбирается от суперконденсатора, частично от источника питания или аккумуляторной батареи а также от энергии запасённой в сжатых пружинах и магнитом поле. Работа производится в режиме, близкому к резонансному. Частота свободных колебаний определяется инерцией поршня, шатуна, подвижного элемента линейного двигателя, опоры, магнитов и пружин и другими элементами а также жёсткостью пружин и величины силы магнитного поля.

В варианте комбинированного двигатель-компрессора, представленного на фиг. 3, имеются блоки линейного движителя 31-1, механического накопителя 32-1, блок цилиндра компрессора 38-1, блок электродвигателя-компрессора 39-1, им симметричные 31-2, 32-2, 38-2 соответственно, блок 37, представляющий собой цилиндр двигателя внутреннего сгорания, структура которого представлена на фиг. 1. по предпочтительному варианту устройства. В этом варианте поршень двигателя 3 закреплён на общем шатуне, который последовательно проходит через линейный двигатель и генератор, через накопитель механической энергии и соединён противоположным торцом с поршнем компрессора в блоке 38-1. Производится комбинированный цикл с двух- и четырёхтактным двигателем внутреннего сгорания и одновременным сжатием хладагента. Причём, если используются углеводородные смеси или чистые углеводороды, например, пропан, бутан, изобутан и др., то они могут быть использованы и как топливо и как хладагент, при этом обеспечивается заданное качество охлаждения ввиду того, что газы для топлива могут содержать избыточное количество остаточной влаги.

В варианте двухтактного свободнопоршневого двигателя, представленного на фиг. 4 имеются блоки линейного движителя 31-1, механического накопителя 32-1, блок 47-1 цилиндра внутреннего сгорания и нагнетателя, им симметричные 31-2, 32-2, 47-2, а также элементы, предназначенные для осуществления двхутактного цикла. В цикле сжатия осуществляется движение поршня 31 в цилиндр внутреннего сгорания 46, одновременно осуществляется частичное поступление механической энергии от пружинного и магнитного накопителя 32-1, при этом линейный двигатель 31-1 формирует заданное усилие на шатун. Впускное отверстие для топливо-воздушной смеси или воздуха 41 на этапе сжатия является закрытым поршнем нагнетателя 48. В начале цикла сжатия поршень находится в мёртвой точке, соответствующей максимальному объёму цилиндра сгорания и минимальному объёму цилиндра нагнетателя. В этом случае, топливовоздушная смесь под давлением через выпускное окно цилиндра нагнетателя 42 поступает через патрубок 43 ко впускному окну 44 цилиндра двигателя 46 и проникает в цилиндр, осуществляя его продувку, отработавшие газы от предыдущего цикла расширения проходят через выпускное окно 45 и удаляются через выпускной патрубок 21. При дальнейшем движении поршня производится сжатие смеси, впускное 44 и выпускное 21 окна двигателя последовательно перекрываются поршнем 3, тем самым, в цилиндре нагнетателя формируется разряжение. После сжатия смеси производится её воспламенение в цилиндре 46 свечей зажигания 2, при этом в мёртвой точке, соответствующей максимальному сжатию в цилиндре 46, производится открытие впускного окна нагнетателя 41 поршнем нагнетателя 48, ввиду того, что в этот момент в нагнетателе имеется пониженное давление производится впуск топливовоздушной смеси. В процессе расширения окно нагнетателя 41 перекрывается и цикл повторяется заново.

Применение устройства свободнопоршневого двигателя с функцией генератора или компрессора в предпочтительном варианте с четырёхктактным циклом позволяет осуществить генерацию электрической энергии, её накопление, имея большой цикл и ресурс позволяет работать автономно и в удалённых районах с минимальным обслуживанием. Также устройство имеет потенциал миниатюризации и использования в портативной и мобильной технике в качестве источника питания, при этом, применяемый свободнопоршневой двигатель может работать в многотопливном режиме и имеет небольшую восприимчивость к его качеству. Благодаря отсутствию кривошипно-шатунного механизма уменьшается система смазки, клапаны имеют электромеханический привод и могут быть расположены более произвольно с учётом оптимального сгорания и газовой динамики. Вариант реализации устройства с функцией компрессора хладагента имеется резонансный режим работы, позволяющий эффективно использовать электромеханическую часть, при этом производится накачка хладагента с большим ходом поршня и относительно малыми габаритами, что позволяет применять устройство в миниатюрных охладителях электронных узлов. Вариант реализации устройства с функцией двигателя внутреннего сгорания и компрессора позволяет производить сжигание газообразного топлива и использовать его в качестве хладагента или использовать иные виды хладагентов отдельно от горючего газа. В этом случае возможно использование устройства в портативных, мобильных холодильных установках с одновременным использованием сжиженного горючего газа в качестве топлива и хладагента. Вариант реализации двухтактного двигателя позволяет достичь больших удельных показателей на единицу объёма камеры сгорания, увеличить эффективность преобразования за счёт меньшей дополнительной электрической мощности, требуемой в цикле сжатия и выпуска отработавших газов.

