PL175859B1 - Urządzenie do wytwarzania energii elektrycznej - Google Patents

Abstract

1. Urzadzenie do wytwarzania energii ele- ktrycznej, zaopatrzone w dwusuwowy silnik spala- nia w ew netrznego p olaczon y z ukladem elektromagnetycznym zawierajacym nieruchome uzwojenia sprzezone z co najmniej jednym ma- gnesem trwalym polaczonym integralnie z co naj- mniej jednym tlokiem silnika, usytuowanym w cylindrze polaczonym z komora wstepnego spala- nia o podstawie otwartej w kierunku cylindra tlo- kowego i zaopatrzona w uklad dozowanego wtrysku paliwa, ponadto zaopatrzone w zespól od- zyskiwania energii mechanicznej usytuowany na koncu drogi tloka podczas suwu rozprezania, zna- mienne tym, ze komora wstepnego spalania (10, 110) ma ksztalt stozka, na którego szczycie usytuo- wany jest wtryskiwacz paliwa (14, 114), przy czym trwaly magnes (3) ma ksztalt równoleglych rur o okreslonej grubosci, szerokosci oraz szczelinie po- wietrznej wzgledem nieruchomych uzwojen (2). FIG.1 PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do wytwarzania energii elektrycznej, zwłaszcza z wykorzystaniem zamiany energii mechanicznej ruchu tłoków silnika wewnętrznego spalania bez wału korbowego, na prąd elektryczny, za pośrednictwem oddziaływania zintegrowanych z tłokami ruchomych magnesów trwałych z nieruchomymi uzwojeniami, które są w czasie ruchu tłoków wystawione na okresowe działanie pola magnetycznego magnesów trwałych.

Taki rodzaj generatora nadaje się do wytwarzania prądu elektrycznego, który następnie może zostać wykorzystany bezpośrednio na przykład do oświetlania lub ogrzewania, jak również pośrednio do napędzania silników elektrycznych, które można stosować w różnych układach napędowych służących do poruszania się po lądzie, w wodzie lub w powietrzu, lub w innych zastosowaniach.

Jednakże wymaga się przy użyciu takiego generatora, aby zapewnione zostały odpowiednie parametry wytwarzanej energii oraz aby spełnione zostały warunki pracy w zakresie wytwarzanego hałasu i szkodliwości dla środowiska.

Znane przykłady wykonania tego typu urządzeń do wytwarzania energii elektrycznej posiadają znaczne ograniczenia.

Znane rozwiązanie generatora przedstawione zostało na przykład w opisie patentowym nr GB 2 219 671 A. Także ten generator wytwarza energię elektryczną wykorzystując zmienny ruch magnesów trwałych, poruszających się wraz z tłokami wewnątrz silnika spalinowego bez wału korbowego, względem nieruchomych uzwojeń. Magnesy w trakcie ruchu oscylują względem nieruchomego punktu, który leży na środkowej części poprzecznej płaszczyzny układu składającego się z uzwojeń. Dodatkowo, nieruchome uzwojenia mogą być także wykorzystane oprócz wytwarzania energii elektrycznej, która jest spożytkowana na zewnątrz generatora, do pobierania energii elektrycznej w celu ułatwienia magnesom powrotu na pozycję sprzed fazy sprężenia mieszanki wprawiającej w ruch tłok. Jednak z tego powodu wymiary urządzenia w stosunku do dostarczanej energii są znacznie większe od pożądanych.

Ogólne sterowanie urządzeniem według opisu patentowego nr GB 2 219 671 A, zarówno jeśli chodzi o część spalania wewnętrznego jak i o część elektromagnetyczną, jest wyjątkowo skomplikowane i kosztowne, ponieważ aby uzyskać dostateczne ciśnienie oraz ilość powietrza, jakość paliwa, i charakterystyczne wartości dotyczące prądu płynącego w uzwojeniach (impedancja, rezystancja, kierunek, i tym podobne) należy stosować sterowanie elektroniczne w każdym cyklu.

Regulacja ilości doprowadzanego powietrza, która na przykład w przypadku -spalania benzyny musi być w przybliżeniu kalibrowana przez stechiometryczny pomiar dla

2-suwu i 4-suwu, powinna być przeprowadzana niezależnie od powyższych wartości elektrycznych, oddziaływując na zawory odcinające dopływ benzyny i powietrza. Wielkości elektryczne z kolei powinny być nastawiane dla każdej przemiany cykl po cyklu, na skutek początkowych opisanych nastaw. Oznacza to, że należy posiadać odpowiednie możliwości obliczeniowe w celu przechowywania i interpolacji dużej ilości danych, co z kolei powoduje, że takie wyposażenie jest drogie i czułe na zakłócenia.

Napięcie oraz ilość wytwarzanej energii elektrycznej w różnych przemianach, które w dużej mierze zależą od częstotliwości wirowania magnesów, nie są tym samym automatycznie proporcjonalne do ilości energii mechanicznej wytwarzanej przez silnik spalinowy w postaci suwów pracy przy rozprężaniu mieszanki. Oznacza to, że należy stosować baterię akumulatorów o dużych pojemnościach, umieszczoną pomiędzy wewnętrzną częścią spalinową, która ją ładuje, a silnikami elektrycznymi, które są następnie zasilane z baterii akumulatorów.

Opis funkcjonalny silnika spalinowego wewnętrznego spalania, poza brakiem wału korbowego, jest w zasadzie typowy dla silników konwencjonalnych, i dlatego celem jest uzyskanie dobrej sprawności całkowitej dzięki uzyskaniu maksymalnej ilości energii uzyskanej z przemiany, dla otrzymania wysokiej temperatury i wymaganych ciśnień.

175 859

Z punktu widzenia samej energii jest to zrozumiałe, lecz z uwagi na zanieczyszczenie środowiska, w czasie pracy systemu nie można zapobiec powstawaniu związków toksycznych, takich jak podtlenek azotu i tlenek węgla, przy mieszance doskonałej, w wysokich temperaturach wewnątrz cylindra.

