RU2427718C1

RU2427718C1 - Procedure for cooling pistons of two-cylinder single phase plunger-free power module with common external combustion chamber and linear electro-generator with opposite motion of anchors

Info

Publication number: RU2427718C1
Application number: RU2010116546/06A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Александрович Рыбаков (RU); Анатолий Александрович Рыбаков
Original assignee: Анатолий Александрович Рыбаков
Priority date: 2010-04-26
Filing date: 2010-04-26
Publication date: 2011-08-27

Abstract

FIELD: machine building. ^ SUBSTANCE: there is disclosed procedure for cooling pistons of two-cylinder single phase plunger-free power module with common external combustion chamber and linear electro-generator with opposite motion of anchors. In the procedure there are implemented the common external combustion chamber, electro-generator with opposite motion of anchors, two expansion machines actuating opposite motion of the electric-generator anchors and system of control. A rod and pistons of each expansion machine connected to the rod are cooled with cooling agent flowing in a cavity. The cavity is restricted with internal surface of the rod and external and internal surface of the pipe installed inside this cavity. At motion of the pistons from points of extreme convergence of the pistons to points of extreme divergence cooling agent is forced through a radiator transmitting heat of cooling agent to environment and enters a pneumatic accumulator. At motion of the pistons from the points of extreme divergence to points of extreme convergence cooling agent from the accumulator enters the same cavity restricted with internal surface of the rods and external and internal surfaces of the pipe. ^ EFFECT: improved power module pistons cooling.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

Изобретение относится к области энергомашиностроения.The invention relates to the field of power engineering.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND

Ближайший прототип заявленного изобретения - патент 2342546, «Электрогенератор на основе свободнопоршневого двигателя с внешней камерой сгорания».The closest prototype of the claimed invention is patent 2342546, "An electric generator based on a free piston engine with an external combustion chamber."

