RU2176025C1 - Тепловая электрогенерирующая машина - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности к свободнопоршневым двигателям-электрогенераторам. Оно позволяет повысить эффективность энергетических модулей мощностью 40-80 кВт при использовании в качестве автономных источников электроэнергии. Тепловая электрогенерирующая машина содержит двухтактный свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания, имеющий движущуюся возвратно-поступательно ступенчатую поршневую группу из четырех поршней, жестко соединенных штоком. Два наружных поршня образуют камеры сгорания двигателя с головками цилиндров и топливными форсунками, а два внутренних - компрессорные полости в картере. В центре картерной полости размещаются также объединенные в одной конструкции электрогенератор и турбина, снабженная радиальными каналами, подающими смазку на опорные подшипники. Компрессорные поршни перегоняют воздух в картерной полости и приводят турбину в однонаправленное вращение, одновременно вращая ротор электрогенератора и выдавая электроэнергию потребителю. На поршнях компрессора размещены постоянные магниты, образующие с обмотками статора линейные электрогенераторы, и устройства запуска двигателя. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности к двигателестроению с трансмиссией в виде электропривода.

Сущность изобретения: в машине применяется двухтактный аксиальный двигатель внутреннего сгорания со свободноподвижной ступенчатой поршневой группой, соединенной штоком, образующей противолежащие камеры сгорания, оснащенные головками цилиндров, имеющими топливные форсунки, на цилиндрах размещены коллекторы выпускных окон, а под поршнями картеры, которые отделены крышками с центральным отверстием для штока и с окнами для впускных пневмоклапанов от поршневых компрессоров, подающих продувочный воздух через перепускные коллекторы и через впускные магнитные клапана головок в камеры сгорания, имеющие свечи зажигания. Поршневой компрессор обеспечивает увеличение общего объема топливной смеси и, таким образом, удельной мощности двигателя, а улучшение смазки и компрессии за счет картера.

Исключение боковых усилий на рабочие поршни способствует увеличению ресурса поршневых колец, повышает их надежность, улучшает системы смазки и за счет этого улучшаются компрессия, экологические характеристики и долговечность двигателя. Совместно с двигателем машина содержит также узел отбора мощности в виде электрогенератора, размещенного в центре на штоке и состоящего из двух перепускных камер с корпусом в виде пневмоцилиндров, выполненных как аксиальное удлинение компрессорных камер, причем электрогенератор совмещен с турбиной в одной плоскости и снабжен радиальными каналами, подающими смазку на опорные подшипники.

Перепускные камеры содержат уплотненный воздух со скачком давления в плоскости турбины, приводящий ее в однонаправленное вращение за счет зеркально-симметричного профиля сечения лопаток, а также за счет зеркальносимметричного расположения направляющих справа и слева от турбины. Направляющие жестко прикреплены к корпусу камер и к центральной втулке, через который проходит шток. Причем постоянные магниты роторного электрогенератора, выполненные на основе Nd-Fe-В, закреплены на лопатках турбины, а статор его выполнен в виде соленоидов, охватывающих якорь и закрепленных на корпусах.

Известен "Двухтактный двигатель внутреннего сгорания" /1/, содержащий цилиндр с поршнем, имеющим отверстие, в котором размещен впускной клапан, клапан для впуска топливовоздушной смеси из впускного коллектора в камеру всасывания, которая расположена под поршнем, изолирована от кривошипной камеры и сообщена с расположенной над поршнем камерой сгорания посредством перепускного коллектора, на входе которого размещен впускной клапан для подачи топливовоздушной смеси из камеры всасывания в камеру сгорания, окно выпуска отработавших газов из камеры сгорания, расположенное на стенке цилиндра, дополнительный поршень, размещенный в цилиндре между кривошипной камерой и основным поршнем и жестко связанный с основным поршнем, вторую камеру всасывания, размещенную между первой камерой всасывания и дополнительным поршнем, изолированную от первой камеры всасывания посредством перегородки и сообщенную с впускным коллектором посредством клапана, установленного в отверстии на входе во вторую камеру всасывания и обращенного входом к впускному коллектору, отличающийся тем, что вторая камера всасывания сообщена с перепускным коллектором посредством клапана, обращенного входом ко второй камере всасывания, а в перепускном коллекторе у входа в камеру сгорания установлен пневматический клапан, обращенный входом к первой и второй камерам всасывания.

