RU2525766C1 - Circulation of exhaust gases into external combustion chamber of free-piston power module with external combustion chamber - Google Patents
Circulation of exhaust gases into external combustion chamber of free-piston power module with external combustion chamber Download PDFInfo
- Publication number
- RU2525766C1 RU2525766C1 RU2013144322/06A RU2013144322A RU2525766C1 RU 2525766 C1 RU2525766 C1 RU 2525766C1 RU 2013144322/06 A RU2013144322/06 A RU 2013144322/06A RU 2013144322 A RU2013144322 A RU 2013144322A RU 2525766 C1 RU2525766 C1 RU 2525766C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- combustion chamber
- piston
- external combustion
- bypass valve
- exhaust gas
- Prior art date
Links
Images
Abstract
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 - «Свободнопоршневой двухцилиндровый с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором энергомодуль двойного назначения», патент 2468224.The closest prototype of the claimed invention is "Free-piston twin-cylinder with a common external combustion chamber and a linear electric generator dual-purpose power module", patent 2468224.
Свободнопоршневой двухцилиндровый с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором энергомодуль двойного назначения (далее - энергомодуль) преобразует экзотермическую энергию моторного топлива в электроэнергию и/или энергию газообразного рабочего тела высокого давления и температуры. В его состав входят две расширительные машины, поршни которых соединены с якорями линейного электрогенератора, линейный электрогенератор (далее - генератор), общая внешняя камера сгорания и система управления энергомодулем. Действует он следующим образом.A two-cylinder free piston with a common external combustion chamber and a linear electric generator, a dual-purpose energy module (hereinafter referred to as the energy module) converts the exothermic energy of motor fuel into electricity and / or energy of a gaseous working fluid of high pressure and temperature. It consists of two expansion machines, the pistons of which are connected to the anchors of a linear electric generator, a linear electric generator (hereinafter referred to as the generator), a common external combustion chamber and an energy module control system. It acts as follows.
Перед пуском энергомодуля (см. фигуру) в его камере сгорания 1. Перед пуском энергомодуля в его камере сгорания 1 всегда присутствует некоторое количество воздуха. Если поршневая группа (поршни 2, 3, шток 4 и якорь генератора 5) находится в правом, по фигуре, крайнем положении, система управления форсункой 6 подает в камеру сгорания 1 дозу топлива и воспламеняет его свечой зажигания 7. Топливо горит, в результате чего температура и давление продуктов сгорания увеличиваются. Продукты сгорания из камеры сгорания 1 по трубопроводу 8 через открытый газораспределительный клапан 9 поступают в правую полость поршня 3. Под их воздействием поршневая группа начинает движения справа налево. Так как площадь правой поверхности поршня 3 больше площади его левой поверхности на величину разности поперечных сечений штоков с левой и правой стороны поршня 3, то давление сжимаемого в левой полости поршня 3 воздуха больше, чем давление продуктов сгорания в его правой полости. Поэтому сжимаемый в левой полости поршня 3 воздух через обратный клапан 10 по трубопроводу 11 подается в камеру сгорания 1, обеспечивая горение впрыскиваемого в нее форсункой 5 топлива. Одновременно в правую полость поршня 2 через обратный клапан 12 засасывается воздух из атмосферы, а из его левой полости через открытый клапан 13 воздух выбрасывается в атмосферу. По прибытию поршневой группы в левую крайнюю точку движения система управления закрывает газораспределительные клапаны 9 и 13 и открывает газораспределительные клапаны 14 и 15.Before starting the energy module (see the figure) in its
Под действием поступающих из внешней камеры сгорания 1 через открытый газораспределительный клапан 14 продуктов сгорания в левую полость поршня 2 поршневая группа начинает движение слева направо. Теперь сжимаемый в правой полости поршня 2 воздух через обратный клапан 16 по трубопроводу 11 поступает в камеру сгорания 1, поддерживая непрерывное горение топлива. Из правой полости поршня 3 отработавшие газы через открытый газораспределительный клапан 15 выбрасываются в атмосферу, а в его левую полость через обратный клапан 17 из атмосферы засасывается воздух. Если рабочий цикл будет протекать по сценарию пускового, преобразование энергии расширяющихся продуктов сгорания в кинетическую энергию поршневой группы будет малоэффективно в силу того, что давление продуктов сгорания в левой полости поршня 2 практически равно таковому в камере сгорания. Расширение продуктов сгорания при этом происходит только при выбросе их из цилиндра в конце пути поршневой группы, не производя никакой полезной работы - в рассматриваемый момент через газораспределительный клапан 13. Поэтому для повышения к.п.д. преобразования энергии организуется расширение продуктов сгорания непосредственно в цилиндре. По аналогии с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) цилиндр энергомодуля можно представить условно разделенным на два объема. Первый соответствует камере сгорания ДВС - виртуальная камера сгорания. Остальной объем цилиндра, по сути дела, как и в ДВС, виртуальный рабочий объем.Under the action of the combustion products coming from the
Поскольку процессы преобразования энергии в цилиндрах обоих расширительных машин аналогичны, для упрощения изложения эти процессы рассматриваются только применительно в левой расширительной машине. Рассматриваются два варианта сценария расширения продуктов сгорания.Since the processes of energy conversion in the cylinders of both expansion machines are similar, to simplify the presentation, these processes are considered only in relation to the left expansion machine. Two scenarios of the expansion of combustion products are considered.