Электрогенератор (далее - энергомодуль) преобразует химическую энергию моторного топлива в электроэнергию. При пуске энергомодуля в камеру сгорания 1 (см. фиг.1) система управления (не показана) форсункой 2 подает топливо и воспламеняется его свечой зажигания 3. Продукты сгорания через открытый клапан 4 поступают в левую (по фигуре) полость поршня 5 и под их воздействием поршень 5, соединенные с ним штоком 6 якорь 7 и поршень 8 начинают движение слева направо. Площадь левой торцевой поверхности поршня 5 больше площади его противоположной поверхности на величину площади поперечного сечения штока 6. Следовательно, давление воздуха, сжимаемого в правой полости поршня 5, больше давления продуктов сгорания в его левой полости. Поэтому воздух из правой полости поршня 5 через открытый клапан 9 поступает в камеру сгорания 1, обеспечивая тем самым кислородом процесс горения топлива. Одновременно воздух из правой полости поршня 8 через открытый клапан 10 выбрасывается в атмосферу (при последующих рабочих циклах - отработавшие газы), а через открытый клапан 11 воздух из атмосферы поступает в его левую полость. Магнитный поток движущегося якоря 7 пересекает витки статорной катушки 12, в результате чего в ней генерируется импульс электроэнергии. По достижению поршнями крайнего правого положения система управления переводит клапаны 4, 10, 13, 14 в противоположные положения. Продукты сгорания из камеры сгорания 1 через открывшийся клапан 13 поступают в правую полость поршня 8, поршни 5 и 8 и якорь 7 начинают движение справа налево. Воздух из левой полости поршня 8 закрывает клапан 11 и через открывшийся клапан 15 поступает в камеру сгорания 1. Клапан 9 закрывается и воздух из атмосферы через открывшийся клапан 16 засасывается в правую полость поршня 5, а отработавшие газы через открывшийся клапан 14 выбрасываются в атмосферу. Магнитный поток якоря 7 пересекает витки статорной катушки 12 и в ней генерируется импульс электроэнергии противоположного знака. В дальнейшем система управления, переводя клапаны 4, 10, 13, 14 из одних положений в противоположные, обеспечивает постоянную подачу воздуха в камеру сгорания. Якорь 7 совершает колебательные движения, и в статорной катушке 12 генерируются электрические импульсы, энергия которых направляется потребителю. Возникающая в результате реакции движения поршней вибрация нейтрализуется применением двух энергомодулей с общей внешней камерой сгорания, ориентируемых так, что оси симметрии поршней располагаются на одной прямой, а их движение организуется в противофазе. Этим требованиям отвечает двухцилиндровый однотактный свободнопоршневой энергомодуль с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором с оппозитным движением якорей (далее - энергомодуль, для упрощения схемы на фигуре не показаны якоря и статорные катушки). Поскольку энергомодуль другая, отличная от прототипа машина, обозначение позиций на фигурах соответствуют только ей. Действует энергомодуль следующим образом.An electric generator (hereinafter referred to as the energy module) converts the chemical energy of motor fuel into electricity. When the energy module is launched into the combustion chamber 1 (see Fig. 1), the control system (not shown) by the nozzle 2 supplies fuel and is ignited by its spark plug 3. The combustion products through the open valve 4 enter the left (according to the figure) piston cavity 5 and under them the action of the piston 5, the armature 7 connected to it by the rod 6 and the piston 8 begin to move from left to right. The area of the left end surface of the piston 5 is greater than the area of its opposite surface by the cross-sectional area of the rod 6. Therefore, the pressure of the air compressed in the right cavity of the piston 5 is greater than the pressure of the combustion products in its left cavity. Therefore, air from the right cavity of the piston 5 through the open valve 9 enters the combustion chamber 1, thereby providing oxygen to the fuel combustion process. At the same time, air from the right piston cavity 8 through the open valve 10 is discharged into the atmosphere (during subsequent working cycles - exhaust gases), and through the open valve 11 air from the atmosphere enters its left cavity. The magnetic flux of the moving armature 7 crosses the turns of the stator coil 12, as a result of which an electric pulse is generated in it. Upon reaching the extreme right position by the pistons, the control system moves the valves 4, 10, 13, 14 to opposite positions. The combustion products from the combustion chamber 1 through the opening valve 13 enter the right cavity of the piston 8, the pistons 5 and 8 and the armature 7 begin to move from right to left. Air from the left cavity of the piston 8 closes the valve 11 and enters the combustion chamber 1 through the opening valve 15. The valve 9 closes and air from the atmosphere through the opening valve 16 is sucked into the right cavity of the piston 5, and the exhaust gases are released into the atmosphere through the opening valve 14. The magnetic flux of the armature 7 intersects the turns of the stator coil 12 and an electric pulse of opposite sign is generated in it. In the future, the control system, translating valves 4, 10, 13, 14 from one position to the opposite, provides a constant air supply to the combustion chamber. Anchor 7 oscillates, and electrical impulses are generated in the stator coil 12, the energy of which is directed to the consumer. The vibration resulting from the reaction of piston movement is neutralized by the use of two energy modules with a common external combustion chamber, oriented so that the axis of symmetry of the pistons are located on one straight line, and their movement is organized in antiphase. These requirements are met by a two-cylinder single-stroke free-piston power module with a common external combustion chamber and a linear electric generator with opposed movement of the armature (hereinafter referred to as the power module; to simplify the circuit, the figure does not show anchors and stator coils). Since the energy module is a different machine than the prototype, the designation of the positions in the figures corresponds only to it. The energy module operates as follows.

