RU2703114C1 - Device for conversion of chemical energy of fuel-air mixture into electric energy (versions) - Google Patents
Device for conversion of chemical energy of fuel-air mixture into electric energy (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2703114C1 RU2703114C1 RU2018137655A RU2018137655A RU2703114C1 RU 2703114 C1 RU2703114 C1 RU 2703114C1 RU 2018137655 A RU2018137655 A RU 2018137655A RU 2018137655 A RU2018137655 A RU 2018137655A RU 2703114 C1 RU2703114 C1 RU 2703114C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- free
- cylinder
- magnets
- fuel
- housing
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B71/00—Free-piston engines; Engines without rotary main shaft
- F02B71/04—Adaptations of such engines for special use; Combinations of such engines with apparatus driven thereby
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению и электроэнергетике, в частности к двигателестроению, а именно, к устройствам для преобразования химической энергии в электрическую, в частности, к двигателям внутреннего сгорания (ДВС).The invention relates to mechanical engineering and the electric power industry, in particular to engine building, and in particular, to devices for converting chemical energy into electrical energy, in particular, to internal combustion engines (ICE).
В настоящее время существует острая проблема создания мобильных автономных мини-электростанций и электрогенераторов нового поколения, эффективно использующих энергию жидких и газообразных углеводородных топлив, в том числе, биогаза и других низкокалорийных топлив.Currently, there is an acute problem of creating mobile autonomous mini-power plants and new generation electric generators that efficiently use the energy of liquid and gaseous hydrocarbon fuels, including biogas and other low-calorie fuels.
Известны многочисленные способы преобразования химической энергии в электрическую, в том числе, путем сжигания углеводородных и иных топлив в ДВС.Numerous methods are known for converting chemical energy into electrical energy, including by burning hydrocarbon and other fuels in internal combustion engines.
Применяемые в настоящее время различные мобильные автономные мини-электростанции представляют собой технические устройства в виде двух самостоятельных блоков, обеспечивающих в связке преобразование энергии органического топлива в электроэнергию [1]. Первый блок - это поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС), второй блок - собственно электрогенератор. Такая компоновка имеет существенные недостатки. Удельная масса энергоблока достигает большой величины ~20 кг/кВт. Отметим, что широко используемые энергоблоки не способны работать на низкокалорийном топливе, в частности, на биогазе.Currently used various mobile autonomous mini-power plants are technical devices in the form of two independent units, providing in conjunction conversion of fossil fuel energy into electricity [1]. The first block is a piston internal combustion engine (ICE), the second block is the actual electric generator. This arrangement has significant disadvantages. The specific gravity of the power unit reaches a large value of ~ 20 kg / kW. Note that widely used power units are not able to operate on low-calorie fuel, in particular, biogas.
В последнее время разработаны новые устройства преобразования химической энергии в электрическую на основе моноэнергоблока, построенного на базе линейного двигателя внутреннего сгорания со свободным поршнем [2-5]. На подвижном поршне устанавливаются постоянные магниты, а электрические катушки размещаются на неподвижном корпусе. При движении поршня с магнитами внутри катушек вырабатывается электрическая энергия. По своим энергетическим характеристикам такой электрогенератор внутреннего сгорания (ЭГВС) намного превосходит двухблочную энергоустановку, а по коэффициенту полезного действия приближается к топливным элементам. Другие важные преимущества ЭГВС данной конструкции для преобразования энергии:Recently, new devices have been developed for converting chemical energy into electrical energy on the basis of a monoenergoblock built on the basis of a linear internal combustion engine with a free piston [2-5]. Permanent magnets are mounted on the movable piston, and electric coils are placed on a fixed housing. When a piston with magnets moves inside the coils, electrical energy is generated. According to its energy characteristics, such an internal combustion electric generator (EHWS) is much superior to a two-unit power plant, and in terms of efficiency it approaches fuel cells. Other important advantages of the EHF of this design for energy conversion:
- уменьшение числа движущихся деталей за счет исключения коленчатого вала и шатунов, которые входят в конструкцию ДВС;- reducing the number of moving parts due to the exclusion of the crankshaft and connecting rods, which are included in the design of the internal combustion engine;
- повышение жесткости и механической надежности конструкции двигателя;- increasing the rigidity and mechanical reliability of the engine structure;
- повышение ресурса и механического КПД двигателя вследствие упрощения конструкции;- increased resource and mechanical efficiency of the engine due to simplification of the design;
- возможность динамического изменения степени сжатия в процессе работы не механическими способами, а установкой параметров системы управления. Возможность работы на больших степенях сжатия;- the ability to dynamically change the degree of compression during operation not by mechanical means, but by setting the parameters of the control system. Ability to work at high compression ratios;
- возможность работы с различными видами топлива, в том числе, на низкокалорийном топливе и на смесях бедного состава;- the ability to work with various types of fuel, including low-calorific fuel and mixtures of poor composition;
- реализация различных режимов воспламенения и сгорания топлива;- implementation of various ignition and fuel combustion modes;
- исключение стартера для запуска ДВС, так как вследствие обратимого действия генератора, система обладает свойством самозапуска;- the exception of the starter to start the internal combustion engine, since due to the reversible action of the generator, the system has the self-starting property;
- снижение расходов на производство.- reduction of production costs.