Podobny przykład znanego generatora składa się z silnika Jarretta, w którym sterowanie powrotem tłoka w czasie sprężania z wykorzystaniem prądu elektrycznego stwarza mniejsze problemy, lecz występują inne niedogodności, plus fakt, że aby nie zwiększać późniejszych strat które i tak są wysokie, wprowadza się do przemiany świeże powietrze z wykorzystaniem rezonansu akustycznego, co może być osiągnięte jedynie w ścisłych granicach częstotliwości cyklu. Ponadto wymagane jest przy silniku tego rodzaju, żeby był on uruchamiany elektrycznie, oraz wymagane jest stosowanie dużego współczynnika sprężania, rzędu 26:1, co oznacza, że jest on przydatny przy wykorzystaniu nafty jako paliwa i stosuje się go do pracy przy dużych prędkościach, tak aby zapewnić odpowiednie parametry chłodzenia. Poza tym występują też kłopoty z cząstkami stałymi zawartymi w gazie, i tym podobne problemy.

Urządzenie do wytwarzania energii elektrycznej według wynalazku, jest zaopatrzone w dwusuwowy silnik spalania wewnętrznego połączony z układem elektromagnetycznym zawierającym nieruchome uzwojenia sprzężone z co najmniej jednym magnesem trwałym połączonym integralnie z co najmniej jednym tłokiem silnika, usytuowanym w cylindrze połączonym z komorą wstępnego spalania o podstawie otwartej w kierunku cylindra tłokowego i zaopatrzoną w układ dozowanego wtrysku paliwa. Ponadto jest ono zaopatrzone w zespół odzyskiwania energii mechanicznej usytuowany na końcu drogi tłoka podczas suwu rozprężania. Urządzenie tego rodzaju charakteryzuje się tym, że komora wstępnego spalania ma kształt stożka, na którego szczycie usytuowany jest wtryskiwacz paliwa, przy czym trwały magnes ma kształt równoległych rur o określonej grubości, szerokości oraz szczelinie powietrznej względem nieruchomych uzwojeń.

Korzystnym jest, że do zacisków wyjściowych nieruchomych uzwojeń dołączone jest obciążenie rezystancyjne o stałej wartości.

W korzystnym rozwiązaniu komora wstępnego spalania ma kształt stożka ściętego, a jej mniejsza zamknięta podstawa jest połączona z cylindrem poprzez co najmniej jeden kanał. Na osi zamkniętej podstawy komory wstępnego spalania jest usytuowany jeden wtryskiwacz paliwa i dodatkowo drugi wtryskiwacz paliwa jest usytuowany prostopadle do osi komory wstępnego spalania.

Korzystnym jest, że w cylindrze jest usytuowana para tłoków zwróconych do siebie czołem do czoła tłoka. Parę tłoków stanowią korzystnie dwa tłoki zintegrowane za pomocą elementów łączących, przy czym tłoki pary tłoków są przesuwne w tym samym kierunku. Para tłoków usytuowanych naprzeciw siebie ma korzystnie wspólną komorę wstępnego spalania, której oś podłużna jest prostopadła do osi przechodzącej przez parę tłoków.

Korzystnym jest, że para tłoków usytuowanych naprzeciw siebie ma dwie komory wstępnego spalania rozmieszczone przeciwległe na średnicy cylindra. Na osi przechodzącej przez parę tłoków usytuowany jest element regulacji położenia zespołu odzyskiwania energii mechanicznej wzdłuż tej osi. Zespół odzyskiwania energii mechanicznej połączony z obudową cyllndra jest połączony z masą ewentualnie z elementem obudowy generatora za pomocą uchwytów o określonej sprężystości w kierunku ruchu tłoków.

Ponadto korzystnym jest, że komora wstępnego spalania jest połączona z dodatkowym cyllndrem, w którym jest umieszczony dodatkowy tłok połączony integralnie z tłokami silnika spalania wewnętrznego, przy czym dodatkowy cyllnder jest zaopatrzony w jednokierunkowy zawór zasysania powietrza w fazie sprężania, a komora wstępnego spalania jest zaopatrzona w drugi jednokierunkowy zawór do wprowadzania powietrza w fazie rozprężania, dla przedmuchiwania powietrzem cylindrów.

W urządzeniu według wynalazku energia elektryczna jest wytwarzana zarówno gdy magnesy wchodzą do uzwojeń oraz gdy wracają w przeciwnym kierunku. Rozruch oraz

175 859 regulacja urządzenia dokonywane są tylko dzięki regulacji ilości dopływającego paliwa przypadającego na jeden cykl.

Aby równocześnie rozwiązać problemy związane z zanieczyszczeniem środowiska, skomplikowaną konstrukcją, potrzebą stosowania pośredniczących baterii akumulatorów, słabą sterowalnością i niską sprawnością, opracowano urządzenie do wytwarzania energii elektrycznej, w którym część elektromagnetyczna i część silnika spalania wewnętrznego tworzą razem funkcjonalną jednostkę, w pełni zintegrowaną, tak że ruch przy różnych suwach tłoka zapewnia wytwarzanie energii mechanicznej wewnątrz silnika odpowiadającej energii gromadzonej w części elektromagnetycznej, wytwarzającej prąd elektryczny dla dowolnego suwu zgodnie z zasadą termodynamiki, sprężania gazów i elektromagnetyzmu.

Bazując na tej koncepcji, przy wykorzystaniu co najmniej jednej dodatkowej komory wstępnego spalania, oprócz stosowania cylindrów, opracowano bardzo prostą konstrukcję, która sterowana jest elektronicznie, głównie dzięki kontrolowaniu ilości dostarczanego paliwa w trakcie jednego cyklu oraz dzięki kontrolowaniu końcowego położenia tłoka lub tłoków w końcowej fazie sprężania. Wszystko to zostało dokonane przy bardzo niskiej temperaturze maksymalnej, średniej oraz minimalnej zastosowanej w przemianach termodynamicznych, o wartości około połowę mniejszej od tych stosowanych zwykle w silniku spalinowym wewnętrznego spalania. Dzięki temu osiągnięto prawie zerowy poziom zanieczyszczenia i bardzo dużą sprawność całkowitą w części wewnętrznego spalania dla wszystkich prędkości pracy.