Продукты сгорания из камеры сгорания 1 (фиг.2) по трубопроводу 2 через газораспределительный клапан 3 поступают в правую (по фигуре) торцевую полость поршня 4 левой расширительной машины 5, а по трубопроводу 6 и газораспределительный клапан 7 - в левую полсть поршня 8 правой расширительной машины 9. Под действием расширяющихся продуктов сгорания поршни расширительных машин 4 и 8 и соединенные с ними якоря линейных электрогенераторов 10 и 11 начинают встречные движение. Якоря 10 и 11 могут представлять собой постоянные магниты, либо электромагниты, намагничиваемые катушкой подмагничивания 12 при протекании по ее виткам тока подмагничивания. В обоих случаях магнитный поток замыкается по контуру - якорь 11, статорный магнит 13, якорь 10, якорь 11. При оппозитном движении якорей 10 и 11 (в данном случае движении расхождения) пересекаются магнитные линии их магнитных полей, в результате чего в статорном магните 13 и якорях 10 и 11 изменяется магнитный поток и, как следствие, в статорной катушке 14 генерируется импульс электроэнергии. При достижении поршнями и якорями точек крайнего расхождения система управления (на фигуре не показана) переводит клапаны 3, 7, 15, 16 в противоположные положения. Теперь продукты сгорания из камеры сгорания 1 по трубопроводу 2 и через газораспределительный клапан 15 поступают в левую полость поршня 17 левой расширительной машины 5, а по трубопроводу 6 и через газораспределительный клапан 16 - в правую полость поршня 18 правой расширительной машины 9. Поршни расширительных машин и соединенные с ними якоря электрогенераторов начинают сходиться. В статорной катушке 14 генерируется импульс противоположного знака. Отработавшие газы при расхождении поршней 17, 18 выбрасываются в атмосферу через газораспределительные клапаны 15 и 16, а при схождении - через газораспределительные клапаны 3 и 7. Одновременно при рабочих тактах расширительных машин 5, 9 для обеспечения процесса горения топлива в камере сгорания 1 через обратные клапаны 19, 20, 21, 22 из соответствующих полостей поршней расширительных машин 5, 9 по трубопроводам 23, 24 подается воздух, а через обратные клапаны 25, 26, 27, 28 в те же полости из атмосферы засасывается воздух.The combustion products from the combustion chamber 1 (Fig. 2) through the pipeline 2 through the gas distribution valve 3 enter the right (according to the figure) end cavity of the piston 4 of the left expansion machine 5, and through the pipeline 6 and the gas distribution valve 7 to the left cavity of the piston 8 of the right expansion machines 9. Under the influence of expanding combustion products, the pistons of expansion machines 4 and 8 and the anchors of linear electric generators 10 and 11 connected to them start oncoming motion. The anchors 10 and 11 can be permanent magnets, or electromagnets magnetized by a magnetizing coil 12 when a magnetizing current flows through its turns. In both cases, the magnetic flux is closed along the contour — the armature 11, the stator magnet 13, the armature 10, the armature 11. During the opposite movement of the anchors 10 and 11 (in this case, the divergence motion) the magnetic lines of their magnetic fields intersect, as a result of which in the stator magnet 13 and the anchors 10 and 11 change the magnetic flux and, as a result, an electric pulse is generated in the stator coil 14. When the pistons and anchors reach the points of extreme divergence, the control system (not shown in the figure) transfers the valves 3, 7, 15, 16 to opposite positions. Now, the combustion products from the combustion chamber 1 through the pipeline 2 and through the gas distribution valve 15 enter the left piston cavity 17 of the left expansion machine 5, and through the pipe 6 and through the gas distribution valve 16 to the right cavity of the piston 18 of the right expansion machine 9. The pistons of the expansion machines and the anchors of electric generators connected to them begin to converge. An opposite sign pulse is generated in the stator coil 14. The exhaust gases at the divergence of the pistons 17, 18 are discharged into the atmosphere through the gas distribution valves 15 and 16, and when converging through the gas distribution valves 3 and 7. At the same time, during the operating cycles of the expansion machines 5, 9 to ensure the combustion process of the fuel in the combustion chamber 1 through the check valves 19, 20, 21, 22 from the corresponding piston cavities of expansion machines 5, 9, air is supplied through pipelines 23, 24, and air is sucked into the same cavities from the atmosphere through check valves 25, 26, 27, 28.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

При работе энергомодуля поршни и штоки, соединяющие их и якоря, испытывают значительные термические нагрузки. Частичное охлаждение поршней и штоков происходит при действии поршней 4, 8, 17, 18 в качестве поршней компрессора. Всасываемый из атмосферы через клапаны 25, 26, 27, 28 воздух, прежде чем попасть через клапаны 19, 20, 21, 22 в камеру сгорания 1, отбирает определенную долю тепла от поршней и соединяющих их штоков. Но поскольку энергомодуль отличается высокой удельной мощностью, несмотря на охлаждение атмосферным воздухом, температура поршней и штоков будет мало отличаться от температуры продуктов сгорания, а она может достигать тысяч градусов. В таких условиях могут работать только керамические материалы, что сулит повышение кпд и удельной мощности. Но пока не отработана технология применения их в моторостроении, необходимо предусмотреть принудительное охлаждение поршней и штоков расширительных машин. Такое охлаждение осуществляется следующим образом.When the power module is operating, the pistons and rods connecting them and the anchors experience significant thermal stresses. Partial cooling of the pistons and rods occurs when the pistons 4, 8, 17, 18 act as compressor pistons. The air drawn in from the atmosphere through the valves 25, 26, 27, 28, before entering through the valves 19, 20, 21, 22 into the combustion chamber 1, takes a certain fraction of the heat from the pistons and the rods connecting them. But since the energy module has a high specific power, despite cooling by atmospheric air, the temperature of the pistons and rods will not differ much from the temperature of the combustion products, and it can reach thousands of degrees. In such conditions, only ceramic materials can work, which promises an increase in efficiency and specific power. But until the technology of their application in engine building has been developed, it is necessary to provide for forced cooling of the pistons and rods of expansion machines. Such cooling is carried out as follows.

