RU2046967C1

RU2046967C1 - Motor-compressor-generator

Info

Publication number: RU2046967C1
Application number: RU93045457A
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Мещеряков
Original assignee: Александр Николаевич Мещеряков
Priority date: 1993-09-27
Filing date: 1993-09-27
Publication date: 1995-10-27

Abstract

FIELD: power and compressor engineering. SUBSTANCE: motor-compressor-generator has internal combustion engine, electric current generator, and piston compressor. Piston 1 of the internal combustion engine is fixed. Nozzle 3, valves 6 and 7, and gas spaces made up as passageways for discharging exhaust gases and supplying air are arranged inside the piston. The piston of compressor 14 is the cylinder of the engine. The space coaxial to the compressor piston is the engine cylinder. The housing of motor-compressor- generator 9 is cylindric having an optimum height to diameter ratio. Fuel tank 4, air filter 21, vessel 16 for compressed air with finned radiator for cooling air and engine, silencer 27, and all members of the generator are mounted inside the housing. EFFECT: 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к свободнопоршневым двигателям внутреннего сгорания, приспособленным для определенных целей, комбинированных с приводимыми устройствами, а именно к мотокомпрессорам-генераторам для получения сжатого воздуха и электричества. The invention relates to free-piston internal combustion engines, adapted for certain purposes, combined with driven devices, namely, motor-compressor-generators for receiving compressed air and electricity.

Целью изобретения является повышение эффективности такого рода устройств. The aim of the invention is to increase the efficiency of such devices.

Известны мотокомпрессоры-генераторы, содержащие ДВС с поршнем, жестко связанным с выходным штоком, цилиндром, форсункой, впускными и выпускными клапанами, генератором электрического тока с обмотками статора и якорем в виде постоянного магнита, компрессором с всасывающими и нагнетательными клапанами, поршнем, цилиндром и баллоном для сжатого воздуха [1]
Указанный мотокомпрессор-генератор наиболее близок к предлагаемому изобретению по технической сущности и совокупности существенных признаков.Known motor compressors-generators containing ICE with a piston rigidly connected to the output rod, cylinder, nozzle, intake and exhaust valves, an electric current generator with stator windings and an armature in the form of a permanent magnet, a compressor with suction and discharge valves, a piston, a cylinder and a cylinder for compressed air [1]
The specified motor compressor-generator is closest to the proposed invention in terms of technical nature and the set of essential features.

Недостатками известного мотокопрессора-генератора являются: громоздкость и большая масса из-за продольной компоновки вдоль оси выходного штока элементов генератора, компрессора и др. трудности с эффективным охлаждением. The disadvantages of the known motor-compressor-generator are: cumbersome and large mass due to the longitudinal layout along the axis of the output rod of the elements of the generator, compressor, and other difficulties with efficient cooling.

В предлагаемом мотокомпрессоре-генераторе эти недостатки устранены за счет поперечной компоновки, при которой поршень ДВС неподвижен, а поршень компрессора выполнен с цилиндрической соосной с ним полостью, образующей цилиндр ДВС, который при работе совершает возвратно-поступательные движения, в поршне ДВС размещены форсунка и клапаны газораспределительного механизма, выполнены газораспределительные каналы, а якорь генератора имеет кольцевую форму и закреплен на поршне компрессора. Баллон для сжатого воздуха является внутренней полостью и располагается на цилиндре компрессора, а его дно образует крышку цилиндpа компрессора и имеет соосную цилиндрическую выемку, в которой размещена возвратная пружина и внутри и нее всасывающий клапан. Воздушный фильтр размещен над баллоном сжатого воздуха также внутри корпуса, который имеет цилиндрическую форму с топливным баком в верхнем отсеке и нижним отсеком, в котором размещены дозатор топлива и механизм управления клапанами. Данная компоновка позволяет разместить внутри корпуса практически все необходимые для работы элементы конструкции и достигнуть малой массы и компактных габаритных размеров и формы, обязательных для переносных и силовых установок. In the proposed motor-compressor-generator, these disadvantages are eliminated due to the transverse arrangement, in which the internal combustion engine piston is stationary and the compressor piston is made with a cylindrical cavity coaxial with it, forming the internal combustion engine cylinder, which during operation makes reciprocating movements, the nozzle and valves are placed in the internal combustion engine piston gas distribution mechanism, gas distribution channels are made, and the generator armature has an annular shape and is mounted on the compressor piston. The compressed air cylinder is an internal cavity and is located on the compressor cylinder, and its bottom forms the cover of the compressor cylinder and has a coaxial cylindrical recess in which a return spring is placed and a suction valve inside and outside it. An air filter is placed above the compressed air cylinder also inside the housing, which has a cylindrical shape with a fuel tank in the upper compartment and the lower compartment, in which the fuel metering device and valve control mechanism are located. This arrangement allows you to place inside the housing almost all the structural elements necessary for work and achieve low weight and compact overall dimensions and shapes, which are mandatory for portable and power plants.