По своим энергетическим характеристикам такой электрогенератор внутреннего сгорания намного превосходит двухблочную энергоустановку, а по коэффициенту полезного действия ~40% приближается к топливным элементам.By its energy characteristics, such an internal combustion electric generator is much superior to a two-unit power plant, and in terms of efficiency ~ 40% it approaches fuel cells.
Становится возможной применение модульной конструкции двигательной установки в виде нескольких распределенных блоков, что приводит к новым принципам компоновки транспортных средств, а также повышает ее надежность при использовании в военных и других критических областях транспортной техники.It becomes possible to use the modular design of the propulsion system in the form of several distributed units, which leads to new principles of vehicle layout, and also increases its reliability when used in military and other critical areas of transport equipment.
Однако приведенные в [2-5] конструкции обладают существенными недостатками. Основные из них:However, the designs given in [2-5] have significant drawbacks. The main ones are:
1. Опасность столкновения поршней в двухпоршневой схеме генератора или удара поршня о торец цилиндра в однопоршневой схеме генератора на некоторых режимах работы при высокой степени сжатия. В обычном ДВС верхняя мертвая точка траектории поршня задается геометрией кривошипно-шатунного механизма, а в ДВС со свободным поршнем она зависит от степени сжатия и скорости сгорания топливовоздушной смеси. То есть, поршень тормозится противодавлением в камере. Как следствие, длительность тактов и верхняя мертвая точка могут меняться. А это значит, что при сбое в работе форсунки поршень может удариться в торец цилиндра. Возможность катастрофического удара подвижного поршня о крышку неподвижного цилиндра ограничивает степень сжатия величиной порядка 20. Для сбалансированной работы двигателя также необходим специальный механизм, который бы нивелировал разницу в процессах сгорания топлива в каждом из рабочих объемов.1. The danger of collision of pistons in a two-piston generator circuit or impact of a piston on the cylinder end in a single-piston generator circuit in some operating modes with a high compression ratio. In a conventional internal combustion engine, the top dead center of the piston path is defined by the geometry of the crank mechanism, and in an internal combustion engine with a free piston it depends on the degree of compression and the rate of combustion of the air-fuel mixture. That is, the piston is inhibited by the back pressure in the chamber. As a result, the cycle time and top dead center can vary. This means that if the nozzle malfunctions, the piston can hit the cylinder end. The possibility of a catastrophic shock of the movable piston against the cover of the fixed cylinder limits the compression ratio to about 20. For balanced engine operation, a special mechanism is also needed that would offset the difference in the processes of fuel combustion in each of the working volumes.
2. Система ЭГВС с одним свободным поршнем и двумя торцевыми камерами сгорания принципиально не сбалансирована, поэтому работа такого ЭГВС происходит с сильными вибрациями, если отсутствует массивная основа.2. The EHM system with one free piston and two end combustion chambers is fundamentally unbalanced; therefore, the operation of such an EHM system occurs with strong vibrations if there is no massive base.
3. Система ЭГВС с двумя свободными поршнями, перемещающимися в противоположных направлениях, и одной центральной камерой сгорания теоретически может быть сбалансированной. Однако такой генератор нуждается в сложной электронной системе управления и коррекции движения каждого поршня для обеспечения их синхронного движения.3. The EHF system with two free pistons moving in opposite directions and one central combustion chamber can theoretically be balanced. However, such a generator needs a complex electronic control system and motion correction of each piston to ensure their synchronous movement.
Таким образом, существующие системы ЭГВС требуют сложных систем электронного контроля и управления за движением поршня из-за опасения его удара о крышку цилиндра, а в конструкции с двумя противоположно движущимися поршнями в одном цилиндре - из-за сложности организации синхронного движения поршней. Эти недостатки ограничивают КПД и возможность работать с очень бедными смесями у системы ЭГВС. Снижение КПД происходит также из-за конструктивной сложности обеспечения очень малого зазора между магнитами поршня и обмотками цилиндра.Thus, existing EHF systems require sophisticated electronic control and monitoring systems for the movement of the piston because of the fear of its impact on the cylinder cover, and in a design with two oppositely moving pistons in one cylinder, because of the complexity of organizing the synchronous movement of the pistons. These shortcomings limit the efficiency and the ability to work with very poor mixtures in the EHF system. Efficiency reduction is also due to the structural complexity of providing a very small gap between the piston magnets and the cylinder windings.
В [6] предложена конструкция роторно-лопастного ДВС, состоящего из корпуса двигателя и двух роторов - лопастей, которые в положении задней стенки камеры сгорания стопорятся стопорным устройством. ДВС связан с электродвигателями-генераторами, при этом ротор одного электродвигателя-генератора связан с одним ротором роторно-лопастного ДВС, ротор другого электродвигателя-генератора связан с другим ротором роторно-лопастного ДВС, а статоры электродвигателей-генераторов связаны с корпусом роторно-лопастного ДВС. Данная конструкция имеет сложный и не эффективный двухблочный принцип компоновки с раздельными ДВС и электрогенераторами.In [6], the design of a rotary-blade ICE consisting of an engine casing and two rotors — blades — which are locked by a locking device in the position of the rear wall of the combustion chamber, was proposed. An internal combustion engine is connected to electric motors-generators, while the rotor of one electric motor-generator is connected to one rotor of a rotary-vane internal combustion engine, the rotor of another electric motor-generator is connected to another rotor of a rotary-vane internal combustion engine, and the stators of electric motors-generators are connected to the body of the rotary-vane internal combustion engine. This design has a complex and inefficient two-block layout principle with separate internal combustion engines and electric generators.