Opracowane rozwiązanie według wynalazku w zasadzie dotyczy samoczynnego generatora energii elektrycznej, w którym wytwarzanie energii odbywa się dzięki sprzężeniu pomiędzy układem elektromagnetycznym zawierającym nieruchome uzwojenia sprzężone z co najmniej jednym magnesem trwałym, który jest ruchomy zmiennym ruchem, integralnie z co najmniej jednym tłokiem dwusuwowego silnika wewnętrznego spalania, tak że może pracować przy występowaniu różnych suwów sprężania, przy czym każdy tłok kończy jeden suw sprężania odpowiednio w wyniku spalania mieszanki i rozprężania cylindra oraz w wyniku działania układu odzyskiwania energii mechanicznej.

Przedmiot wynalazku objaśniony jest szczegółowo w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia konstrukcję urządzenia do wytwarzania energii elektrycznej z dwusuwowym silnikiem jednocylindrowym, w przekroju podłużnym, fig. 2 przykład urządzenia z dwoma tłokami usytuowanymi naprzeciw siebie i z pojedynczą wspólną komorą spalania, w przekroju podłużnym, fig. 3 - schemat blokowy urządzenia z silnikiem z czterema tłokami zgrupowanymi w pary będące integralnymi częściami dwóch komór spalania, fig. 4 - schemat konstrukcji ilustrujący rozmieszczenie magnesów i nieruchomych uzwojeń, w przekroju podłużnym, fig. 5 - wykres współczynnika spalania benzyny w funkcji stosunku ciężarowego mieszaniny powietrze/benzyna, fig. 6 - przykład konstrukcji urządzenia z pojedynczym cylindrem wyposażonym w dodatkowe tłoki do przedmuchiwania komory, fig. 7 - wykres całkowitej sprawności silnika spalinowego wewnętrznego spalania według wynalazku, fig. 8 - wykres specyficznego zużycia paliwa, a fig. 9 przedstawia przykład komory wstępnego spalania w kształcie ściętego stożka, z dwoma wtryskiwaczami.

Na fig. 1 przedstawiono urządzenie do wytwarzania energii elektrycznej, stanowiące generator 1, przy czym magnesy 3 oraz nieruchome uzwojenia 2 są umieszczone tak, że następuje zmniejszenie sprzężenia elektromagnetycznego podczas suwu rozprężania tłoka 4 oraz zwiększenie podczas suwu sprężania tłoka 4. Można wykorzystać również inne rozwiązania konstrukcyjne, w których części mechaniczne umieszczone są w taki sposób, że powodują wzrost sprzężenia elektromagnetycznego występującego pomiędzy magnesami 3 oraz uzwojeniami 2 podczas suwu rozprężania i odwrotnie.

Generator 1 jest zaopatrzony w cyllnder 5, w którym tłok 4 (fig. 1) porusza się z dwoma identycznymi układami magnesów 3 rozmieszczonymi symetrycznie po obu stronach osi cylindra, połączonymi integralnie z tym cyhndrem 5 za pomocą rozgałęzień widłowych 4'. Magnesy 3 biorą udział w przemianach suwu sprężania i rozprężania wykonywanych przez tłok 4, przy czym udział ten zmienia się w stopniu zależnym od długości

175 859 suwu w obrębie układu dwóch nieruchomych uzwojeń 2, które są identyczne i które są rozmieszczone symetrycznie.

Podczas trwania suwu sprężania, sprzężenie elektromagnetyczne pomiędzy magnesami 3 i skojarzonymi z nimi uzwojeniami 2 wzrasta, a w czasie trwania suwu rozprężania maleje.

Ruch tłoka 4 w jednym kierunku powodowany jest przez rozprężanie sprężonego gazu, co wiąże się z efektem spalania paliwa, a w drugą stronę dzięki działaniu układu przystosowanego do zwrotu energii mechanicznej, na przykład z zastosowaniem co najmniej jednej sprężyny skrętnej, lub przy użyciu innego systemu, w skład którego wchodzą układy elektromagnetyczne o znanych konstrukcjach wykorzystujące energię elektryczną do zwrotu energii mechanicznej do tłoka. Znane rozwiązania tego rodzaju są stosowane w różnych rodzajach znanych generatorów, nawet w przypadku, gdy takie systemy są bardziej złożone i droższe.

Paliwo jest dostarczane przez wtryskiwacz paliwa 14 oraz rozpylane jest tak, że znajduje się w stanie nasycenia bliskim stechiometrycznemu, powodując że przynajmniej część powietrza zawartego w komorze wstępnego spalania 10 przyjmuje kształt stożka z podstawą 10', która otwiera się w kierunku cylindra 5.

Zespół tłoka 4 i magnesu 3 wsparty jest na dwóch tocznych (ślizgowych) 15,16, które są umocowane do korpusu cylindra 5, i które umożliwiają tłokom wykonywanie opisanych suwów, przy minimalnych stratach mechanicznych.

Na podstawie fig. 1, na której przedstawiony jest generator 1 z silnikiem dwusuwowym w pozycji nieaktywnej, opisane zostanie obecnie jego działanie. Aby dokonać rozruchu, wszystko co należy wykonać sprowadza się do wtryśnięcia w określonym momencie odpowiedniej ilości paliwa do komory wstępnego spalania 10 i do cyllndra 5, ale tylko dla cyklu rozruchowego, oraz do wytworzenia iskry pomiędzy elektrodami 13 umocowanymi blisko podstawy 10' stożka tworzącego komorę wstępnego spalania 10.

Wybuch mieszanki paliwowo-powietrznej wypycha zespół tłoka 4 i magnesu 3 w kierunku zespołu odzyskiwania energii mechanicznej 7, 18 korzystnie zaopatrzonego w sprężyny powodując ich naprężenie. Następnie zespół odzyskiwania energii 7,18 rozpręża się, zwracając tę samą ilość energii kinetycznej którą zgromadził, w ten sposób, że tłok 4 kończy dany suw po sprężeniu.

Zasięg suwu sprężania zależy od wartości energii kinetycznej, jaką uzyskał tłok 4 w następstwie inicjującego wybuchu, od której odejmuje się ilość energii, która jest przetransformowana na energię elektryczną w uzwojeniach 2 podczas suwu w obu kierunkach oraz różne straty energii.