Первый вариант. В начале такта, когда поршневая группа находится в левой крайней точке движения, система управления открывает впускной клапан 14 и продукты сгорания из камеры сгорания 1 поступают в виртуальную камеру сгорания цилиндра (левая полость поршня 2). Как только поршневая группа под их воздействием начинает движение, система управление закрывает клапан 14 и начинается собственно процесс расширения продуктов сгорания, то есть в обоих объемах цилиндра - в виртуальном объеме камеры сгорания и виртуальном рабочем объеме.First option. At the beginning of the cycle, when the piston group is at the left extreme point of movement, the control system opens the
Второй вариант. Возможен случай, когда при расширении продуктов сгорания на определенном участке движения еще до достижения поршневой группой крайней точки движения сила сопротивления движению окажется равной сумме сил давления продуктов сгорания и силы инерции поршневой группы, что приведет к остановке поршневой группы. Поэтому система управления на основании скорости поршневой группы и ее массы определяет момент закрытия клапана 14 уже после начала ее движения с таким расчетом, чтобы расширение продуктов сгорания по ее прибытию в крайнюю точку движения оказалось наиболее эффективным.The second option. It is possible that when the expansion of the combustion products in a certain section of the movement even before the piston group reaches the extreme point of movement, the resistance to movement will be equal to the sum of the pressure forces of the combustion products and the inertia of the piston group, which will stop the piston group. Therefore, the control system based on the speed of the piston group and its mass determines the closing moment of the
При обоих вариантах сжимаемый в правой полости поршня 2 воздух продолжает поступать в камеру сгорания 1 до тех пор, пока давление и температура газов в ней не достигнет того уровня, который был до момента открытия клапана 14. Кроме того, система управления отслеживает текущие значения скорости и ускорения поршневой группы, давления продуктов сгорания в камере сгорания 1, давления продуктов сгорания в левой рабочей полости поршня 2 и давления, сжимаемого в его правой компрессорной полости воздуха. В соответствии с этими значениями система управления вырабатывает алгоритм определения момента времени открытия перепускного клапана 18, обеспечивающий максимальное расширение продуктов сгорания в рабочей полости поршня 2 к моменту времени прибытия поршневой группы в противоположную крайнюю точку движения, и подает команду на открытие перепускного клапана 18.In both cases, the air compressed in the right cavity of the piston 2 continues to flow into the
В результате сжатый в правой полости поршня 2 воздух перетекает в левую полость поршня 3. Противодействие воздуха движению поршневой группы резко уменьшается, способствуя процессу расширения продуктов сгорания в виртуальной камере сгорания и в виртуальном рабочем объеме цилиндра. К этому моменту в левую компрессорную полость поршня 3 уже поступило некоторое количество воздуха из атмосферы. Поступающий туда же через клапан 18 до определенной степени сжатый в правой полости поршня 2 воздух дополнительно заряжает левую компрессорную полость поршня 3, и засасывание воздуха из атмосферы через клапан 17 прекращается. При этом энергия, затрачиваемая на сжатие воздуха на данной фазе такта, также вместе с воздухом перебрасывается туда же. Поступающий сжатый воздух, расширяясь, сообщает дополнительный импульс кинетической энергии поршневой группе. Энергия на преодоление динамического сопротивления воздуху в клапане 17 переносится на клапан 18. То есть моменты времени открытия и закрытия газораспределительного клапана 14 и перепускного клапана 18 система управления определяет таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность процесса расширения при движении поршневой группы в виртуальной камере сгорания и в виртуальном рабочем объеме цилиндра.As a result, the compressed air in the right cavity of the piston 2 flows into the left cavity of the piston 3. The counteraction of air to the movement of the piston group decreases sharply, contributing to the expansion of the combustion products in the virtual combustion chamber and in the virtual cylinder’s working volume. At this point, a certain amount of air from the atmosphere has already entered the left compressor cavity of the piston 3. The air coming in through the