Эффективное охлаждение достигается принудительной продувкой сжатым воздухом поршня ДВС по воздухоподводящим каналам, а также поршня компрессора, который является единым целым с цилиндром ДВС. При этом теплообмен происходит между большой площадью цилиндра ДВС, являющегося поршнем компрессора, и сжимаемой воздушной средой. Необходимо отметить, что воздух, принудительно нагнетаемый в камеру сгорания ДВС, нагревается в компрессоре, получая теплоту от поршня, охлаждает поршень ДВС, проходя через воздухоподводящие каналы, и, поступая в камеру сгорания с повышенным давлением и высокой температурой, обеспечивает качественное сгорание топлива. Сжатый воздух, находящийся в баллоне, получив теплоту от поршня компрессора, охлаждается посредством теплообмена с окружающей средой через радиатор и корпус. Effective cooling is achieved by forced blowing with compressed air of the internal combustion engine piston through the air supply channels, as well as the compressor piston, which is integral with the internal combustion engine cylinder. In this case, heat exchange occurs between a large area of the internal combustion engine cylinder, which is the compressor piston, and compressible air. It should be noted that the air forced into the combustion chamber of the internal combustion engine is heated in the compressor, receiving heat from the piston, cools the internal combustion engine piston passing through the air supply channels, and entering the combustion chamber with high pressure and high temperature ensures high-quality combustion of fuel. The compressed air in the cylinder, having received heat from the compressor piston, is cooled by heat exchange with the environment through a radiator and a casing.

Сопоставление аналогов и прототипа с предлагаемым изобретением показывает, что последнее обладает новизной и отвечает критерию "изобретательский уровень", поскольку совокупность характеризующих его существенных признаков не следует явным образом из техники совpеменного уровня. Промышленная применимость доказывается нижеследующим описанием. A comparison of analogues and prototype with the proposed invention shows that the latter has novelty and meets the criterion of "inventive step", since the combination of essential features characterizing it does not follow explicitly from the technology of the modern level. Industrial applicability is proved by the following description.

На чертеже изображен предлагаемый мотокомпрессор-генератор, общий вид. The drawing shows the proposed motor compressor-generator, General view.