В [7] предложена конструкция свободнопоршневого ДВС линейного и роторного типа для превращения химической энергии топливно-воздушной смеси в нем в механическую. Известное устройство [7] включает свободный поршень, движущийся в цилиндрическом корпусе, снабженном впускным и выпускным клапанами и механизмом передачи энергии к внешней нагрузке, в котором цилиндрический корпус выполнен подвижным с возможностью поступательного или вращательного движения и соединен через приводы однонаправленного действия с двумя вращающимися в противоположных направлениях маховиками, связанными между собой и внешней нагрузкой единой трансмиссией. В данной конструкции преобразование химической энергии топливно-воздушной смеси в механическую осуществляют путем сжатия и сжигания топливно-воздушной смеси в ДВС со свободным поршнем или ротором, при этом механическая работа совершается при расширении продуктов сгорания и снимается в механическую нагрузку через свободный цилиндр или корпус ДВС.In [7], the design of a free-piston ICE of a linear and rotary type was proposed for converting the chemical energy of the fuel-air mixture into mechanical energy. The known device [7] includes a free piston moving in a cylindrical body equipped with inlet and outlet valves and a mechanism for transferring energy to an external load, in which the cylindrical body is movable with the possibility of translational or rotational movement and is connected through unidirectional drives with two rotating in opposite directions by flywheels, interconnected and external load by a single transmission. In this design, the conversion of the chemical energy of the fuel-air mixture into mechanical energy is carried out by compressing and burning the fuel-air mixture in an internal combustion engine with a free piston or rotor, while mechanical work is performed when the combustion products expand and are removed into mechanical load through a free cylinder or engine body.
Данная конструкция сложна и не эффективна, поскольку не позволяет организовать непосредственное без использования механических приводов преобразование химическую энергию топливно-воздушной смеси в электрическую.This design is complex and not effective, because it does not allow the direct conversion of chemical energy of the fuel-air mixture into electrical energy without the use of mechanical drives.
Наиболее близкими к предлагаемому устройству являются конструкция ЭГВС на основе линейного ДВС [5] с одним свободным поршнем и неподвижным цилиндром. Она обладает всеми перечисленными выше недостатками, присущими ЭГВС на основе линейного ДВС.Closest to the proposed device are the design of the EHF based on a linear internal combustion engine [5] with one free piston and a fixed cylinder. It has all the above disadvantages inherent in EHF based on a linear internal combustion engine.
Таким образом, решаемая техническая проблема заключается в том, что у существующих электрогенераторов внутреннего сгорания основной недостаток - принципиальная разбалансировка, приводящая к сильным вибрациям при работе такого ЭГВС, недостаточно высокий КПД из-за ограничения степени сжатия и невозможности обеспечить малый зазор между магнитами на поршне и катушками на цилиндре, для сбалансированной работы существующих электрогенераторов требуются сложные системы управления, что усложняет их конструкцию, возникают проблемы в работе таких установок на смесях очень бедного состава.Thus, the technical problem to be solved is that the main drawback of existing internal combustion electric generators is a fundamental imbalance, which leads to strong vibrations during the operation of such an EHF, insufficient efficiency due to the limitation of the degree of compression and the inability to provide a small gap between the magnets on the piston and coils on the cylinder, for the balanced operation of existing generators requires complex control systems, which complicates their design, there are problems in operation Akiho installations on very poor mixtures composition.
Технический результат заключается в достижении высокого уровня сбалансированности в работе заявленного электрогенератора, упрощение конструкции, в увеличении степени сжатия топливно-воздушной смеси от 50 и выше, увеличении КПД до 50% и выше, при работе на смесях очень бедного состава,The technical result consists in achieving a high level of balance in the operation of the claimed generator, simplifying the design, increasing the degree of compression of the fuel-air mixture from 50 and above, increasing efficiency to 50% and above, when working on mixtures of very poor composition,
Решение поставленной технической проблемы достигается предлагаемым устройством для преобразования химической энергии топливно-воздушной смеси в электрическую, включающее цилиндр, свободный поршень, выполненный с возможностью поступательного движения в цилиндре, снабженном впускными и выпускными клапанами, электромагнитную систему.The solution of the technical problem posed is achieved by the proposed device for converting the chemical energy of the fuel-air mixture into electric, including a cylinder, a free piston, made with the possibility of translational movement in a cylinder equipped with inlet and outlet valves, an electromagnetic system.
Отличительной особенностью устройства является то, что цилиндр выполнен свободным, электромагнитная система содержит магниты, электрообмотки и магнитопровод, при этом магниты или магнитопровод расположены на свободном поршне, электрообмотки с магнитопроводом или магниты с электрообмотками установлены на свободный цилиндр.A distinctive feature of the device is that the cylinder is made free, the electromagnetic system contains magnets, electrical windings and a magnetic circuit, while the magnets or magnetic circuit are located on a free piston, electrical windings with a magnetic circuit or magnets with electrical windings are mounted on a free cylinder.