В правой части фигуры изображена вторая расширительная машина. В ней одновременно протекают те же процессы, что и в левой расширительной машине. Особенность состоит в том, что движение ее поршневой группы организуется в противофазе относительно поршневой группы левой расширительной машины. Оппозитное движение поршневых групп энергомодуля позволяет компенсировать реакцию от их движений исключить вибрацию корпуса энергомодуля и одновременно обеспечить действие генератора. Статорный магнит генератора 19 может представлять собой постоянный магнит (в данном варианте) или электромагнит, намагничиваемый устанавливаемой на нее катушкой подмагничивания (на фигуре не показана). Магнитный поток замыкается по контуру: статорный магнит 19, якорь 5, якорь 20 и снова статорный магнит 19. При схождении и расхождении поршневых групп расширительных машин магнитные силовые линии якорей 5 и 20 пересекаются, магнитный поток в контуре увеличивается или уменьшается, в результате чего в статорной катушке 21 поочередно генерируются импульсы электроэнергии одного и другого знака. Задвижка 22 служит для действия энергомодуля в режиме генератора газообразного рабочего тела для привода расширительных машин различного назначения - расширительных машин двигателей привода колес транспортных средств, отбойных молотков и др.The second expansion machine is shown on the right side of the figure. It simultaneously proceeds the same processes as in the left expansion machine. The peculiarity is that the movement of its piston group is organized in antiphase relative to the piston group of the left expansion machine. The oppositional movement of the piston groups of the energy module allows you to compensate for the reaction from their movements to eliminate vibration of the housing of the energy module and at the same time ensure the action of the generator. The stator magnet of the
ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯOBJECT OF THE INVENTION
Цель изобретения - снижение токсичности отработавших газов энергомодуля (содержания оксидов азота NOx: NO и NO2) в режиме частичных нагрузок на энергомодуль.The purpose of the invention is to reduce the toxicity of the exhaust gases of the energy module (the content of nitrogen oxides NOx: NO and NO2) in the mode of partial loads on the energy module.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
Известны системы рециркуляции выхлопных газов в двигателях внутреннего сгорания. Материал из Википедии - свободной энциклопедии.Known exhaust gas recirculation systems in internal combustion engines. Material from Wikipedia - the free encyclopedia.
Система рециркуляции выхлопных газов применяется на бензиновых, дизельных и газовых двигателях. Предназначается для снижения токсичности отработавших газов в режиме частичных нагрузок. Часть отработавших условно инертных газов попадает в цилиндры как балласт, что вызывает снижение максимальной температуры горения и, как следствие, уменьшение выбросов оксидов азота, образующихся при высоких температурах и являющихся одними из самых токсичных веществ. Простейшая механическая система представляет собой клапан, соединяющий впускной и выпускной коллекторы, который открывается под действием разрежения во впускном коллекторе.The exhaust gas recirculation system is used on gasoline, diesel and gas engines. Designed to reduce exhaust toxicity in partial load mode. Some of the conditionally inert exhaust gases enter the cylinders as ballast, which causes a decrease in the maximum combustion temperature and, as a result, a decrease in emissions of nitrogen oxides formed at high temperatures and which are one of the most toxic substances. The simplest mechanical system is a valve connecting the intake and exhaust manifolds, which opens under the action of vacuum in the intake manifold.