К недостаткам вышеприведенного технического решения является отсутствие полноценной прямоточной продувки. Кроме того, наличие коленчатого вала и крейцкопфа в двигателе /1/ усложняет технологию его производства.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является силовой агрегат на основе двухтактного двигателя внутреннего сгорания /2/, содержащий корпус, двигатель внутреннего сгорания с выходным штоком и узел отбора мощности, при этом двигатель внутреннего сгорания выполнен по двухтактной схеме и содержит по меньшей мере один цилиндр, установленный на корпусе и снабженный клапанным устройством впрыска топлива, поршень, размещенный в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного движения, жестко связанный с выходным штоком, продувочный компрессор с компрессорным цилиндром, выполненным в виде аксиального удлинения цилиндра двигателя, и компрессорным поршнем, установленным в компрессорном цилиндре и размещенным на основании поршня двигателя, впускной воздушный канал, соединенный с компрессорным цилиндром и снабженный обратным клапаном, и продувочный воздушный канал, соединяющий компрессорный цилиндр с цилиндром двигателя, отличающийся тем, что узел отбора мощности дополнительно содержит электрическую обратимую машину с магнитом, закрепленным на выходном центральном штоке двигателя, и статорной катушкой с железным сердечником, размещенным на корпусе машины.

Недостатком силового агрегата/2/ является то, что обратная связь высокооборотных гидравлических поршневых насосов с приводными гидромоторами недостаточно однозначна, что может привести к нестабильности давления рабочей жидкости и не исключает возможности возникновения гидроударов в гидропроводах.

Цель: Целью изобретения является создание энергетического электросилового модуля с низкими массогабаритами и с высокой эффективностью и удельной мощностью, способного служить в качестве автономного источника электроэнергии мощностью от 30 кВт до 75 кВт или же в случае улучшения экологии выхлопных газов может быть использован для электропривода автомобиля с батареей аккумуляторов и электродвигателями, вращающими колеса автомобиля через планетарную передачу.

На чертеже изображена предлагаемая тепловая электрогенерирующая машина со свободнопоршневой группой и с совмещенными турбиной и электрогенератором. Двигатель машины содержит симметрично расположенную ступенчатую поршневую группу с рабочими поршнями 1, с двумя пневмопоршнями 2, корпусом из двух частей, две гильзы рабочих цилиндров 3 и гильзы цилиндров, сопряженных между собой компрессорной 4 и перепускной камерами 5. Причем компрессоры имеют на крышке 6 впускные пластинчатые пневмоклапана 7 для забора воздуха. Все поршни соединены штоком 8 и 9 через пальцы 10 или через резьбовые соединения в теле пневмопоршней 2, причем в середине шток 7 имеет круглое сечение, а в компрессоре и картере 11 - квадратное сечение 9.

Камеры сгорания 12 являются противолежащими и снабжены выпускными окнами 13, связанными коллектором, впускным клапаном прямоточной продувки 14, свечами зажигания 15, топливными форсунками 16, кроме того, впускные клапана имеют шток 17, перепускной коллектор 18 подачи воздуха из компрессора, пружину 19, пневмопоршень на штоке 20, пригнанный гильзе 21, соленоид 22, закрепленный на железной гильзе 21, и цилиндрический, также пригнанный к гильзе 21, выполненный на основе Nd-Fe-В постоянный сплошной магнит 23. Рабочая камера сгорания снабжена на боковой поверхности цилиндра и на головке цилиндра ребрами воздушного охлаждения 24. В корпус картера 11 залито смазочное масло 25, поступающее через отверстия в поршнях на поршневые кольца 26 и снимаемое ими во избежание пригорания и выделения вредных выбросов. Пневмопоршни также снабжены поршневыми кольцами 27 и окольцованы постоянными магнитами 28, служащими совместно с обмотками статора 29, якорями обратимого линейного генератора, а также вибратором запуска. Электрогенератор размещен посередине и имеет кольцевой обод из постоянных магнитов 30, установленных на лопатках 31 ротора турбины 32, имеющего опорные подшипники 33, а также центральную втулку 34, закрепленную сваркой к корпусу 5 с помощью направляющих 35, приваренных также к втулке 34. Статором служат соленоиды 36, закрепленные на корпусах перепускных камер 5. Роторные подшипники 34 также имеют смазку через радиальные каналы 37, закрепленные на направляющих 35.