В другом варианте устройство для преобразования химической энергии топливно-воздушной смеси в электрическую включает цилиндр, свободный поршень, выполненный с возможностью поступательного движения в цилиндре, снабженном впускными и выпускными клапанами, электромагнитную систему. Отличительной особенностью заявленного устройства является то, что магниты или магнитопровод установлены на свободный цилиндр, а электрообмотки с магнитопроводом или магниты с электрообмотками размещены в кольцевой системе вокруг свободного цилиндра.In another embodiment, a device for converting chemical energy of a fuel-air mixture into electrical energy includes a cylinder, a free piston made with the possibility of translational movement in a cylinder equipped with inlet and outlet valves, an electromagnetic system. A distinctive feature of the claimed device is that magnets or a magnetic circuit are mounted on a free cylinder, and electric windings with a magnetic circuit or magnets with electric windings are placed in an annular system around a free cylinder.
В другом варианте устройство для преобразования химической энергии топливно-воздушной смеси в электрическую включает корпус, ротор, выполненный с возможностью колебательно - вращательного движения в корпусе, снабженном впускными и выпускными клапанами, электромагнитную систему. Отличительной особенностью заявленного устройства в таком варианте является то, что ротор и корпус выполнены свободными, свободный ротор связан с кольцевой системой, причем кольцевая система и свободный корпус снабжены электромагнитной системой.In another embodiment, a device for converting chemical energy of a fuel-air mixture into electrical energy includes a housing, a rotor made with the possibility of oscillatory-rotational movement in a housing equipped with inlet and outlet valves, an electromagnetic system. A distinctive feature of the claimed device in this embodiment is that the rotor and the housing are made free, the free rotor is connected to the ring system, and the ring system and the free case are equipped with an electromagnetic system.
Электромагнитная система устройства содержит магниты, электрообмотки и магнитопровод.The electromagnetic system of the device contains magnets, electrical windings and a magnetic circuit.
Магниты или магнитопровод в таком устройстве установлены на свободном корпусе.Magnets or a magnetic circuit in such a device are mounted on a free housing.
Электрообмотки с магнитопроводом или магниты с электрообмотками в таком устройстве размещены в кольцевой системе вокруг свободного корпуса.Electrical windings with a magnetic circuit or magnets with electrical windings in such a device are placed in an annular system around a free housing.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере нескольких предпочтительных вариантов его возможного осуществления (в линейном и роторном вариантах) со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:Below the invention is described in more detail by the example of several preferred options for its possible implementation (in linear and rotary versions) with reference to the accompanying drawings, which show:
на фиг. 1 - осевой разрез части устройства, выполненного в соответствии с настоящим изобретением (линейный вариант с электромагнитной системой). Устройство содержит свободный цилиндр (1)и свободный поршень (2), свободный цилиндр (1) снабжен впускными (3) и выпускными (4) клапанами. Магниты (5) расположены на свободном поршне (2), и электрообмотки с магнитопроводом (6) установлены на свободный цилиндр (1);in FIG. 1 is an axial section through a portion of a device made in accordance with the present invention (a linear version with an electromagnetic system). The device contains a free cylinder (1) and a free piston (2), a free cylinder (1) is equipped with inlet (3) and outlet (4) valves. The magnets (5) are located on the free piston (2), and the electrical windings with the magnetic circuit (6) are mounted on the free cylinder (1);
на фиг. 2 - осевой разрез части устройства, выполненного в соответствии с другим вариантом (линейный вариант с электромагнитной системой). Устройство содержит свободный цилиндр (1) и свободный поршень (2), свободный цилиндр (1) снабжен впускными (3) и выпускными (4) клапанами. Магнитопровод (6) установлен на свободный цилиндр (1), магниты (5) с электрообмотками размещены в кольцевой системе вокруг свободного цилиндра (1);in FIG. 2 is an axial section through a portion of a device made in accordance with another embodiment (a linear embodiment with an electromagnetic system). The device contains a free cylinder (1) and a free piston (2), a free cylinder (1) is equipped with inlet (3) and outlet (4) valves. The magnetic circuit (6) is mounted on a free cylinder (1), magnets (5) with electric windings are placed in an annular system around a free cylinder (1);
на фиг. 3 - осевой разрез части устройства, выполненного в соответствии с другим вариантом (роторный вариант с электромагнитной системой). Устройство содержит свободный корпус (7) и свободный ротор (8), свободный корпус (7) снабжен впускными (3) и выпускными (4) клапанами, магнитопровод (6) установлен на свободный корпус (7),магниты (5)с электрообмотками размещены в кольцевой системе вокруг свободного корпуса(7). Свободный ротор (8) связан с электромагнитной системой.in FIG. 3 is an axial section through a portion of a device made in accordance with another embodiment (rotary version with an electromagnetic system). The device contains a free housing (7) and a free rotor (8), a free housing (7) is equipped with inlet (3) and exhaust (4) valves, a magnetic circuit (6) is mounted on a free housing (7), magnets (5) with electrical windings are placed in a ring system around a free housing (7). The free rotor (8) is connected to the electromagnetic system.
В вариантах исполнения генератора, когда магнитопровод установлен на свободном поршне и магниты с электрообмотками на свободный цилиндр существенно упрощается конструкция, увеличивается надежность устройства за счет улучшения температурного режима для магнитов.In versions of the generator, when the magnetic circuit is mounted on a free piston and magnets with electric windings on a free cylinder, the design is greatly simplified, the reliability of the device is increased by improving the temperature regime for magnets.