На фиг.3 показана левая расширительная машина энегомодуля 5, фиг.2, отделенная от энергомодуля линией разрыва. При поступлении продуктов сгорания из камеры сгорания 1 (фиг.3) через газораспределительный клапан 3 в правую полость поршня 4 поршни 4, 5 начинают движение справа налево (по фигуре). Так как объем, заключенный в полости между внутренней поверхностью штока 29 и внешней поверхностью трубы 30, уменьшается, охлаждающий агент (далее - хладоагент), занимающий этот объем и отбирающий тепло от их поверхностей, по внутреннему каналу трубы 30 через обратный клапан 31 и радиатор 32, где он охлаждается, поступает в гидроаккумулятор 33. По достижению поршнями левого крайнего положения система управления (не показана) переводит газораспределительные клапаны 3 и 15 в противоположные положения. Поршни движутся слева направо. Жидкость из гидроаккумулятора 33 через обратный клапан 34 поступает в полость между штоком 29 и трубой 30. Рельеф внутренней поверхности штока и поршней повторяет рельеф их внешней поверхности. Внутри каждого поршня имеется перегородка 35 с окном 36. При движении хладоагента в полости между штоком 29 и трубой 30 хладоагент перетекает с одной стороны перегородки в другую через окно в перегородке 36, более эффективно отнимая тепло от поверхности поршней. При достижении поршнями крайнего правого положения система управления снова переводит газораспределительные клапаны 3 и 15 в противоположные положения и цикл перекачки и охлаждения штока и поршней повторяется. Таким образом, температура поршней и штока энергомодуля поддерживается в рабочих пределах.Figure 3 shows the left expansion machine of the energy module 5, figure 2, separated from the energy module by a break line. Upon receipt of the combustion products from the combustion chamber 1 (Fig. 3) through the gas distribution valve 3 into the right piston cavity 4, the pistons 4, 5 begin to move from right to left (according to the figure). Since the volume enclosed in the cavity between the inner surface of the rod 29 and the outer surface of the pipe 30 is reduced, a cooling agent (hereinafter referred to as the refrigerant) occupying this volume and taking heat from their surfaces is passed through the check valve 31 and the radiator 32 through the internal channel of the pipe 30 , where it is cooled, enters the hydraulic accumulator 33. Upon reaching the pistons to the left extreme position, the control system (not shown) puts the gas distribution valves 3 and 15 into opposite positions. Pistons move from left to right. The fluid from the accumulator 33 through the check valve 34 enters the cavity between the rod 29 and the pipe 30. The relief of the inner surface of the rod and pistons repeats the relief of their outer surface. Inside each piston there is a partition 35 with a window 36. When the refrigerant moves in the cavity between the rod 29 and the pipe 30, the refrigerant flows from one side of the partition to the other through the window in the partition 36, more effectively taking heat from the surface of the pistons. When the pistons reach the extreme right position, the control system again moves the gas distribution valves 3 and 15 to opposite positions and the cycle of pumping and cooling of the rod and pistons is repeated. Thus, the temperature of the pistons and the stem of the energy module is maintained within operating limits.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Способ охлаждения поршней двухцилиндрового однотактного свободнопоршневого энергомодуля с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором с оппозитным движением якорей, включающий общую внешнюю камеру сгорания, электрогенератор с оппозитным движением якорей, две расширительные машины, приводящие в оппозитное движение якоря электрогенератора, и систему управления, отличающийся тем, что шток и соединенные с ним поршни каждой расширительной машины охлаждаются протекающим в полости, ограниченной внутренней поверхностью штока, внешней и внутренней поверхностью установленной внутри этой полости трубы, хладоагентом, для чего при движении поршней из точек крайнего схождения поршней в точки крайнего расхождения хладоагент продавливается через радиатор, отдающий тепло хладоагента внешней среде, и поступает в пневмоаккумулятор, а при движении поршней из точек крайнего расхождения в точки крайнего схождения хладоагент из аккумулятора поступает в ту же полость, ограниченную внутренней поверхностью штоков, внешней и внутренней поверхностью трубы.The method of cooling the pistons of a two-cylinder single-stroke free-piston power module with a common external combustion chamber and a linear electric generator with opposed movement of the anchors, including a common external combustion chamber, an electric generator with the opposed movement of the anchors, two expansion machines leading to the opposite movement of the generator’s armature, and a control system that the rod and the pistons of each expansion machine connected to it are cooled by the flowing in the cavity bounded by the inner surface of the rod, the external and internal surface of the pipe installed inside this cavity, with a refrigerant, for which, when the pistons move from the extreme convergence points of the pistons to the extreme divergence points, the refrigerant is forced through the radiator, which transfers the heat of the refrigerant to the external environment, and enters the pneumatic accumulator, and when the pistons move from the points extreme divergence at the point of extreme convergence of the refrigerant from the battery enters the same cavity bounded by the inner surface of the rods, the outer and inner surface of the pipe.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬINDUSTRIAL APPLICABILITY