Двигатель и электрогенератор работают следующим образом. Ступенчатая поршневая группа 1 и 2 совершает возвратно-поступательное движение, при котором происходит всасывание и сжатие воздуха через клапана 7 в компрессорные камеры 4. Одновременно перекачиваемый в перепускных камерах 5 воздух заставляет вращаться электрогенератор в одну и ту же сторону, несмотря на возвратно-поступательное движение воздуха, благодаря симметричному относительно плоскости вращения профилю сечения лопаток турбины 32. За счет вращения электрогенератор поз. N N 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37 начинает работать и вырабатывать индукционный электрический ток в соленоидах 36, относительно которых вращается многополюсный обод из постоянных магнитов 30.

Двухтактный аксиальный двигатель работает следующим образом. Необходимый для полного сгорания топлива воздух подается в камеру сгорания 12 через электронно-управляемый пневмоклапан 14 благодаря перепускному коллектору 18, связывающему компрессор 4 и головку цилиндра. При этом воздух попадает в камеру сгорания в момент открытия выпускных окон 13 и вытесняет отработавшие газы в выхлопной коллектор.

Сигнал для подачи топлива форсункой 16, для открытия пневмоклапана 14 и срабатывания свечи зажигания 15 синхронно вырабатывается линейными генераторами поз.28,29. После этого образовавшаяся топливовоздушная смесь (Т.В.С.) сжимается под действием противолежащей цилиндро-поршневой пары, которая совершает рабочий ход и передает свое движение благодаря штоку, поз. 8 и 9.

В момент наибольшего сжатия вблизи верхней мертвой точки, когда впускной клапан 14 закрыт, а Т.В.С. максимально сконцентрирована вблизи днища поршня и головки цилиндра, синхронно срабатывает свеча зажигания 15. Картер 11 питает смазочным маслом поршневые кольца 26. Опорные подшипники 33 питаются по радиальным каналам 37. Пневмоклапан прямоточной продувки 14 содержит соленоид 22 и магнит 23, а в выхлопных окнах установлены термодиоды, что позволяет выполнить его электронно - управляемым по известным автоэлектронным схемам. Двигатель является высокооборотным с широким диапазоном форсирования. Машина может быть использована в транспортной и энергетической отраслях промышленности, а также получить широкое применение в народном хозяйстве.

Источники информации:
1. Патент РФ N 2066379 кл. F 02 B 33/12 опубл. 13.07.94 г. "Двухтактный двигатель внутреннего сгорания" Скрипова Ю.Л..

2. Патент СССР N 1776332 кл. F 02 B 71/00 опубл. в бюл. N 42 от 1992 года "Силовой агрегат" САМПО МАТТИ (Fi) и ТОЙМИНИ КОНЕ - САМПО (Fi).

Claims (3)

1. Тепловая электрогенерирующая машина, содержащая двухтактный свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания, имеющий симметрично расположенную с возможностью возвратно-поступательного движения ступенчатую поршневую группу из четырех поршней, соединенных штоком и образующих с периферийными цилиндрами противолежащие оребренные симметричные камеры сгорания, оснащенные головками цилиндров с топливными форсунками, имеющая также коллекторы выпускных окон и размещенные под поршнями картеры, отделенные от поршневых компрессоров крышками, имеющими отверстия для штока и впускные окна с пневмоклапанами, причем компрессоры сообщены с впускными клапанами головок через перепускные коллекторы, содержащая также электрогенератор, размещенный в центре на штоке, отличающаяся тем, что содержит турбину, снабженную радиальными каналами, подающими смазку на опорные подшипники, и установленную совместно с электрогенератором, который размещен между двумя перепускными камерами, образованными двумя цилиндропоршневыми парами поршневых компрессоров и содержащими уплотненный воздух, приводящий турбину в однонаправленное вращение, причем лопатки турбины симметричны относительно плоскости вращения по профилю сечения, а направляющие справа и слева от лопаток жестко прикреплены к корпусу и втулке так, что образуют одинаковые по абсолютной величине углы наклона к плоскости вращения турбины, при этом двигатель снабжен свечами зажигания и впускными клапанами прямоточной продувки, а пневмоклапаны выполнены пластинчатыми.

2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что лопатки турбины окаймляет концентричный с ней обруч, на котором крепятся состыкованные одноименными полюсами, выполненные как сегменты круга постоянные магниты, изготовленные на основе Nd-Fe-B и служащие якорем электрогенератора, а статор его выполнен в виде соленоидов, охватывающих якорь и закрепленных на корпусах перепускных камер.

3. Машина по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что пневмопоршни, разделяющие камеры на перепускные и компрессорные, имеют охватывающие их концентрические кольцевые постоянные магниты, выполненные на основе Nd-Fe-B, служащие якорями обратимых линейных электрогенераторов.