Заявленное устройство работает следующим образом.The claimed device operates as follows.
Свободный поршень (2) при своем возвратно-поступательном движении сжимает воздух, например, в левой полости устройства, в которую через впускной клапан (3) во время такта сжатия впрыскивается топливо. В варианте адиабатического сжатия топливно-воздушной смеси бедного состава, не способной к самостоятельному горению, происходит ее нагрев до высокой температуры порядка 1000 K. В результате нагрева скорость реакций химического превращения возрастает по экспоненциальному закону и происходит объемное выделение тепловой энергии, приводящее к дополнительному увеличению давления сжатого газа. Свободный поршень (2) и свободный цилиндр (1) начинают двигаться в противоположных направлениях. В момент прохождения поршнем выпускного клапана (4) последний открывается и происходит истечение продуктов химической реакции из левой полости и ее продувка воздухом через открывающийся впускной клапан (3). Свободный поршень(2) при своем дальнейшем движении совершает аналогичный цикл в правой полости устройства. Свободный поршень (2) перемещает магниты (5) или магнитопровод (6) в полости электромагнитной системы, в которой возникает электрический ток, передающийся в нагрузку. Подобным образом передается энергия движения поршня в правом направлении. Рассмотренный режим работы состоит из двух тактов: сжатие с впрыском топлива - рабочий ход с продувкой. Возможна также работа устройства в режиме четырех тактов: продувка-впрыск топлива - сжатие - рабочий ход.The free piston (2) compresses air during its reciprocating movement, for example, in the left cavity of the device into which fuel is injected through the inlet valve (3) during the compression stroke. In the variant of adiabatic compression of a fuel-air mixture of poor composition, incapable of independent combustion, it is heated to a high temperature of the order of 1000 K. As a result of heating, the rate of chemical transformation reactions increases exponentially and there is a volumetric release of thermal energy, leading to an additional increase in pressure compressed gas. The free piston (2) and the free cylinder (1) begin to move in opposite directions. At the moment the piston passes the exhaust valve (4), the latter opens and the products of the chemical reaction flow from the left cavity and are purged with air through the opening inlet valve (3). The free piston (2) during its further movement performs a similar cycle in the right cavity of the device. A free piston (2) moves the magnets (5) or the magnetic circuit (6) in the cavity of the electromagnetic system, in which an electric current is transmitted to the load. Similarly, the energy of movement of the piston in the right direction is transmitted. The considered operating mode consists of two clock cycles: compression with fuel injection - a stroke with a purge. The device can also operate in four-cycle mode: purge-fuel injection - compression - stroke.
В вариантах исполнения генератора, представленного на фиг. 2, когда свободный поршень (2) не содержит магнитов (не показаны на рисунке), он играет роль инерционной стенки. Магнитопровод (6) (или магниты (5)) размещен на свободном цилиндре (1), а электрообмотки с магнитами (5) (или магниты (5) с магнитопроводом (6)) неподвижны и размещается в кольцевой системе вокруг свободного цилиндра (1). В этих вариантах магниты (5) вынесены из свободного цилиндра (1) и это существенно упрощает конструкцию, увеличивает надежность генератора. Работа впускного (3) и выпускного (4) клапанов происходит аналогично варианту фиг. 1.In the embodiments of the generator of FIG. 2, when the free piston (2) does not contain magnets (not shown in the figure), it plays the role of an inertial wall. The magnetic circuit (6) (or magnets (5)) is placed on a free cylinder (1), and the electrical windings with magnets (5) (or magnets (5) with a magnetic circuit (6)) are stationary and are placed in a ring system around a free cylinder (1) . In these embodiments, the magnets (5) are removed from the free cylinder (1) and this greatly simplifies the design and increases the reliability of the generator. The operation of the inlet (3) and outlet (4) valves occurs similarly to the embodiment of FIG. one.
Размещение электромагнитной системы вне свободного цилиндра (1) позволяет значительно уменьшить зазор между движущимися частями электромагнитной системы (до 0.1 мм), что приводит к увеличению магнитного потока, а, следовательно, к увеличению КПД преобразования химической энергии в электрическую. Перенос тяжелых магнитов (5) и электрообмоток на кольцевую систему вокруг свободного цилиндра (1) существенно уменьшает вес свободного поршня (2) и свободного цилиндра (1) (в линейном варианте) что приводит к увеличению частоты их колебаний и, следовательно, к увеличению КПД преобразования химической энергии в электрическую.Placing the electromagnetic system outside the free cylinder (1) can significantly reduce the gap between the moving parts of the electromagnetic system (up to 0.1 mm), which leads to an increase in magnetic flux, and, consequently, to an increase in the efficiency of conversion of chemical energy into electrical energy. The transfer of heavy magnets (5) and electric windings to the ring system around the free cylinder (1) significantly reduces the weight of the free piston (2) and free cylinder (1) (in the linear version), which leads to an increase in the frequency of their oscillations and, therefore, to an increase in efficiency conversion of chemical energy into electrical energy.
Возможна реализация многоцилиндровой системы при объединении и одновременном использовании нескольких подобных устройств при их работе на общую нагрузку.It is possible to implement a multi-cylinder system when combining and simultaneously using several similar devices when they work on a common load.
