RU2269016C1

RU2269016C1 - Method of and device for rotary conversion of internal combustion energy into electric energy

Info

Publication number: RU2269016C1
Application number: RU2004124011/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Абрамович Намиот (RU); Владимир Абрамович Намиот; Лемарк Михайлович Клюкин (RU); Лемарк Михайлович Клюкин
Original assignee: Владимир Абрамович Намиот; Лемарк Михайлович Клюкин
Priority date: 2004-08-09
Filing date: 2004-08-09
Publication date: 2006-01-27

Abstract

FIELD: heat power engineering.

SUBSTANCE: invention is designed for converting thermal energy into electric energy. According to proposed method, working space is filled with working liquid, starting is provided by spinning working liquid by electric motor, simultaneously modulating speed of rotation to create resonance oscillations leading to periodical change of volumes of spaces between members of construction and surface of liquid, and gas working mixture is introduced into space when volume is maximum, and is ignited and then control mode is changed from spinning to maintaining of resonance with power takeoff from generator. Rotor and core in proposed device are made to form working spaces in chamber between members of construction and rotation working liquid, and control unit contains reservoir capacitor.

EFFECT: increased efficiency.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области двигателестроения и преобразователей тепловой энергии в электрическую. Оно может быть использовано в качестве экономичного и экологически чистого автономного источника электрической энергии.The invention relates to the field of engine building and converters of thermal energy into electrical energy. It can be used as an economical and environmentally friendly autonomous source of electrical energy.

Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую с улучшенными показателями в части экономичности и экологичности (см., например, RU 2175395 С1 от 05.10.2001 г.). Этот способ включает подачу воздуха в цилиндр, сжатие его, подачу одной части топлива в камеру сгорания и другой части в зону впускного клапана со стороны впускного трубопровода с двухстадийным преобразованием на рабочих режимах с повышенной нагрузкой, воспламенение топливовоздушной смеси от сжатия и последующего сгорания в цилиндре, расширение и выпуск отработавших продуктов сгорания, регулирование подачи топлива по управляющему сигналу органа, связанного с двигателем. При этом рабочий режим переходит через стадию с 70% нагрузки.A known method of converting thermal energy into mechanical energy with improved performance in terms of efficiency and environmental friendliness (see, for example, RU 2175395 C1 from 05.10.2001). This method includes supplying air to the cylinder, compressing it, supplying one part of the fuel to the combustion chamber and another part to the inlet valve area from the side of the inlet pipe with two-stage conversion in operating modes with increased load, igniting the air-fuel mixture from compression and subsequent combustion in the cylinder, expansion and release of exhaust combustion products, regulation of fuel supply by the control signal of an organ associated with the engine. In this case, the operating mode passes through the stage with 70% of the load.

В известном способе коэффициент полезного действия η (к.п.д.), как обычно, определяется разницей температур сгорания топлива T_n и отработанных газов T_x и составляет в соответствии с формулой КарноIn the known method, the efficiency η (efficiency), as usual, is determined by the difference in the combustion temperatures of the fuel T _n and the exhaust gases T _x and is in accordance with the Carnot formula

величину порядка 0,4...0,5.a value of the order of 0.4 ... 0.5.

Недостатком известного способа является низкий к.п.д. из-за сложности получения высоких значений T_n.The disadvantage of this method is the low efficiency due to the difficulty of obtaining high values of T _n .

Технический задачей группы изобретений является повышение к.п.д путем увеличения температуры T_n и отказа от возвратно-поступательного способа перемещения поршня в рабочем пространстве с заменой его на вращательное движение ротора.The technical task of the group of inventions is to increase the efficiency by increasing the temperature T _n and abandoning the reciprocating method of moving the piston in the working space with replacing it with the rotational movement of the rotor.

Технический результат в части предлагаемого способа достигается за счет того, что способ роторного преобразования энергии внутреннего сгорания в электрическую предусматривает запуск устройства от источника тока, заполнение внутренних полостей устройства газовой рабочей смесью, осуществление рабочего процесса сгорания путем сжатия упомянутой смеси и преобразование энергии внутреннего сгорания в механическую и затем в электрическую путем использования электромагнитного преобразователя в виде генератора (он же электромотор), при этом рабочую полость заполняют рабочей жидкостью, производят запуск путем раскрутки электромотором упомянутой жидкости, одновременно модулируя скорость ее вращения так, что в ней возникают резонансные колебания, приводящие к периодическому изменению объемов полостей между элементами конструкции и поверхностью упомянутой жидкости, вводят в полость в момент достижения ее максимального объема газовую рабочую смесь и после ее поджига изменяют режим управления - с раскрутки на поддержание резонанса с отбором мощности от генератора.The technical result in terms of the proposed method is achieved due to the fact that the method of rotary conversion of internal combustion energy into electrical energy involves starting the device from a current source, filling the internal cavities of the device with a gas working mixture, performing a combustion working process by compressing said mixture, and converting the internal combustion energy into mechanical and then into the electric one by using an electromagnetic converter in the form of a generator (aka an electric motor), at Ohm, the working cavity is filled with the working fluid, the aforementioned fluid is started up by the electric motor spinning, at the same time modulating its rotation speed so that resonant vibrations occur in it, which periodically change the volume of the cavities between the structural elements and the surface of the mentioned fluid, and are introduced into the cavity when it is reached the maximum volume of the gas working mixture and after its ignition change the control mode - from promotion to maintaining resonance with the selection of power from the generator.