Pozostała wypadkowa energia kinetyczna tłoka 4 zostaje wówczas przekształcona na pracę suwu sprężania o określonej długości.

Pod koniec procesu sprężania, gęstość, a również i objętość powietrza zgromadzonego wewnątrz komory wstępnego spalania 10, wzrasta do wartości odpowiadającej wielkości otrzymanego sprężenia, a ilość paliwa równa lub trochę przekraczająca ilość właściwą ilości stechiometrycznej, zostaje wtryś;ni^'ta za pomocą wtryskiwacza paliwa 14. Następnie paliwo to zostaje zapalone za pomocą elektrod 13. Konstrukcja układu elektromagnetycznego zapewnia, że dla danego suwu sprężania i dla przyporządkowanej mu krzywej prędkości tłoka, która zwiększa się wraz ze sprężaniem, energia mechaniczna zaabsorbowana przez układ elektromagnetyczny dla wytworzenia energii elektrycznej podczas postępującego i zwrotnego suwu tłoka 4 jest dokładnie równa energii wytworzonej w trakcie cyklu sprężania (energia wyjściowa), przy czym tłok 4 kończy suw rozprężania oraz powrotny suw sprężania i zatrzymuje się dokładnie w tym samym miejscu jak uprzednio, a stopień sprężenia nie ulega zmianie.

Dzięki wtryskiwaniu samej ilości paliwa w każdym cyklu, utrzymuje się pracę generatora w warunkach stanu ustalonego.

Aby zwiększyć ilość wytwarzanej energii elektrycznej w cyklu, należy tylko zwiększyć ilość paliwa wtryskiwanego do komory wstępnego spalania 10 o określoną wielkość.

175 859

Wzrost wytworzonej energii ze spalania w porównaniu do ostatniego cyklu w stanie ustalonym dzielony jest pomiędzy wzrost ilości wytworzonej energii elektrycznej oraz wzrost stopnia sprężania, który stanowi o nowej wartości, zależnej jedynie od nowego położenia tłoka 4 znajdującego się w końcowej fazie sprężania, a ilość paliwa odpowiednio większa w stosunku do zwiększonej objętości powietrza, zgromadzonego w komorze wstępnego spalania 10 powinna zostać wtryśnięta w celu ustanowienia nowej wartości ustalonej. Oznacza to, że dla nowego suwu sprężania i dla krzywej prędkości względnej tłoka 4, energia absorbowana przez układ elektromagnetyczny, to znaczy ilość energii elektrycznej wytworzonej w cyklu podzielona przez sprawność elektromagnetyczną, jest dokładnie taka sama jak nowa wartość energii dostarczona w wyniku dokonywania spalania w nowych warunkach. To samo odnosi się do zmniejszenia i ograniczenia zasięgu suwu tłoka, przy czym w tym przypadku ilość paliwa przypadająca na cykl powinna zostać ograniczona, a nie zwiększona.

Korzystnym jest zwiększenie nasycenia powietrza w komorze wstępnego spalania 10, w warunkach pracy w stanie ustalonym o około 20% w porównaniu do wartości ściśle stechiometrycznej, co oznacza że stosunek wagowy powietrze/paliwo wynosi około 12.2.

W tych warunkach można uzyskać szybkie przyspieszenie i spowolnienie ruchu tłoka 4, za pomocą zwiększenia lub zmniejszenia ilości dopływającego paliwa, jak już wyjaśniono, do 14% w porównaniu z poprzedzającym cyklem, utrzymując ten stan mieszanki wewnątrz komory wstępnego spalania 10 przez cały czas dla zapewnienia szybkości spalania, która jest możliwie najbliższa wartości optymalnej, jak przedstawiono na fig. 5, ze względną korzyścią dla konfiguracji przemiany i jej sprawności termodynamicznej. Jeżeli stosuje się bogate mieszanki w komorze wstępnego spalania 10 gdy prędkość ulega zmianie, to zgodnie z wynalazkiem, wpływ na generator będzie zmniejszony z uwagi na wystąpienie zanieczyszczeń. Spalanie rzeczywiście powoduje wtedy natychmiastowe, bardzo gwałtowane rozprężenie ze względnym ograniczeniem temperatury mieszanki, która poza tym miesza się ze znaczną ilością powietrza zgromadzonego w cylindrze 5, który ma .relatywnie niską temperaturę w każdych warunkach pracy. Przykładowo, w eksperymentalnym prototypie o maksymalnym stopniu sprężania ρ=8.5, dla sprężania w stanie ustalonym, maksymalna temperatura cyklu przemiany wynosi około 756°C (1029K) a temperatura wylotowa około 164°C (437K) przy (λν)=10.

Określanie zerowej emisji toksycznych substancji w wyniku spalania (NO_X, CO) zachodzącego w tych warunkach, jest znane.

Opisane procesy spalania, przeprowadzane z zastosowaniem komór wstępnego spalania 10 umożliwiają też uzyskanie zmienności energii w cyklu, przy zachowaniu takiego samego suwu sprężania, lub odwrotnie, bez żadnych dodatkowych regulacji i, jak stwierdzono, bez negatywnych skutków, pod warunkiem, że przyłączony do generatora użytkownik nie korzysta ze stałego obciążenia o charakterze rezystancyjnym, w którym to przypadku regulacja procesu jest ograniczona do uprzednio opisanej, a obciążenie może się zmieniać w zależności od określonych właściwych zasad, takich jak na przykład zjawisko nasycenia magnetycznego lub zjawiska zachodzące w silnikach elektrycznych. W tym przypadku stosuje się taką samą procedurę lub utrzymuje się ilość paliwa w cyklu dla zmiennych parametrów sprężania, dla uzyskania takiego samego suwu, lub odwrotnie, dla dopasowania do zmian obciążenia w chwilach, gdy na przykład chwilowy moment obciążenia różni się od momentu napędowego i w konsekwencji następuje zmiana obciążenia, co wpływa na ilość energii jaka jest wytwarzana przez generator w jednym cyklu.