В роторном варианте (фиг. 3) свободный ротор (8) связан с подвижной кольцевой электромагнитной системой, устанавливаемой вокруг свободного (подвижного) корпуса (7). В данном варианте магниты (5) вынесены из свободного корпуса (7) и это существенно упрощает конструкцию, увеличивает надежность генератора, а связь свободного ротора (8) с подвижной кольцевой электромагнитной системой обеспечивает идеальную сбалансированность работы генератора.In the rotor version (Fig. 3), a free rotor (8) is connected to a movable ring electromagnetic system mounted around a free (movable) housing (7). In this embodiment, the magnets (5) are removed from the free housing (7) and this greatly simplifies the design, increases the reliability of the generator, and the connection of the free rotor (8) with a movable ring electromagnetic system ensures perfect balance of the generator.
Работа генератора в роторном варианте подобна работе генератора, описанной для варианта фиг. 1. свободный ротор (8) при своем возвратно-вращательном движении сжимает воздух попеременно в левой и правой полостях устройства, который поступает через выпускной клапан (4) и соответствующий впускной(3) клапан. Во время такта сжатия впрыскивается топливо. Свободный корпус (7) с магнитопроводом (6) перемещается в полости электромагнитной системы, в которой возникает электрический ток, передающийся в нагрузку. Истечение продуктов химической реакции происходит через выпускной клапан (4) и соответствующий впускной(3) клапан во время такта расширения.The operation of the generator in the rotor version is similar to the operation of the generator described for the embodiment of FIG. 1. the free rotor (8) during its reverse-rotational movement compresses the air alternately in the left and right cavities of the device, which enters through the exhaust valve (4) and the corresponding inlet (3) valve. During the compression stroke, fuel is injected. A free housing (7) with a magnetic circuit (6) moves in the cavity of the electromagnetic system in which an electric current is transmitted to the load. The outflow of chemical reaction products occurs through the outlet valve (4) and the corresponding inlet (3) valve during the expansion stroke.
В описанных конструкциях устройства нет проблемы удара свободного поршня (ротора) о головку свободного цилиндра (корпуса) при большой степени сжатия в случае сбоя в работе форсунки, поскольку цилиндр (корпус) также свободный. Снимается также серьезная проблема электронного контроля работы ДВС и управления системой подачи топлива. По существу, реализуется схема «идеального» сбалансированного роторного электрогенератора с той только особенностью, что движение «якоря» и «статора» обусловлено прямым действием давления от сжигания топливовоздушной смеси. При взаимном перемещении свободного цилиндра или свободного корпуса с магнитами (магнитопроводом) относительно неподвижной или связанной с ротором системой электрообмоток или магнитов с электрообмотками, происходит изменение магнитного потока, и в электрообмотке индуцируется ЭДС. Отметим, что и в линейном и в роторном вариантах относительная скорость перемещения магнитов относительно электрообмоток выше, по сравнению с вариантом с неподвижной электромагнитной системой. Это увеличивает эффективность ЭГВС. В роторном варианте возможна подача свежей смеси и выпуск продуктов сгорания через полый вал с клапанами оконного типа, что существенно упрощает и облегчает конструкцию ЭГВС.In the described constructions of the device there is no problem of hitting a free piston (rotor) against the head of a free cylinder (body) with a high degree of compression in case of a malfunction of the nozzle, since the cylinder (body) is also free. The serious problem of the electronic control of the internal combustion engine and the control of the fuel supply system is also removed. In essence, a scheme of an “ideal” balanced rotary electric generator is implemented with the only peculiarity that the movement of the “armature” and “stator” is due to the direct action of pressure from burning the air-fuel mixture. When the free cylinder or free housing is mutually moved with magnets (magnetic core) relatively stationary or connected to the rotor by the system of electrical windings or magnets with electrical windings, a change in the magnetic flux occurs, and EMF is induced in the electrical winding. Note that in both linear and rotary versions, the relative speed of the magnets relative to the electrical windings is higher compared to the version with a fixed electromagnetic system. This increases the effectiveness of EHF. In the rotor version, it is possible to supply a fresh mixture and release combustion products through a hollow shaft with window-type valves, which greatly simplifies and facilitates the design of the EHF.
Принципиальным результатом проведенных испытаний является установление возможности непосредственного, минуя механические приводы, преобразования химической энергии топлива в электрическую.The principal result of the tests carried out is the establishment of the possibility of direct, bypassing mechanical drives, converting the chemical energy of fuel into electrical energy.
В предполагаемой конструкции химическая энергия топлива при его сжатии и сжигании преобразуется в электрическую энергию при взаимном движении свободного цилиндра или корпуса, снабженных электромагнитной системой. Возможны варианты линейного и роторного ЭГВС.In the proposed design, the chemical energy of the fuel when it is compressed and burned is converted into electrical energy during the mutual movement of a free cylinder or housing equipped with an electromagnetic system. There are options for linear and rotary EHF.
Полученные нами результаты позволили предложить конструкцию ЭГВС для преобразования химической энергии топливно-воздушных смесей в электрическую, принципиально отличающиеся от известных (см. таблицу 1). В конструкции генератора со свободными поршнем (ротором) и цилиндром (корпусом) возможно существенное увеличение степени сжатия до 50, что обеспечивает увеличение КПД до 50 и выше, возможность работы на смесях очень бедного состава, обеспечивающее улучшение экологических характеристик ЭГВС.Our results made it possible to propose the design of an EHWS for converting the chemical energy of fuel-air mixtures into electric, fundamentally different from the known ones (see table 1). In the design of the generator with a free piston (rotor) and cylinder (housing), a significant increase in the compression ratio up to 50 is possible, which provides an increase in efficiency up to 50 and higher, the ability to work on mixtures of very poor composition, providing improved environmental characteristics of the EHF.