В энергомодуле тот же эффект достигается оснащением его дополнительным перепускным клапаном выхлопных газов 23. Для рециркуляции выхлопных газов во внешнюю камеру сгорания система управления энергомодулем определяет интервал времени открытого положения перепускного клапана выхлопных газов в соответствии с задаваемой нагрузкой на энергомодуль. При движении поршневой группы энергомодуля система управления переводит перепускной клапан в открытое положение на интервал времени в соответствии с задаваемой нагрузкой на энергомодуль. Часть выхлопных газов из выхлопного коллектора перетекают во впускной коллектор и оттуда в компрессорную полость поршня, а затем вместе с сжимаемым воздухом во внешнюю камеру сгорания.In the power module, the same effect is achieved by equipping it with an additional exhaust
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
Способ рециркуляции выхлопных газов во внешнюю камеру сгорания свободнопоршневого энергомодуля с внешней камерой сгорания, включающего внешнюю камеру сгорания, одну или две расширительные машины, поршни которых соединены с якорями линейного электрогенератора, линейный электрогенератор, перепускной клапан выхлопных газов расширительной машины и систему управления энергомодулем, отличающийся тем, что для рециркуляции выхлопных газов во внешнюю камеру сгорания энергомодуля система управления энергомодулем определяет в соответствии с задаваемой нагрузкой на энергомодуль интервал времени открытого положения перепускного клапана выхлопных газов расширительной машины, переводит перепускной клапан выхлопных газов расширительной машины газов в открытое положение и выдерживает перепускной клапан выхлопных газов расширительной машины в открытом положении в соответствии с определенным интервалом времени открытого положения перепускного клапана выхлопных газов расширительной машины в открытом положении, в результате чего часть выхлопных газов из выхлопного коллектора перетекает во впускной коллектор, засасывается через впускной коллектор в компрессорную полость поршня расширительной машины и при сжатии воздуха в компрессорной полости поршня расширительной машины вместе со сжимаемым воздухом подается во внешнюю камеру сгорания энергомодуля.A method of recirculating exhaust gases into an external combustion chamber of a free-piston energy module with an external combustion chamber, including an external combustion chamber, one or two expansion machines, the pistons of which are connected to the armature of a linear electric generator, a linear electric generator, an exhaust gas bypass valve of the expansion machine and an energy module control system, characterized in that for the exhaust gas recirculation to the external combustion chamber of the energy module, the energy module control system determines in accordance with a given load on the energy module, the time interval of the open position of the exhaust gas bypass valve of the expansion machine, puts the exhaust gas bypass valve of the gas expansion machine in the open position and keeps the exhaust gas bypass valve of the expansion machine in the open position in accordance with a certain time interval of the open position of the exhaust gas bypass valve expansion machine in the open position, resulting in a portion of the exhaust gas from the exhaust manifold torus flows into the intake manifold, is sucked through the intake manifold cavity to the compressor piston expansion machines and in compression in the compressor air cavity expansion piston machine with compressible air supplied into the outer chamber of the combustion power module.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯTECHNICAL APPLICABILITY OF THE INVENTION
Затраты на НИОКР и производство заявленного изобретения не могут значительно отличаться от таковых при проектировании и отработке классических двигателей. Требования к материалам и технологиям не выходят за рамки современных возможностей.The costs of research and development and the production of the claimed invention cannot differ significantly from those in the design and development of classic engines. Requirements for materials and technologies do not go beyond the scope of modern capabilities.
ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛGRAPHIC MATERIAL
Фигура. Принципиальная схема свободнопоршневого с внешней камерой сгорания энергомодуля двойного назначения.Figure. Schematic diagram of a free piston with an external combustion chamber of a dual-purpose power module.
1 - камера сгорания; 2, 3 - поршень; 4 - шток; 5, 20 - якорь; 6 - форсунка; 7 - свеча зажигания; 8, 11 - канал; 9, 13, 14, 15 - газораспределительный клапан; 10, 12, 16, 17 - обратный клапан; 18 - перепускной клапан; 19 - статорный магнит; 21 - статорная катушка; 22 - задвижка; 23 - перепускной клапан выхлопных газов.1 - combustion chamber; 2, 3 - the piston; 4 - stock; 5, 20 - anchor; 6 - nozzle; 7 - a spark plug; 8, 11 - channel; 9, 13, 14, 15 - gas distribution valve; 10, 12, 16, 17 - check valve; 18 - bypass valve; 19 - stator magnet; 21 - stator coil; 22 - valve; 23 - exhaust bypass valve.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013144322/06A RU2525766C1 (en) | 2013-10-02 | 2013-10-02 | Circulation of exhaust gases into external combustion chamber of free-piston power module with external combustion chamber |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013144322/06A RU2525766C1 (en) | 2013-10-02 | 2013-10-02 | Circulation of exhaust gases into external combustion chamber of free-piston power module with external combustion chamber |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2525766C1 true RU2525766C1 (en) | 2014-08-20 |