Мотокомпрессор-генератор содержит неподвижный поршень 1 ДВС, цилиндр 2 ДВС, форсунку 3, топливный бак 4, дозатор топлива 5, впускной клапан 6, выпускной клапан 7, механизм 8 привода клапанов, корпус 9 мотокомпрессора-генератора, обмотки 10 статора, якорь (кольцевой постоянный магнит) 11, всасывающий клапан 12, нагнетающий клапан 13, поршень 14 компрессора, цилиндр 15 компрессора, баллон 16 для сжатого воздуха, центральную выемку 17, возвратную пружину 18, верхний отсек 19, нижний отсек 20, фильтрующий элемент (воздушный фильтр) 21, воздухозаборные отверстия 22, воздухоподводящие каналы 23, газоотводящие каналы 24, топливоподводящую трубку 25, воздухоподводящую трубку 26, глушитель 27, выхлопную трубу 28, ребристый радиатор 29 охлаждения сжатого воздуха. The motor-compressor generator contains a stationary piston 1 ICE, cylinder 2 ICE, nozzle 3, fuel tank 4, fuel metering device 5, intake valve 6, exhaust valve 7, valve drive mechanism 8, housing 9 of the motor-compressor generator, stator windings 10, anchor (ring permanent magnet) 11, suction valve 12, pressure valve 13, compressor piston 14, compressor cylinder 15, compressed air cylinder 16, central recess 17, return spring 18, upper compartment 19, lower compartment 20, filter element (air filter) 21 air intake holes 22, in air supply ducts 23, gas exhaust ducts 24, fuel supply tube 25, air supply tube 26, silencer 27, exhaust pipe 28, finned radiator 29 for cooling compressed air.

Мотокомпрессор-генератор имеет корпус 9, внутри которого размещены все основные части конструкции, в т.ч. в верхнем отсеке 19 расположен топливный бак 4, фильтрующий элемент воздушного фильтра 21, сообщающийся через воздухозаборные отверстия 22 с атмосферой, а через всасывающий клапан 12 с рабочей камерой компрессора 15. Баллон сжатого воздуха 16 сообщается нагнетательными клапанами 13 с камерой 15 и отводящей трубкой с потребителем (на чертеже не показана). Нижняя стенка (дно) баллона, образующая крышку цилиндра компрессора, имеет центральную цилиндрическую выемку, соосную с поршнем, в которой размещена возвратная пружина 18, опирающаяся на поршень 14 компрессора. В поршне 14 выполнена соосная с ним полость, образующая цилиндр ДВС 2. Поршень 1 ДВС неподвижно закреплен на корпусе 9 мотокомпрессора, в нем установлены форсунка 3, впускные 6 и выпускные 7 клапаны, а также выполнены воздухоподводящие 23 и газоотводящие 24 каналы. Каналы 23 трубкой 26 сообщены с баллоном 16, а каналы 24 с глушителем 27 и выхлопной трубой 28. На корпусе 9 закреплены обмотки статора 10 генератора, а на поршне 14 компрессора якорь 11 генератора, выполненный в виде кольцевого постоянного магнита. В нижнем отсеке 20 установлены дозатор топлива 5, механизм 8 привода клапанов 6 и 7, а также глушитель 27. Механизм 8 связан механически с поршнем 14 компрессора. Дозатор 5 подводящей трубкой 25 соединен с баком 4, а отводящей трубкой с форсункой 3. The motor-compressor-generator has a housing 9, inside of which all the main parts of the structure are located, including in the upper compartment 19 there is a fuel tank 4, the filter element of the air filter 21, communicating through the air inlet openings 22 with the atmosphere, and through the suction valve 12 with the working chamber of the compressor 15. The compressed air cylinder 16 is connected by pressure valves 13 with the chamber 15 and the exhaust pipe with the consumer (not shown in the drawing). The lower wall (bottom) of the cylinder, forming the compressor cylinder cover, has a central cylindrical recess coaxial with the piston, in which a return spring 18 is placed, resting on the compressor piston 14. In the piston 14, a cavity coaxial with it is formed, forming the cylinder of the ICE 2. The piston 1 of the ICE is fixedly mounted on the motor compressor housing 9, the nozzle 3, the inlet 6 and the outlet 7 valves are installed in it, and the air supply 23 and gas exhaust 24 channels are made. Channels 23 are connected by a tube 26 with a cylinder 16, and channels 24 with a silencer 27 and an exhaust pipe 28. The stator windings of the generator 10 are fixed to the housing 9, and the generator armature 11, made in the form of an annular permanent magnet, on the compressor piston 14. In the lower compartment 20, a fuel dispenser 5, a mechanism 8 for actuating the valves 6 and 7, and a silencer 27 are installed. The mechanism 8 is mechanically connected to the piston 14 of the compressor. The dispenser 5 by the supply pipe 25 is connected to the tank 4, and the discharge pipe with the nozzle 3.