Результаты расчетов подтверждают, что электрическое КПД для заявленных вариантов ГВС составляет от 50 и более %.The calculation results confirm that the electrical efficiency for the declared options for hot water is from 50% or more.
Входные параметры для выполнения расчета: линейный генератор с внутренним расположением магнитов длиной 400 мм, диаметром 80 мм, длиной поршня 120 мм. Массы поршня и цилиндра одинаковы 3 кг, горение метано-воздушной смеси с коэффициентом избытка воздуха 1.5, степень сжатия 20-40, давление сжатия 60-80 атм.Input parameters for the calculation: linear generator with an internal arrangement of magnets 400 mm long, 80 mm in diameter, piston length 120 mm. The masses of the piston and cylinder are the same 3 kg, the combustion of a methane-air mixture with an excess air coefficient of 1.5, a compression ratio of 20-40, a compression pressure of 60-80 atm.
В отличие от процесса горения смеси в цилиндре обычного ДВС, где неравномерное смешение топлива с воздухом приводит к неполному сгоранию топлива и, следовательно, к ухудшению экономических и экологических характеристик двигателя, в предлагаемой конструкции со свободными поршнем (ротором) и цилиндром (корпусом) возможна высокая полнота химического превращения по всему объему сжимаемого газа при высокой степени сжатия без опасения столкновения свободных элементов, поскольку скорость процесса слабо зависит от локальной концентрации топлива. В смесях, не способных к самостоятельному горению и для смеси с большим избытком окислителя снижаются требования к продувке цилиндра перед его заполнением свежей порцией смеси. Это упрощает конструкцию устройства, делает эффективным использование двухтактного цикла работы устройства, расширяется класс возможных топлив. Из-за снижения рабочей температуры уменьшаются тепловые потери, а увеличенный рабочий ход свободного поршня по сравнению с обычным ДВС позволяет уменьшить температуру "холодильника" и тем самым увеличить термодинамический КПД устройства. Важным достоинством устройства является возможность регулирования его мощности в более широком диапазоне изменения состава смеси. При связанной работе нескольких устройств отсутствует необходимость синхронизации движения перемещающихся элементов, если система идеально сбалансирована.In contrast to the combustion process of the mixture in the cylinder of a conventional ICE, where uneven mixing of fuel with air leads to incomplete combustion of the fuel and, consequently, to a deterioration in the economic and environmental characteristics of the engine, a high design with a free piston (rotor) and cylinder (housing) is possible completeness of chemical transformation over the entire volume of the compressible gas at a high degree of compression without fear of collision of free elements, since the process rate weakly depends on the local liva. In mixtures not capable of self-combustion and for mixtures with a large excess of oxidizing agent, the requirements for purging the cylinder before filling it with a fresh portion of the mixture are reduced. This simplifies the design of the device, makes efficient use of the push-pull cycle of the device, expands the class of possible fuels. Due to a decrease in the operating temperature, heat losses are reduced, and the increased working stroke of the free piston as compared with a conventional ICE allows to reduce the temperature of the “refrigerator” and thereby increase the thermodynamic efficiency of the device. An important advantage of the device is the ability to control its power in a wider range of changes in the composition of the mixture. With the connected operation of several devices, there is no need to synchronize the movement of moving elements, if the system is perfectly balanced.
Использование изобретения позволит добиться превращения химической энергии топлива в электрическую при уменьшении вредных компонентов в продуктах химического превращения, увеличить полноту химического превращения, расширить класс используемых топлив и за счет снижения тепловых потерь, увеличения термодинамического и электрического КПД и упрощения конструкции и сбалансированной работы устройства повысить его эффективность.Using the invention will make it possible to convert the chemical energy of fuel into electrical energy while reducing harmful components in the products of chemical conversion, to increase the completeness of chemical conversion, to expand the class of fuels used and by reducing heat loss, increasing thermodynamic and electrical efficiency and simplifying the design and balanced operation of the device to increase its efficiency .
Список документовList of documents
1. Газопоршневая электростанция. Патент РФ № 2411378, F02B 63/04.1. Gas piston power plant. RF patent No. 2411378, F02B 63/04.
2. Васильев Ю.Н. и др. Свободнопоршневые двигатели-компрессоры для газовой промышленности. Ж. "Газовая промышленность", №2, 1992,2. Vasiliev Yu.N. and other free-piston engines-compressors for the gas industry. J. "Gas industry", No. 2, 1992,
3. Blarigan P.V. 2001. Advanced internal combustion electrical generator // Proceedings of the 2001 DOE Hydrogen Program Review. 23 p.3. Blarigan P.V. 2001. Advanced internal combustion electrical generator // Proceedings of the 2001 DOE Hydrogen Program Review. 23 p.
4. Духанин В.И., Кецарис А.А. Анализ конструкции автомобильного генератора возвратно-поступательного движения // Известия МГТУ «МАМИ», 2012, №2(14). С. 97-104.4. Dukhanin V.I., Ketsaris A.A. Analysis of the design of the automobile generator of reciprocating motion // News of MSTU "MAMI", 2012, No. 2 (14). S. 97-104.