Затраты на НИОКР двухцилиндрового однотактного свободнопоршневого энергомодуля с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором с оппозитным движением якорей не могут существенно отличаться от таковых при проектировании классического ДВС. Стоимость энергомодуля при отлаженном производстве будет значительно ниже стоимости ДВС при пересчете на единицу мощности.The R&D costs of a two-cylinder single-stroke free-piston power module with a common external combustion chamber and a linear electric generator with opposed movement of the anchors cannot differ significantly from those in the design of a classic ICE. The cost of the energy module in well-functioning production will be significantly lower than the cost of the internal combustion engine when converted to unit capacity.

ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛGRAPHIC MATERIAL

Фигура 1. Принципиальная схема электрогенератора на основе свободнопоршневого двигателя с внешней камерой сгорания:Figure 1. Schematic diagram of an electric generator based on a free piston engine with an external combustion chamber:

1 - камера сгорания, 2 - форсунка, 3 - свеча зажигания, 4, 13 - впускной клапан, 5, 8 - поршни, 6 - шток, 7 - якорь, 9, 11, 15, 16 - обратные клапаны, 10, 14 - выпускные клапаны, 12 - статорная катушка.1 - combustion chamber, 2 - nozzle, 3 - spark plug, 4, 13 - intake valve, 5, 8 - pistons, 6 - stem, 7 - anchor, 9, 11, 15, 16 - check valves, 10, 14 - exhaust valves, 12 - stator coil.

Фигура 2. Принципиальная схема двухцилиндрового однотактного свободнопоршневого энергомодуля с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором с оппозитным движением якорей:Figure 2. Schematic diagram of a two-cylinder single-stroke free-piston power module with a common external combustion chamber and a linear electric generator with opposed movement of the anchors:

1 - камера сгорания, 2, 6, 23, 24 - трубопроводы, 3, 7, 15, 16 - газораспределительные клапаны, 4, 8, 17, 18 - поршни расширительной машины, 5, 9 - расширительная машина, 10, 11 - якоря, 12 - катушка подмагничивания якоря, 13 - статорный магнит, 14 - статорная катушка, 19, 20, 21, 22, 25, 26, 27, 28 - обратные клапаны.1 - combustion chamber, 2, 6, 23, 24 - pipelines, 3, 7, 15, 16 - gas distribution valves, 4, 8, 17, 18 - pistons of the expansion machine, 5, 9 - expansion machine, 10, 11 - anchors 12 - magnetization coil of the armature, 13 - stator magnet, 14 - stator coil, 19, 20, 21, 22, 25, 26, 27, 28 - non-return valves.

Фигура 3. Принципиальная схема двухцилиндрового однотактного свободнопоршневого энергомодуля с общей внешней камерой сгорания, линейным электрогенератором с оппозитным движением якорей и устройством охлаждения поршней расширительных машин:Figure 3. Schematic diagram of a two-cylinder single-stroke free-piston power module with a common external combustion chamber, a linear electric generator with opposed movement of the anchors and a piston cooling device for expansion machines:

1 - камера сгорания, 3, 15 - газораспределительные клапаны, 4, 5 - поршни расширительной машины, 29 - шток, 30 - труба с каналом, 31, 34 - обратные клапаны, 32, - радиатор, 33 - пневмоаккумулятор, 35 - перегородка в поршне, 36 - окно в перегородке поршня.1 - combustion chamber, 3, 15 - gas distribution valves, 4, 5 - expansion machine pistons, 29 - rod, 30 - pipe with channel, 31, 34 - non-return valves, 32, radiator, 33 - pneumatic accumulator, 35 - partition in piston, 36 - window in the piston baffle.

Claims

The method of cooling the pistons of a two-cylinder single-stroke free-piston power module with a common external combustion chamber and a linear electric generator with opposed movement of the anchors, including a common external combustion chamber, an electric generator with the opposed movement of the anchors, two expansion machines leading to the opposite movement of the generator’s armature, and a control system that the rod and the pistons of each expansion machine connected to it are cooled by the flowing in the cavity bounded by the inner surface rod, the external and internal surfaces of the pipe installed inside this cavity, the refrigerant, for which, when the pistons move from the extreme convergence points of the pistons to the extreme divergence points, the coolant is forced through the radiator, which transfers the heat of the refrigerant to the external environment, and enters the air accumulator, and when the pistons move from the points extreme divergence to the point of extreme convergence of the refrigerant from the battery enters the same cavity bounded by the inner surface of the rods, the outer and inner surfaces of the pipe.