Definiowanie i określanie krzywych różnych charakterystyk pracy leży w gestii specjalistów, jak również określanie wymiarów zewnętrznych silnika oraz części generatora i rodzaj sterowania w zależności od charakteru obciążenia oraz zmniejszanie czy zwiększanie zawartości procentowej paliwa przypadającego na jeden cykl w różnych warunkach pracy. Przy uwzględnieniu zalet urządzenia według wynalazku, w zakresie wykorzystania, ze wzrostem suwu sprężania napięcie użyteczne na końcach uzwojeń wzrasta według podobnej krzywej, o wartości większej niż poprzednia. Odnosi się to również do ilości energii

175 859 przypadającej na cykl w najprostszym przypadku, w którym obciążenie jest czysto rezystancyjne.

Jednofazowy prąd wytwarzany w generatorze może być prostowany przy użyciu diod lub modulowany w inny sposób przy użyciu przekształtnika, w zależności od wymagań użytkownika, umożliwiając zasilanie bezpośrednie silników elektrycznych, bez potrzeby stosowania pośredniczących obwodów z bateriami akumulatorów.

Dla regulacji pracy silnika wewnętrznego spalania według wynalazku, należy jedynie rejestrować położenia końcowe tłoka 4 podczas suwu sprężania i przesyłać te dane do elektronicznej jednostki centralnej, której na rysunku nie przedstawiono, a która steruje ilością podawanego paliwa w cyklu, poprzez dysze wtryskiwacza paliwa 14, zależnie od zarejestrowanego położenia tłoka 4 osiągniętego w poprzednim cyklu i/lub od obciążenia, dokonując jego zwiększenia lub zmniejszenia zależnie od potrzeb, dzięki zwiększeniu lub ograniczeniu wartości sygnału zadającego, na przykład poprzez zmianę położenia kątowego łub liniowego pedału przyspieszenia lub innego czynnika spełniającego podobną funkcję.

W badaniach stwierdzono, że silnik o mocy około 35 koni mechanicznych o konstrukcji z parametrami jak wspomniano, i o zmiennej ilości paliwa przypadającej na jeden cykl, równej wspomnianej wartości 14%, osiąga moc wyjściową równą maksymalnej w czasie krótszym niż 2 sekundy.

Jeżeli dopływ paliwa jest całkowicie odcięty, tłoki zatrzymują się po przejściowym bardzo krótkim suwie bezwładnościowym w położeniu, w którym siła oporu sprężania gazu zawartego w cylindrze 5 jest równa co do wartości bezwzględnej, lecz o przeciwnym znaku, sile przyciągania pomiędzy ruchomymi magnesami 3 i innymi elementami magnetycznymi, lub ferromagnetycznymi, połączonymi z układem nieruchomych uzwojeń 2.

Ostatnio wspomniane elementy nie zostały szczegółowo przedstawione na rysunku, jako że mogą przyjmować różnorodny kształt i charakterystykę zależnie od potrzeb, przy czym w znany sposób można określić ich wymiary i zależności między nimi.

Korzystnie, aby zapewnić poprawną pracę generatora, stosunek pomiędzy ilością energii mechanicznej włożonej do generatora (równą uzyskanej energii elektrycznej podzielonej przez odpowiednie współczynniki elektromagnetyczne) dla pracy przy dwóch różnych suwach sprężania w silniku wewnętrznego spalania, powinien być taki sam i odpowiadający stosunkowi pomiędzy odpowiadającymi sobie stopniami sprężeń pomnożonymi przez stosunek tych dwóch wartości na wyjściu silnika w powiązaniu z tymi stopniami sprężeń.

Rozpatrzony zostanie obecnie przykład liczbowy. Zakłada się, że dla dwóch różnych suwów tłoka 4, a zatem i związanych z nim magnesów 3, otrzymuje się dwie wartości stosunku sprężenia, które wynoszą 8,5 (:1) oraz 3,6 (:1), i że całkowita sprawność silnika spalinowego wewnętrznego spalania przy tych stopniach sprężenia wynosi odpowiednio 0,46 i 0,30.

Aby osiągnąć założone cele, magnesy 3 i uzwojenia 2 muszą zostać zwymarowane także przy uwzględnieniu charakteru obciążenia, wielkości elektrycznych które mogą podlegać sterowaniu, w taki sposób, że stosunek pomiędzy ilością energii zużytej w elektromagnetycznej części generatora w dwóch różnych cyklach, to jest podczas suwu sprężania i suwu rozprężania tłoka odpowiadających wspomnianym stosunkom, wynosi (8,5/3,6)*(0,46/0,30) = 3,6.

Tak więc energia mechaniczna zużyta przez magnesy w jednym cyklu, odpowiadającemu stopniowi sprężania równemu 8,5 powinna być 3,5 raza większa niż energia zużyta w cyklu odpowiadającemu stopniowi sprężania 3,6.

Oznacza to, że dwie różne ilości paliwa, które można zmieszać w przybliżeniu stechiometrycznie z dwoma różnymi ilościami wagowymi powietrza zawartego w komorze wstępnego spalania 10, w stosunku do wspomnianych stopni sprężania, dostarczą dokładnie pożądaną ilość energii, aby poruszyć magnesy 3 przy generowaniu energii elektrycznej.

Jeżeli obciążenie dołączone do nieruchomych uzwojeń 2 generatora 1 jest typu czysto rezystancyjnego, można to również osiągnąć dzięki dobraniu magnesów oraz uzwo175 859 jeń, tak że fakt ten nastąpi automatycznie dla każdego suwu sprężania. W przeciwnym razie, ilość paliwa przypadająca na cykl i/lub wielkości elektryczne odnoszące się do obciążenia mogą być zmienne.

Sprawność wewnętrzna rzeczywistej części funkcjonalnej generatora określa ilość energii elektrycznej aktualnie wytwarzanej przy różnych suwach sprężania silnika spalinowego wewnętrznego spalania.

Powyższe cechy osiąga się na przykład dzięki zwiększeniu zwojów nieruchomych uzwojeń 2 zarówno liniowo jak i według innych krzywych w kierunku wchodzenia magnesów 3 do środka, jak przedstawiono na fig. 4, dzięki odpowiedniemu zaprojektowaniu kształtu magnesów 3 i/lub zmianie parametrów elektrycznych odnoszących się do obciążenia.