Family
ID=51384622
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013144322/06A RU2525766C1 (en) | 2013-10-02 | 2013-10-02 | Circulation of exhaust gases into external combustion chamber of free-piston power module with external combustion chamber |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2525766C1 (en) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3835824A (en) * | 1973-01-22 | 1974-09-17 | Donald R Mac | Free piston engine |
GB1392827A (en) * | 1971-04-09 | 1975-04-30 | Jarret J H | Free piston internal combustion engines |
US4270054A (en) * | 1980-04-25 | 1981-05-26 | Dowd Norton W | Power plant |
SU1740727A1 (en) * | 1990-05-31 | 1992-06-15 | Войсковая часть 19163 | Free-piston two-stroke engine-electric generator with oppositely moving pistons |
RU2342546C2 (en) * | 2007-01-15 | 2008-12-27 | Анатолий Александрович Рыбаков | Electric generator based on piston-free engine with remote combustion chamber |
RU2422655C1 (en) * | 2010-04-09 | 2011-06-27 | Анатолий Александрович Рыбаков | Two-cylinder free piston energy module with common external combustion chamber and linear electric generator with opposite movement of armatures |
RU2468224C1 (en) * | 2011-10-18 | 2012-11-27 | Анатолий Александрович Рыбаков | Free-piston double-cylinder energy module of double purpose with common external combustion chamber and linear power generator |
-
2013
- 2013-10-02 RU RU2013144322/06A patent/RU2525766C1/en active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB1392827A (en) * | 1971-04-09 | 1975-04-30 | Jarret J H | Free piston internal combustion engines |
US3835824A (en) * | 1973-01-22 | 1974-09-17 | Donald R Mac | Free piston engine |
US4270054A (en) * | 1980-04-25 | 1981-05-26 | Dowd Norton W | Power plant |
SU1740727A1 (en) * | 1990-05-31 | 1992-06-15 | Войсковая часть 19163 | Free-piston two-stroke engine-electric generator with oppositely moving pistons |
RU2342546C2 (en) * | 2007-01-15 | 2008-12-27 | Анатолий Александрович Рыбаков | Electric generator based on piston-free engine with remote combustion chamber |
RU2422655C1 (en) * | 2010-04-09 | 2011-06-27 | Анатолий Александрович Рыбаков | Two-cylinder free piston energy module with common external combustion chamber and linear electric generator with opposite movement of armatures |
RU2468224C1 (en) * | 2011-10-18 | 2012-11-27 | Анатолий Александрович Рыбаков | Free-piston double-cylinder energy module of double purpose with common external combustion chamber and linear power generator |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9032918B2 (en) | Free-piston internal combustion engine | |
Woo et al. | Free piston engine generator: Technology review and an experimental evaluation with hydrogen fuel | |
CN102562291A (en) | Opposed free piston linear alternator | |
RU2476699C1 (en) | Blowing method of combustion chamber of free-piston two-cylinder power module with common external combustion chamber and linear electric generator | |
US6971340B1 (en) | Compression pulse starting of a free piston internal combustion engine | |
RU2479733C1 (en) | Method for increasing efficiency of expansion process of combustion products by air bypass between compressor cavities of expansion machines in free-piston two-cylinder power module with total external combustion chamber and linear electric generator | |
US10781770B2 (en) | Cylinder system with relative motion occupying structure | |
Ibrahim et al. | Effect of motoring voltage on compression ratio of a free-piston linear generator engine | |
RU2525766C1 (en) | Circulation of exhaust gases into external combustion chamber of free-piston power module with external combustion chamber | |
RU2468224C1 (en) | Free-piston double-cylinder energy module of double purpose with common external combustion chamber and linear power generator | |
RU2537324C1 (en) | Method of compressed air generation by free-piston power module with common external combustion chamber | |
US20200217245A1 (en) | Engine | |
RU2411379C2 (en) | Linear electric hydrodynamic internal combustion engine by va kushchenko | |
US20050247273A1 (en) | Pneumatic spring for starting a free piston internal combustion engine | |
Raide et al. | Existing state of art of free-piston engines. | |
EP3728866B1 (en) | Cylinder system with relative motion occupying structure | |
US6966280B1 (en) | Compression pulse starting of a free piston internal combustion engine having multiple cylinders | |
RU2520727C1 (en) | Control over phases of electric power polymodular electric generator built around free-piston power module with external combustion chamber | |
RU2328607C1 (en) | Method of load synchronisation of free-piston internal combustion engine pistons motion | |
EP3842616A1 (en) | Four stroke relative motion cylinder with dedicated compression space | |
CN216008677U (en) | Compression ignition engine and vehicle | |
RU2785595C2 (en) | Cylinder system with internal relative movement device | |
CN211692635U (en) | Mechanical supercharged two-stroke compression ignition engine | |
US10788060B2 (en) | Cylinder occupying structure | |
CN111287835A (en) | Mechanical supercharged two-stroke compression ignition engine |