5. Patent US 6541875 B1, May 17, 2000.5. Patent US 6541875 B1, May 17, 2000.
6. Патент РФ 2237817, 09.01.2003.6. RF patent 2237817, 01/09/2003.
7. Патент РФ 2138656, 26.06.1998.7. RF patent 2138656, 06/26/1998.
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018137655A RU2703114C1 (en) | 2018-10-25 | 2018-10-25 | Device for conversion of chemical energy of fuel-air mixture into electric energy (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018137655A RU2703114C1 (en) | 2018-10-25 | 2018-10-25 | Device for conversion of chemical energy of fuel-air mixture into electric energy (versions) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2703114C1 true RU2703114C1 (en) | 2019-10-15 |
Family
ID=68280127
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018137655A RU2703114C1 (en) | 2018-10-25 | 2018-10-25 | Device for conversion of chemical energy of fuel-air mixture into electric energy (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2703114C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2809423C1 (en) * | 2023-01-18 | 2023-12-11 | Глеб Владимирович Пономаренко | Piston internal combustion engine with linear generator |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2154176C2 (en) * | 1998-10-02 | 2000-08-10 | Квашенников Валерий Валентинович | Two-stroke axial engine |
| US6199519B1 (en) * | 1998-06-25 | 2001-03-13 | Sandia Corporation | Free-piston engine |
| WO2001040620A1 (en) * | 1999-11-29 | 2001-06-07 | Shell Internationale Research Maatschappij B.V. | Downhole electric power generator |
| US6541875B1 (en) * | 2000-05-17 | 2003-04-01 | Caterpillar Inc | Free piston engine with electrical power output |
| RU2230911C2 (en) * | 2000-09-12 | 2004-06-20 | Соколов Геннадий Дмитриевич | Adjustable power output rotary-piston internal combustion engine |
| RU2269016C1 (en) * | 2004-08-09 | 2006-01-27 | Владимир Абрамович Намиот | Method of and device for rotary conversion of internal combustion energy into electric energy |
-
2018
- 2018-10-25 RU RU2018137655A patent/RU2703114C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6199519B1 (en) * | 1998-06-25 | 2001-03-13 | Sandia Corporation | Free-piston engine |
| RU2154176C2 (en) * | 1998-10-02 | 2000-08-10 | Квашенников Валерий Валентинович | Two-stroke axial engine |
| WO2001040620A1 (en) * | 1999-11-29 | 2001-06-07 | Shell Internationale Research Maatschappij B.V. | Downhole electric power generator |
| US6541875B1 (en) * | 2000-05-17 | 2003-04-01 | Caterpillar Inc | Free piston engine with electrical power output |
| RU2230911C2 (en) * | 2000-09-12 | 2004-06-20 | Соколов Геннадий Дмитриевич | Adjustable power output rotary-piston internal combustion engine |
| RU2269016C1 (en) * | 2004-08-09 | 2006-01-27 | Владимир Абрамович Намиот | Method of and device for rotary conversion of internal combustion energy into electric energy |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2809423C1 (en) * | 2023-01-18 | 2023-12-11 | Глеб Владимирович Пономаренко | Piston internal combustion engine with linear generator |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6532916B2 (en) | Opposed piston linearly oscillating power unit | |
| EP2516826B1 (en) | Combustion management system | |
| US20090179424A1 (en) | Internal combustion engine driven turbo-generator for hybrid vehicles and power generation | |
| JP6588532B2 (en) | Free piston engine | |
| US7000402B2 (en) | Compound gas turbine engines and methods of operation thereof | |
| US8365698B2 (en) | Hybrid cycle combustion engine and methods | |
| WO1987001414A1 (en) | Shaft power generator | |
| JP2005520964A (en) | Internal combustion engine | |
| EP2516825A1 (en) | A piston | |
| CN110462171B (en) | Heat engine | |
| RU2703114C1 (en) | Device for conversion of chemical energy of fuel-air mixture into electric energy (versions) | |
| RU2144990C1 (en) | Fuel-electric converter | |
| US20150260092A1 (en) | Rotary internal combustion engine with two opposite turbines | |
| WO2020141981A1 (en) | Drive system comprising counter-rotating internal combustion engine with counter-rotating power output shafts | |
| US20070137609A1 (en) | True rotary internal combustion engine | |
| JPS6069201A (en) | Internal combustion engine | |
| RU2411379C2 (en) | Linear electric hydrodynamic internal combustion engine by va kushchenko | |
| CN109113860B (en) | Miniature free piston generator with compound combustion chamber structure | |
| RU2522253C1 (en) | Eight-cylinder plunger-free engine | |
| RU2152523C1 (en) | Internal combustion engine | |
| CN116163835B (en) | Variable fuel and variable stroke efficient linear internal combustion generator and working method | |
| US20150337725A1 (en) | Combined driving system of an electric energy generator with the utilization of the pressure potential of a high-energy medium generated in the form of a mixture of exhaust gases and compressed air with the aid of a motor with rocking pistons with an integrated compressor section | |
| US12078085B2 (en) | Combined thermodynamic cycle with high energy recovery | |
| WO2012080709A1 (en) | Free piston engine generator | |
| WO2012047124A1 (en) | A pistonless rotary stirling engine |