Możliwe są również inne układy wykorzystujące kilka magnesów usytuowanych równolegle i nieruchome uzwojenia jak przedstawiono na fig. 4. W układach tego rodzaju energia elektryczna generowana w jednym cyklu podczas względnego ruchu magnesów i uzwojeń przy różnych suwach, co określa całka /Vidt w czasie jednego cyklu, odzwierciedla krzywą, która może zostać wyprostowana poprzez umożliwienie jej dopasowania się do krzywej generowanej energii w jednym cyklu silnika spalinowego dzięki zmianie na przykład grubości magnesów, ich szerokości lub wielkości szczeliny powietrznej T (fig. 4) zgodnie z kierunkiem ruchu. Te zmiany nie muszą być koniecznie wprowadzone. Korzystnym jest, gdy magnesy mają kształt równoległych rur, przy czym zmienia się część objętości powietrza mieszanego w komorze wstępnego spalania i/lub ilość paliwa, przy czym ilość wygenerowanej energii w silniku przy różnej prędkości jest taka sama, jak zużywana przez generator dla wytworzenia energii elektrycznej.

Sytuacja taka występuje w przypadku obciążenia o charakterze wyłącznie rezystancyjnym o stałej wartości (fig. 4).

Rodzaj spalania uzyskiwany w jednej komorze wstępnego spalania 10, lub też w dwóch komorach wstępnego spalania 110, umieszczonych diametralnie naprzeciw siebie, jak przedstawiono na fig. 9, jest bardziej podobne do tego, które otrzymuje się w komorze spalania niż w konwencjonalnym silniku wewnętrznego spalania. Takie rozwiązanie zapewnia bardzo niską temperaturę wewnątrz cylindra, która razem z dużą ilością tlenu dla dokończenia spalania, zwykle decyduje o braku toksycznych związków takich jak CO, HC i NOx.

Komory wstępnego spalania 10 prezentowane na fig. 1 i fig. 2 mają kształt stożków i wyposażone są w jeden wtryskiwacz paliwa 14 zamocowany na szczycie, ale korzystne jest również zastosowanie komór wstępnego spalania o innym kształcie, zwłaszcza o kształcie ściętego stożka z dodatkowym drugim wtryskiwaczem paliwa 111 zamocowanym prostopadle do osi komory wstępnego spalania 110, jak przedstawiono na fig. 9. Jeżeli cylinder 9 połączony jest za pomocą przewodów 112 z zamkniętą podstawą 113 komory wstępnego spalania 110 ustawioną naprzeciw cyllndra 9, to możliwe jest nasycenie, do odpowiedniego poziomu, części całkowitej objętości powietrza, zawartego w komorze wstępnego spalania 110.

Wtryskiwacz paliwa 14 zamocowany do mniejszej zamkniętej podstawy 113 komory wstępnego spalania 110 w kształcie stożka ściętego może zostać wykorzystany tylko do zapoczątkowania cyklu. Dzięki rozwiązaniu tego rodzaju i dzięki ukształtowaniu komory wstępnego spalania, możliwe staje się całkowite wyeliminowanie resztek HC w następstwie uzyskania bardzo dużych turbulencji, powstałych w wyniku zderzeń dwóch mas mieszanki podczas ich sprężania oraz spalania. Możliwe są też inne rozwiązania, z co najmniej jednym wtryskiwaczem.

Opisany proces uwzględniał przypadki, w których silnik spalinowy wewnętrznego spalania był napędzany paliwem o niskiej temperaturze zapłonu, takim jak benzyna, alkohole lub paliwa gazowe, lecz możliwe jest też wykorzystanie ropy. W takim przypadku należy wykorzystać dwa wtryskiwacze paliwa 111 i 114 w jednej komorze wstępnego spalania 110, jak pokazano na fig. 9. Jedna dysza wtryskuje na przykład benzynę, w ściśle określonym czasie, jedynie w celu chwilowego uruchomienia silnika dopóki nie zostanie osiągnięty odpowiedni stopień sprężenia do samozapłonu ropy, która jest wtryskiwana

175 859 przez drugi wtryskiwacz. Takie rozwiązanie poleca się w przypadku statycznych generatorów o dużej mocy, w których najważniejsze jest uzyskanie maksymalnej mocy wyjściowej, z uwzględnieniem problemu emisji spalin, którą można częściowo ograniczyć, dzięki przetworzeniu spalin.

Przy takim sposobie pracy możliwe jest uzyskanie niskich temperatur w porównaniu do podobnych silników konwencjonalnych.

Jak wspomniano, zespół tłoka 4 i magnesu 3 jest korzystnie podparty, na przykład za pomocą przynajmniej dwóch tulejek tocznych, które ślizgają się wzdłuż prowadnic kołkowych (fig. 1) lub elementów tego typu, dla zminimalizowania tarcia. W tym przypadku nie ma potrzeby smarowania żadnych części ruchomych, mając na uwadze pracę w niskich temperaturach. Nie jest również wymagany układ chłodzenia, natomiast korzystnym jest odizolowanie cieplne silnika, tak aby spełniony został warunek dla przemiany adiabatycznej.

Ponieważ silnik spalinowy wewnętrznego spalania jest silnikiem dwusuwowym, jak opisano, to powietrze wewnątrz silnika należy wymieniać oraz należy przedmuchiwać cylinder lub cylindry. Jednym z korzystnych rozwiązań według wynalazku jest generator zaopatrzony w dodatkowy tłok 19, jak przedstawiono na fig. 6. Dodatkowy tłok 19 podczas ruchu jest całkowicie zintegrowany z tłokiem 4 silnika, a który podczas suwu sprężania tłoka 4, zasysa powietrze do dodatkowego cyllndra 20, który z kolei utrzymuje to powietrze za pomocą jednokierunkowego zaworu 21, a podczas fazy rozprężania tłoka 4 powietrze jest sprężane przez ten tłok do momentu, kiedy drugi jednokierunkowy zawór 22 umożliwi przepływ powietrza do komory wstępnego spalania 10 oraz cylmdra 5, w następstwie spadku ciśnienia powstałego chwilowo wewnątrz cylmdra 5 silnika.