Для получения этого технического результата полость внутри ротора частично заполняют рабочей жидкостью (например, водой) и ротор предварительно раскручивают с помощью электромагнитного преобразователя (используемого в данном случае как электромотор, работающий с переменной мощностью). При этом образовавшаяся в жидкости воронка периодически изменяет свой объем. В момент расширения воронки в нее впрыскивают газовую рабочую смесь, которая в момент сжатия воронки адиабатически нагревается до температуры сгорания и после этого передает энергию сгорания движущейся жидкости, передающей в свою очередь рабочему движению ротора. Поскольку ротор имеет ряд осесимметричных полостей, где происходят упомянутые циклы, фазирование этих процессов приводит к полезному вращательному движение ротора. Вращательное движение ротора передается на ротор генератора, вырабатывая электрическую энергию.To obtain this technical result, the cavity inside the rotor is partially filled with a working fluid (for example, water) and the rotor is previously untwisted using an electromagnetic converter (used in this case as an electric motor operating with variable power). In this case, the funnel formed in the liquid periodically changes its volume. At the time of expansion of the funnel, a gas working mixture is injected into it, which at the time of compression of the funnel adiabatically heats up to the combustion temperature and then transfers the combustion energy to the moving fluid, which in turn transfers the working movement of the rotor. Since the rotor has a series of axisymmetric cavities where the aforementioned cycles occur, phasing of these processes leads to useful rotational motion of the rotor. Rotational movement of the rotor is transmitted to the generator rotor, generating electrical energy.

Известно устройство, представляющее собой роторный двигатель внутреннего сгорания (RU 2083850 С1 от 1997), включающее в себя полый корпус, ротор, системы питания, охлаждения, смазки и подачи жидкости. Однако жидкость в этом устройстве выполняет только уплотнительные и компрессорные функции, а не функции поршня. Поэтому в нем не удается осуществить трехмерное сжатие рабочей смеси (при трехмерном сжатии объем камеры меняется как куб ее линейных размеров, а площадь контакта со стенками - как квадрат линейных размеров), при котором отношение начальных и конечных объемов и, соответственно, отношение начальных и конечных температур, определяющее величину к.п.д., может существенно превосходить аналогичное отношение, получаемое при обычном (т.е. одномерном) сжатии. Соответственно, в нем не удается реализовать повышенный к.п.д. Помимо этого, необходимость использования коленчатого вала существенно усложняет кинематику, что снижает преимущества, связанные с использованием вращательного движения.A device is known, which is a rotary internal combustion engine (RU 2083850 C1 from 1997), which includes a hollow body, a rotor, a power system, cooling, lubrication and fluid supply. However, the liquid in this device performs only the sealing and compressor functions, and not the functions of the piston. Therefore, it is not possible to carry out three-dimensional compression of the working mixture in it (with three-dimensional compression, the chamber volume changes as a cube of its linear dimensions, and the contact area with the walls changes as a square of linear dimensions), in which the ratio of the initial and final volumes and, accordingly, the ratio of initial and final temperature, which determines the value of the efficiency, can significantly exceed the analogous ratio obtained under ordinary (i.e., one-dimensional) compression. Accordingly, it is not possible to implement increased efficiency In addition, the need to use a crankshaft significantly complicates the kinematics, which reduces the benefits associated with the use of rotational motion.

Устройство для осуществления предложенного способа включает ротор и сердечник, образующие камеры для ввода рабочей газовой смеси, а также установленный соосно с устройством, где осуществляется процесс сгорания, электромагнитный преобразователь; согласно изобретению ротор и сердечник выполнены так, что в камере рабочие полости образованы между элементами конструкции и вращающейся рабочей жидкостью, причем управление режимом работы и вращения осуществляет блок управления, содержащий аккумулирующий конденсатор.A device for implementing the proposed method includes a rotor and a core forming chambers for introducing a working gas mixture, and also installed coaxially with the device where the combustion process is carried out, an electromagnetic converter; according to the invention, the rotor and the core are made so that in the chamber the working cavities are formed between the structural elements and the rotating working fluid, moreover, the operation mode and rotation are controlled by a control unit containing an accumulating capacitor.