Мотокомпрессор-генератор работает следующим образом. Motocompressor generator operates as follows.

После взрыва топливовоздушной смеси в камере сгорания ДВС, расположенной в верхней части цилиндра 2, поршень 14 компрессора под действием давления газов в цилиндре 2 перемещается вверх, сжимая воздух, находящийся в цилиндре компрессора 15. В конце рабочего хода открываются нагнетательные клапаны 13 и сжатый воздух поступает в баллон 16, где охлаждается. Одновременно открываются выпускные клапаны 7 и происходит истечение выхлопных газов (через 24, 27, 28). Давление в цилиндре 2 падает, поршень 14 под действием сжатой пружины начинает движение вниз, при этом открываются клапаны 6 и сжатый воздух из баллона 16 через трубку 26, каналы 23 и клапаны 6 поступает в цилиндр 2, вытесняя продукты сгорания и охлаждения ДВС. Далее клапаны 7 закрываются, в цилиндре 2 создается избыточное давление воздуха, равное давлению в баллоне 16. Клапаны 6 закрываются, воздух в цилиндре сжимается под действием возвратной пружины 18. При этом открывается всасывающий клапан 12 компрессора, воздух из атмосферы через отверстия 22 и фильтр 21 поступает в цилиндр компрессора 15 (при закрытых клапанах 13). В конце такта сжатия через форсунку 3 впрыскивается топливо, которое воспламеняется теплотой сжатого воздуха и повторяется цикл рабочего хода ДВС, работающего в двухтактном режиме. В процессе возвратно-поступательного движения поршня 14 закрепленный на нем магнит-якорь 11 наводит в обмотках статора 10 ЭДС. Электрический ток с клейм генератора (на чертеже не показаны) поступает потребителю. After the explosion of the air-fuel mixture in the combustion chamber of the internal combustion engine located in the upper part of the cylinder 2, the compressor piston 14 moves upward under the action of gas pressure in the cylinder 2, compressing the air in the compressor cylinder 15. At the end of the stroke, the pressure valves 13 open and compressed air enters into cylinder 16, where it is cooled. At the same time, the exhaust valves 7 open and the exhaust gas flows out (through 24, 27, 28). The pressure in the cylinder 2 drops, the piston 14 starts to move downward under the action of the compressed spring, while the valves 6 open and compressed air from the cylinder 16 through the tube 26, the channels 23 and valves 6 enter the cylinder 2, displacing the combustion and cooling products of the internal combustion engine. Further, the valves 7 are closed, an excess air pressure equal to the pressure in the cylinder 16 is created in the cylinder 2. The valves 6 are closed, the air in the cylinder is compressed by the action of the return spring 18. This opens the compressor suction valve 12, the air from the atmosphere through the openings 22 and the filter 21 enters the cylinder of the compressor 15 (with closed valves 13). At the end of the compression stroke, fuel is injected through the nozzle 3, which is ignited by the heat of compressed air and the cycle of the stroke of the internal combustion engine operating in the push-pull mode is repeated. In the process of reciprocating movement of the piston 14, a magnet-armature 11 fixed thereon induces an EMF in the stator windings 10. Electric current from the hallmarks of the generator (not shown in the drawing) is supplied to the consumer.

Описанный двухтактный двигатель может работать с любыми известными топливными системами, дозатор топлива может быть любой известной конструкции по принципу действия. The described two-stroke engine can work with any known fuel systems, the fuel dispenser can be of any known design according to the principle of operation.