W układzie takim, bez kłopotu można uzyskać sprawność osiągającą wartość 0,90, i co ważniejsze, jest ona stała dla różnych suwów sprężania, zatem i dla każdej ilości paliwa przypadającego na cykl.

Ten sam rezultat można uzyskać z wykorzystaniem drugiego dodatkowego tłoka 19', jak przedstawiono na fig. 9, który jest zintegrowany z tłokiem 6 i wykorzystuje część cyllndra 9 silnika jako drugi dodatkowy cyllnder 20' według znanych rozwiązań dotyczących silników 2-suwowych o przedmuchiwaniu wewnętrznym.

Rozwiązanie tego rodzaju, z tłokami pracującymi naprzemiennie, jest przedstawione na fig. 9.

Suw rozprężania tłoka 4, 6 silnika odpowiada jedynie długości cylindra 5, 9, podczas gdy suw sprężania każdego z dodatkowych tłoków 19, 19' jest równy sumie tej długości oraz długości suwu sprężenia sprężyn, poprzez ich oddziaływanie, w których średnica dodatkowego tłoka 19,19' jest większa, tej samej wielkości, lub mniejsza od średnicy tłoka 4, 6 silnika, zależnie czy wymagane jest przedmuchiwanie całości, lub tylko części gazów spalania w danym zakresie prędkości. Dla przykładu, w rozwiązaniu prototypowym z dodatkowym tłokiem 19, jak przedstawiono na fig. 6, z tłokiem o średnicy równej średnicy tłoka 4, następuje całkowite przedmuchiwanie dopóki nie nastąpi suw sprężania odpowiadający stopniowi sprężenia równemu 3,5 : 1, a częściowe przedmuchiwanie uzyskuje się dla 50% objętości cylindra przy stopniu sprężania równemu wartości minimalnej 1,6 : 1. Częściowe wykorzystanie gazów spalania przy niższych stopniach sprężeń służy do zwiększenia zawartości przy obniżeniu tych ostatnich dla utrzymania temperatury, a również dzięki temu i czasu trwania spalania dostatecznie długiego, zapobiegającego powstaniu HC w spalinach podczas niskich wartości sprężeń w stanie przejściowym rozruchu generatora 1.

Dla uzyskania pracy w warunkach optymalnych, stosowany jest czujnik temperatury cylmdra i sonda mierząca ciśnienie, z których jeden czujnik służy do sterowania niewielką zmianą ilości dostarczanego paliwa kiedy silnik jest zimny (podczas rozruchu), a drugi, zależnie od położenia tłoka w końcowej fazie suwu sprężania, służy do zmiany ilości paliwa wtryskiwanego za pomocą pompy dla osiągnięcia odpowiedniej wydajności kalibrowanej dla wszystkich warunków pracy. Układy tego rodzaju jako znane nie zostały przedstawione na rysunku.

175 859

Dla dalszego uproszczenia konstrukcji urządzenia według wynalazku, stanowiącego korzystnie samoczynny generator i wyeliminowania pewnych reakcji i/lub wibracji zachodzących w tym samym czasie, korzystne jest stosowanie co najmniej jednej pary tłoków 6, 6' pracujących jednocześnie, najlepiej ze wspólną pojedynczą komorą zapłonową w cylindrze 9, jak przedstawiono na fig. 2. W tym przypadku możliwe jest stosowanie tylko jednej komory wstępnego spalania 10, lub dwóch komór wstępnego spalania 111 przeciwległych względem siebie, jak pokazano na fig. 9, umieszczonych centralnie i o osiach podłużnych h prostopadłych do osi k tłoków 6, 6'. W celu zapewnienia synchronizacji pomiędzy kilkoma parami tłoków podczas ich pracy, zastosowano zintegrowane tłoki 6, 6' za pomocą elementów łączących 8, 8', jak przedstawiono na fig. 3, co zapewnia pracę tłoków w tym samym kierunku w danej chwili cyklu.

Jeżeli stosuje się zespół odzyskiwania energii mechanicznej 7, 18, korzystnie zawierający sprężyny, którego położenie jest zmienne względem kierunku osi k ruchomych tłoków związanych z tą osią, to uzyskuje się zmienną ilość energii elektrycznej generowanej w jednym cyklu bez zmiany wymaganej częstotliwości, lub uzyskuje się zmienną częstotliwość wykorzystując ten sam cykl, dla zachowania optymalnej sprawności, dzięki zmianie długości suwu tłoków, a także zmianie czasu jaki jest do tego wymagany. Zastosowanie stałego monitoringu prędkości i synchronizacji tłoków oznacza też, że przy mikronowych różnicach w położeniu suwu tłoka, można utrzymywać go na wartości stałej i w pozycji pełnej synchronizacji. Aby to zrealizować, wystarczy wyregulować położenie sprężyn skojarzonych z połową liczby tłoków, których położenie podlega regulacji, to znaczy tych tłoków, które są połączone integralnie za pomocą elementów łączących 8, 8' widocznych na fig. 3.

Dla realizacji tych parametrów zastosowano regulację położenia zespołu odzyskiwania energii mechanicznej 7, 18, za pomocą dołączonego do niego elementu regulacji 17, którym jest korzystnie silnik krokowy prądu stałego, dołączony za pomocą śrub i gwintów wewnętrznych, działający jako liniowy układ powtarzający.