Технический результат в части устройства заключается в создании установки, где реализуется повышенное значение температуры сгорания путем фазированного схлопывания (т.е. быстрого частичного заполнения рабочей жидкостью незаполненных объемов в полостях, содержащих газовую рабочую смесь), и, следовательно, реализуется повышенное значение коэффициента полезного действия установки при вращательном движении ротора.The technical result in terms of the device is to create an installation where an increased value of the combustion temperature is realized by phased collapse (i.e., the rapid partial filling of unfilled volumes in the cavities containing the gas working mixture with working fluid), and, therefore, an increased value of the efficiency installations with rotational movement of the rotor.

Изобретение в части установки поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично изображено устройство в поперечном сечении; на фиг.2 - в продольном сечении.The invention in terms of installation is illustrated by drawings, where in Fig.1 schematically shows a device in cross section; figure 2 - in longitudinal section.

Устройство состоит из ротора 1, в который плотно впрессован сердечник 2, соединенный подшипниками 12 с неподвижным статором 4, в котором размещены: трубка 13 подачи рабочей жидкости, газоотводная трубка 5 и трубка 6 для подачи газовой рабочей смеси. К статору 4 крепится статор электромагнитного преобразователя 8 (электромагнитный преобразователь представляет собой электрический генератор, способный также выполнять и функции электромотора, когда на него подается соответствующее питание), вокруг которого может вращаться ротор электромагнитного преобразователя 7, закрепленный на роторе. На внутренней части сердечника имеются круговые прорези, в которых размещены трубки 5 и 6; в верхней его части расположены клапаны 15 для подачи рабочей жидкости; в роторе 1 имеется заглушка 14 для слива рабочей жидкости 3. Рабочая жидкость показана в состоянии устройства, когда ротор раскручен. Показанная в верхнем правом углу система коммутации состоит из аккумулирующего конденсатора 10, блока управления 9 режимом работы устройства и клемм съема полезной мощности 11; она предназначена для управления запуском и съема полезной мощности с генератора. Ротор 1 помещен в осесимметричный короб 16, образующий с ротором полость, служащую для воздушного охлаждения устройства, для чего на роторе имеются лопасти 17, а на коробе - защитная решетка 18.The device consists of a rotor 1, into which the core 2 is tightly pressed, connected by bearings 12 to a fixed stator 4, in which are placed: a pipe 13 for supplying a working fluid, a gas pipe 5 and a pipe 6 for supplying a gas working mixture. The stator of the electromagnetic transducer 8 is attached to the stator 4 (the electromagnetic transducer is an electric generator that can also perform the functions of an electric motor when the corresponding power is supplied to it), around which the rotor of the electromagnetic transducer 7 mounted on the rotor can rotate. On the inner part of the core there are circular slots in which the tubes 5 and 6 are placed; in its upper part are valves 15 for supplying a working fluid; in the rotor 1 there is a plug 14 for draining the working fluid 3. The working fluid is shown in the state of the device when the rotor is untwisted. Shown in the upper right corner of the switching system consists of an accumulating capacitor 10, a control unit 9 of the operating mode of the device and the terminals of the removal of useful power 11; it is designed to control the launch and removal of useful power from the generator. The rotor 1 is placed in an axisymmetric box 16, forming with the rotor a cavity serving for air cooling of the device, for which there are blades 17 on the rotor, and a protective grill 18 on the box.