Мотокомпрессор-генератор предлагаемой конструкции также, как и прототип, не имеет сложной передачи на вал, подшипников, поэтому он прост в производстве и надежен в эксплуатации. В отличие от прототипа, поршень ДВС неподвижен и может эффективно охлаждаться воздухом, протекающим по каналам 23, а цилиндр ДВС отводом тепла в тело поршня 14 компрессора, имеющего большую площадь для теплообмена с сжимаемым воздухом. Неподвижность поршня позволяет применять и жидкостную систему охлаждения последнего. Расположение всасываюшего клапана 12 внутри пружины 18 уменьшает нагрузку на клапан, так как при максимальном давлении в цилиндре компрессора витки пружины сомкнуты и клапан изолирован. По сравнению с прототипом масса движущихся частей у данной конструкции меньше более чем в два раза при прочих одинаковых условиях за счет совмещения в единое целое поршня компрессора и подвижного цилиндра ДВС, а также размещения на поршне компрессора якоря генератора в виде кольцевого магнита, что позволило исключить силовой шток и уменьшить длину корпуса более чем в два раза по сравнению с прототипом при одинаковой мощности. Использование свободных полостей внутри компактного корпуса для размещения воздушного фильтра, баллона для сжатого воздуха и других необходимых элементов конструкции позволило получить конструкцию малой массы, габаритов и, следовательно, высокой удельной мощностью (приходящейся на единицу веса). The motor-compressor-generator of the proposed design as well as the prototype does not have a complex transmission to the shaft, bearings, so it is simple to manufacture and reliable in operation. Unlike the prototype, the internal combustion engine piston is stationary and can be effectively cooled by air flowing through the channels 23, and the internal combustion engine cylinder removes heat into the body of the compressor piston 14, which has a large area for heat exchange with compressible air. The immobility of the piston allows the use of a liquid cooling system of the latter. The location of the suction valve 12 inside the spring 18 reduces the load on the valve, since at the maximum pressure in the compressor cylinder, the spring turns are closed and the valve is isolated. Compared with the prototype, the mass of moving parts in this design is less than two times less, all other conditions being the same due to the combination of the compressor piston and the internal combustion engine cylinder as well as the placement of the generator armature in the form of a ring magnet on the compressor piston, which eliminates the power rod and reduce the body length by more than two times compared with the prototype at the same power. The use of free cavities inside a compact casing to accommodate an air filter, a cylinder for compressed air and other necessary structural elements allowed to obtain a low-mass design, dimensions and, therefore, high specific power (per unit weight).

Claims

1. MOTOR COMPRESSOR-GENERATOR containing an internal combustion engine (ICE) with a piston, cylinder, nozzle connected to the fuel tank with a fuel metering device, intake and exhaust valves, a valve drive mechanism, an electric current generator with stator windings and an armature in the form of a permanent magnet installed with the possibility of reciprocating movement, and a compressor with suction and discharge valves, a piston, a cylinder, a cylinder for compressed air and an air filter with a filter element, a return a spring, characterized in that the piston of the compressor is made with a cylindrical cavity coaxial with it, forming an internal combustion engine cylinder, the internal combustion engine piston is fixedly mounted on the motor compressor housing and has a nozzle, inlet and outlet valves, gas exhaust and air supply channels are made, the last of which are connected to the cylinder for compressed air, and the generator armature is ring-shaped and mounted on the compressor piston.

2. The motor-compressor generator according to claim 1, characterized in that the compressed air cylinder is mounted on the compressor cylinder, and its wall forming the cylinder cover has a central recess, the compressor is equipped with a return spring installed in the recess, and the suction valve is located inside the spring.

3. The motor-compressor generator according to claims 1 and 2, characterized in that its body has a compact cylindrical shape, the height of which is no more than 1.5 times the diameter, with a fuel tank in the upper part and a fuel metering device and a valve drive mechanism in the lower part, while the air filter and the cylinder for compressed air are located inside the body of the motor-compressor-generator.