Dla ograniczenia wibracji wynikających z chwilowego zaniku synchronizacji pomiędzy dwoma równoległymi tłokami połączono mechaniczne części generatora, które działają jako wspornik i spełniają rolę elementu naprowadzającego zespół odzyskiwania energii mechanicznej 7 18. Jak przedstawiono na fig. 2 rysunku, do elementów tych należy obudowa 11, która stanowi osłonę dla cylindrów 5 oraz 5' względem ziemi lub układu podtrzymującego generator za pośrednictwem uchwytów 12, w sposób umożliwiający ograniczoną swobodę ruchu w kierunku zgodnym z ruchem tłoków 6 i 6', tak że nie występują luzy na uchwytach 12, gdy tłoki są zsynchronizowane, jako że siły działające w dwóch odwrotnych kierunkach na zespół odzyskiwania energii mechanicznej 7, 18 połączony z dwoma tłokami umieszczonymi naprzeciw siebie, są sobie równe w każdej chwili czasu. Jednakże, jeśli jeden z tłoków wyprzedza drugi, to zostaje wywarty nacisk na odpowiednią sprężynę zespołu odzyskiwania energii mechanicznej 7,18, a następnie na uchwyty 12, które przekażą część energii kinetycznej zmagazynowanej w zespole odzyskiwania energii mechanicznej 7, 18 i z powrotem umiejscowią tłok w obrębie histerezy położenia, zgodnie z naprężeniem zespołu odzyskiwania energii mechanicznej 7,18.

Powoduje to, że suw zwrotny tłoka zwalnia i stopniowo synchronizuje się z tłokiem umieszczonym naprzeciw, który opóźniał się względem pierwszego. Taka korekcja synchronizacji powoduje powstanie strat, co prawda małych w porównaniu z całą przekazywaną energią, ale korzystnym jest skorzystać z elektronicznych metod kontroli położenia zwrotnego sprężyny w celu uzyskania od razu na początku doskonałej synchronizacji.

Na fig. 7 przedstawiono wykres sprawności silnika spalinowego, generatora według wynalazku, a na fig. 8 - wykres jego specyficznego zużycia paliwa. Wykresy te nie wymagają dodatkowych komentarzy, jako wystarczająco czytelne. Całkowita sprawność wynosi około dwukrotnie więcej niż w przypadku konwencjonalnego silnika pracującego z dowolną prędkością.

175 859

Wszystkie elementy konstrukcji, ich dobór, rozmieszczenie oraz ich sterowanie mogą podlegać modyfikacjom i udoskonaleniom.

Na przykład, zamiast podtrzymywania magnesów 2 za pomocą widłowego wspornika 4', jak przedstawiono na fig. 1 oraz fig. 2, mogą one zostać zamocowane do cylindrycznych podpór umieszczonych w osi z tłokami, będąc z nimi zintegrowane, a których elementy rozmieszczone są w podobny sposób do opisanych w przykładzie silnika Jarretta.

175 859

6’

⁶ 6’

FIG.3

175 859

R.Z = K

''t

O

LI_

175 859

F IG.5

175 859

ω u_

175 859

175 859 ω

Ο υ_

175 859

114

F I G. 9

175 859

FJG.1

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz. Cena 4,00 zł.

Claims (11)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie do wytwarzania energii elektrycznej, zaopatrzone w dwusuwowy silnik spalania wewnętrznego połączony z układem elektromagnetycznym zawierającym nieruchome uzwojenia sprzężone z co najmniej jednym magnesem trwałym połączonym integralnie z co najmniej jednym tłokiem silnika, usytuowanym w cylindrze połączonym z komorą wstępnego spalania o podstawie otwartej w kierunku cyllndra tłokowego i zaopatrzoną w układ dozowanego wtrysku paliwa, ponadto zaopatrzone w zespół odzyskiwania energii mechanicznej usytuowany na końcu drogi tłoka podczas suwu rozprężania, znamienne tym, że komora wstępnego spalania (10, 110) ma kształt stożka, na którego szczycie usytuowany jest wtryskiwacz paliwa (14, 114), przy czym trwały magnes (3) ma kształt równoległych rur o określonej grubości, szerokości oraz szczelinie powietrznej względem nieruchomych uzwojeń (2).
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że do zacisków wyjściowych nieruchomych uzwojeń (2) dołączone jest obciążenie rezystancyjne o stałej wartości.
3. 3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że komora wstępnego spalania (110) ma kształt stożka ściętego, a jej mniejsza zamknięta podstawa (113) jest połączona z cyllndrem (9) poprzez co najmniej jeden kanał (112).
4. 4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że na osi zamkniętej podstawy (113) komory wstępnego spalania (110) jest usytuowany jeden wtryskiwacz paliwa (114) i dodatkowo drugi wtryskiwacz paliwa (111) jest usytuowany prostopadle do osi komory wstępnego spalania (110).
5. 5. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że w cylindrze (9) jest usytuowana para tłoków (6, 6') zwróconych do siebie czołem do czoła tłoka.
6. 6. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że parę tłoków (6, 6') stanowią dwa tłoki zintegrowane za pomocą elementów łączących (8,8'), przy czym tłoki pary tłoków (6,6') są przesuwne w tym samym kierunku.
7. 7. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że para tłoków (6, 6') usytuowanych naprzeciw siebie ma wspólną komorę wstępnego spalania (10), której oś podłużna (h) jest prostopadła do osi (k) przechodzącej przez parę tłoków (6, 6').
8. 8. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że para tłoków (6, 6') usytuowanych naprzeciw siebie ma dwie komory wstępnego spalania (110) rozmieszczone przeciwlegle na średnicy cyllndra (9).
9. 9. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że na osi (k) przechodzącej przez parę tłoków (6, 6') usytuowany jest element regulacji (17) położenia zespołu odzyskiwania energii mechanicznej (7,18) wzdłuż tej osi (k).
10. 10. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że zespół odzyskiwania energii mechanicznej (7,18) połączony z obudową (11) cyllndra (9) jest połączony z masą ewentualnie z elementem obudowy generatora (1) za pomocą uchwytów (12) o określonej sprężystości w kierunku ruchu tłoków (6, 6').
11. 11. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że komora wstępnego spalania (10) jest połączona z dodatkowym cylindrem (20), w którym jest umieszczony dodatkowy tłok (19) połączony integralnie z tłokami silnika spalania wewnętrznego, przy czym dodatkowy cyHnder (20) jest zaopatrzony w jednokierunkowy zawór (21) zasysania powietrza w fazie sprężania, a komora wstępnego spalania (10) jest zaopatrzona w drugi jednokierunkowy zawór (22) do wprowadzania powietrza w fazie rozprężania, dla przedmuchiwania powietrzem cylindrów (5, 9).

    175 859