Изобретение может быть использовано в свободнопоршневых двигателях внутреннего сгорания. Устройство свободнопоршневого электромеханического агрегата состоит из двигателя внутреннего сгорания с неподвижным цилиндром (1), камерой сгорания и поршнями (3) с шатунами (4). Имеется линейный электродвигатель с генерирующим и двигательным режимом работы, реверсивное устройство накопления электроэнергии и инвертор (26), подключаемый между линейным электродвигателем и реверсивным устройством накопления электроэнергии. В корпусе цилиндра симметрично камере сгорания расположены два поршня и линейный электродвигатель, также располагаемый симметрично относительно поршней. Электрическая часть реверсивного устройства накопления энергии содержит суперконденсатор (29), подключаемый к двунаправленному преобразователю (28) из постоянного тока в постоянный, объединённым на шине постоянного тока с автономным двунаправленным инвертором (26) напряжения и с аккумуляторной электрохимической батареей (27). Линейный электродвигатель содержит постоянные магниты (16), установленные на шатуне (4), выполняющем функции ротора, магнитную систему из сердечников (14) и катушек (15). Датчики Холла (17) установлены рядом с зазором между движущимся постоянным магнитом и сердечником и используются для определения положения ротора. Противоположная сторона шатуна (4) по отношению к поршню (3) соединена с механической частью реверсивного устройства накопления энергии. Имеются две пружины (8) и (10) с преимущественным сжатием и растяжением и установленные дополнительно подвижные и неподвижные постоянные накопительные магниты (11), (12) и (13), направленные одноимёнными полюсами друг к другу. Пружины (8) и (10) и изменение магнитного поля накопительных магнитов (11), (12) и (13) используются для определения положения шатуна (4) электромагнитным способом и выработки электроэнергии собственных нужд. Технический результат заключается в уменьшении габаритов. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство свободнопоршневого электромеханического агрегата, состоящего из двигателя внутреннего сгорания с неподвижным цилиндром, камерой сгорания и поршнями с шатунами, линейного электродвигателя с генерирующим и двигательным режимами работы, реверсивного устройства накопления электроэнергии, инвертора, подключаемого между линейным электродвигателем и реверсивным устройством накопления электроэнергии, причем два поршня расположены симметрично, а линейный электродвигатель расположен симметрично относительно поршней, при этом в корпусе цилиндра симметрично камере сгорания расположены два поршня и линейный электродвигатель, также располагаемый симметрично относительно поршней, отличающийся тем, что электрическая часть реверсивного устройства накопления энергии содержит суперконденсатор, подключаемый к двунаправленному преобразователю из постоянного тока в постоянный, объединённому на шине постоянного тока с автономным двунаправленным инвертором напряжения и с аккумуляторной электрохимической батареей, линейный электродвигатель содержит постоянные магниты, установленные на шатуне, выполняющим функции ротора, магнитную систему из сердечников и катушек, причем датчики Холла, установленные рядом с зазором между движущимся постоянным магнитом и сердечником, используются для определения локального положения ротора, противоположная сторона шатуна по отношению к поршню соединена с механической частью реверсивного устройства накопления энергии, имеются две пружины и с преимущественным сжатием, и с растяжением, и установленные дополнительно подвижные и неподвижные постоянные накопительные магниты, направленные одноимёнными полюсами друг к другу, причем пружины и изменение суммарного магнитного поля накопительных магнитов также используются для определения абсолютного положения шатуна электромагнитным способом и выработки электроэнергии собственных нужд.

2. Свободнопоршневой электромеханический агрегат по п. 1, отличающийся тем, что объём цилиндра используется для сжатия газовой среды, а клапаны осуществляют свободное перемещение за счёт потока газа в одном направлении без принудительного воздействия.

3. Свободнопоршневой электромеханический агрегат по п. 1, отличающийся тем, что на противоположном конце шатуна по отношению к поршню и камере сгорания, имеется цилиндр и поршень, используемые для сжатия газовой среды, при этом цилиндр имеет клапаны со свободным перемещением за счёт потока газа в одном направлении без принудительного воздействия.

4. Свободнопоршневой электромеханический агрегат по п. 1, отличающийся тем, что камера сгорания имеет два раздельных одинаковых объёма цилиндра, располагаемых симметрично, при этом на противоположных концах поршней и камеры сгорания, располагаются поршни нагнетания воздуха или топливовоздушной смеси, причём камера сгорания и нагнетающие цилиндры имеют окна впуска и выпуска, перекрываемые поршнями.