Устройство работает следующим образом. В качестве примера рассмотрим двухтактный режим работы устройства. После заливки рабочей жидкости во внутреннюю полость между ротором и сердечником включают напряжение на электромагнитный преобразователь, который в данном случае используется в качестве электромотора. Напряжение, подаваемое на электромагнитный преобразователь, имеет постоянную составляющую и составляющую, модулированную во времени. Вращение ротора электромагнитного преобразователя приводит к вытеснению жидкости во внешнюю область полостей (как показано на фиг.1). Модуляция мощности приводит к раскачке колебаний рабочей жидкости, заключающейся в периодичном изменении уровня в правых и левых полостях. Блок управления выводит упомянутую раскачку в состояние резонанса, частота которого обусловлена заданной конструкцией ротора и сердечника и кратна частоте оборотов ротора, после чего поддерживает это состояние. В тот момент, когда объем области, свободной от рабочей жидкости, становится максимально большим, в нее впрыскивают газовую рабочую смесь, которая сжимается при обратном движении рабочей жидкости. Это сжатие отличается от обычной схемы сжатия в известных двигателях внутреннего сгорания (ДВС) тем, что оно реализуется с помощью трехмерного сжатия. Это, в свою очередь, резко повышает степень сжатия. Поджиг газовой рабочей смеси производится при ее максимальном сжатии. После поджига газовой рабочей смеси начинается стадия расширения области, свободной от рабочей жидкости, причем образовавшиеся продукты сгорания совершают, в процессе этого расширения, работу над рабочей жидкостью. Когда объем свободной от рабочей жидкости области становится близким к максимуму, открывается отверстие выпуска газа, и продукты сгорания выводятся через газоотводную трубку. В результате описанного выше процесса энергия колебаний рабочей жидкости увеличивается. Когда раскачка колебаний рабочей жидкости становится независимой от внешнего привода, блок управления меняет режим работы: с подачи мощности на устройство с целью его раскрутки на использование резонанса для съема мощности с устройства. Электромагнитный преобразователь периодически (причем этот период определяется резонансной частотой колебаний рабочей жидкости) на определенное время, меньшее, чем период, подключается к внешней нагрузке и к аккумулирующему конденсатору и отдает в них свою энергию. В оставшуюся часть периода электромагнитный преобразователь отсоединяется от внешней нагрузки и работает в режиме электромотора, причем питание осуществляется за счет той энергии, которая была перед этим запасена в аккумулирующем конденсаторе. В результате может быть снята только добавочная, выделяемая при сгорании топлива энергия, а энергия, относящаяся к колебаниям рабочей жидкости, остается постоянной: колебания не затухают, но и не раскачиваются.The device operates as follows. As an example, consider the push-pull mode of the device. After pouring the working fluid into the internal cavity between the rotor and the core, the voltage is switched on to the electromagnetic converter, which in this case is used as an electric motor. The voltage supplied to the electromagnetic converter has a constant component and a component modulated in time. The rotation of the rotor of the electromagnetic transducer leads to the displacement of fluid into the external region of the cavities (as shown in FIG. 1). Modulation of power leads to a buildup of oscillations of the working fluid, which consists in periodically changing the level in the right and left cavities. The control unit displays the said buildup in a resonance state, the frequency of which is due to the given design of the rotor and core and is a multiple of the rotor speed, and then maintains this state. At that moment, when the volume of the region free of the working fluid becomes as large as possible, a gas working mixture is injected into it, which is compressed during the reverse movement of the working fluid. This compression differs from the conventional compression scheme in known internal combustion engines (ICE) in that it is implemented using three-dimensional compression. This, in turn, dramatically increases the compression ratio. The gas mixture is ignited at its maximum compression. After ignition of the gas working mixture, the stage of expansion of the region free of the working fluid begins, and the resulting combustion products perform, in the process of this expansion, work on the working fluid. When the volume of the fluid-free region becomes close to the maximum, a gas outlet is opened, and the combustion products are discharged through a gas pipe. As a result of the above process, the vibrational energy of the working fluid increases. When the buildup of the oscillations of the working fluid becomes independent of the external drive, the control unit changes the operating mode: from supplying power to the device in order to promote it to use resonance to remove power from the device. An electromagnetic converter is periodically (and this period is determined by the resonant frequency of oscillations of the working fluid) for a certain time less than a period, it is connected to an external load and to an accumulating capacitor and gives its energy to them. For the remainder of the period, the electromagnetic converter is disconnected from the external load and operates in the electric motor mode, and the power is supplied by the energy that was previously stored in the storage capacitor. As a result, only the additional energy released during fuel combustion can be removed, and the energy related to the vibrations of the working fluid remains constant: the vibrations do not damp, but they do not sway.

Использование предложенного способа и устройства позволит существенно сократить потребление топлива в процессе эксплуатации электрогенераторов (до 40-50%) при сохранении мощности, отбираемой потребителями, и обойтись без механической системы преобразования поступательного движения поршня в известных ДВС.Using the proposed method and device will significantly reduce fuel consumption during operation of electric generators (up to 40-50%) while maintaining the power taken by consumers, and dispense with a mechanical system for converting the translational movement of the piston into known ICEs.

Claims

1. A method of rotary conversion of internal combustion energy into electrical energy, comprising starting the device from a current source, filling the internal cavities of the device with a gas working mixture, carrying out a combustion working process by compressing said mixture, and converting the internal combustion energy into mechanical and then into electrical energy by using an electromagnetic transducer in in the form of a generator (aka an electric motor), characterized in that the working cavity is filled with working fluid, by spinning the said fluid with an electric motor, while modulating its rotation speed so that resonant oscillations occur in it, which lead to a periodic change in the volume of the cavities between the structural elements and the surface of the said liquid, a gas working mixture is introduced into the cavity at the moment of its maximum volume reaching and after ignition change the control mode - from promotion to maintaining resonance with the selection of power from the generator.

2. The device for implementing the method according to claim 1, comprising a rotor and a core forming a chamber for introducing a working gas mixture, and also installed coaxially with the device where the combustion process is carried out, an electromagnetic converter, characterized in that the rotor and core are made so that in the chamber, the working cavities are formed between the structural elements and the rotating working fluid, moreover, the operation mode and rotation are controlled by a control unit containing an accumulating capacitor.