RU2809423C1 - Piston internal combustion engine with linear generator - Google Patents

Piston internal combustion engine with linear generator Download PDF

Info

Publication number
RU2809423C1
RU2809423C1 RU2023100983A RU2023100983A RU2809423C1 RU 2809423 C1 RU2809423 C1 RU 2809423C1 RU 2023100983 A RU2023100983 A RU 2023100983A RU 2023100983 A RU2023100983 A RU 2023100983A RU 2809423 C1 RU2809423 C1 RU 2809423C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cylinder
piston
internal combustion
linear generator
combustion chamber
Prior art date
Application number
RU2023100983A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Глеб Владимирович Пономаренко
Original Assignee
Глеб Владимирович Пономаренко
Filing date
Publication date
Application filed by Глеб Владимирович Пономаренко filed Critical Глеб Владимирович Пономаренко
Application granted granted Critical
Publication of RU2809423C1 publication Critical patent/RU2809423C1/en

Links

Abstract

FIELD: engine building.
SUBSTANCE: invention is intended for efficient conversion of energy from various types of hydrocarbon fuels into electrical energy. A piston internal combustion engine with linear generator 18 is proposed, containing cylinder 1 made of non-magnetic material, on the end sides of which there are internal combustion engine semi-cylinders, each of which on the end side contains a combustion chamber, valve 6, 11 for adjusting the volume and compression ratio, ventilation valve 7, 12, injector 8, 13 and spark plug 9, and the parts of the semi-cylinders closest to the linear generator contain exhaust channels 5, 10. In the central part of the cylinder, on the outer side, stator 3 of linear generator 18 is installed with the possibility of connecting it to external load 15. The piston unit is represented by one shuttle 2, made with the possibility of free movement along the entire length of the cylinder from the combustion chamber of one half-cylinder to the combustion chamber of the opposite half-cylinder and consists of connected right and left pistons with sealing rings, between which an inductor represented by permanent magnets is installed.
EFFECT: ensuring high power density, reducing weight and dimensions, simplifying the design of an internal combustion engine (ICE) with a linear generator.
1 cl, 11 dwg

Description

Область техникиField of technology

Изобретение относится к области применения двигателей внутреннего сгорания и электротехники и предназначено для эффективного преобразования энергии различных видов углеводородного топлива в электрическую.The invention relates to the field of application of internal combustion engines and electrical engineering and is intended for the efficient conversion of energy from various types of hydrocarbon fuels into electrical energy.

Уровень техникиState of the art

Из уровня техники известны линейные генераторы, например, генератор по патенту РФ №2517712 для получения электрической энергии. Линейные генераторы обеспечивают возвратно-поступательное движение цилиндра с магнитом в цилиндре, при этом энергия вырабатывается электроиндукционной катушкой, а движение поршня (цилиндра) обеспечивается давлением текущей среды в торцевых частях корпуса (цилиндра)Linear generators are known from the prior art, for example, the generator according to RF patent No. 2517712 for generating electrical energy. Linear generators provide reciprocating motion of a cylinder with a magnet in the cylinder, while the energy is generated by an electric induction coil, and the movement of the piston (cylinder) is ensured by the pressure of the flowing medium in the end parts of the housing (cylinder)

Также известны различные линейные двигатели внутреннего сгорания, они существенно проще классических двигателей внутреннего сгорания, так как в их конструкции полностью исключена такая массивная и сложная система деталей, как «кривошипно-шатунный механизм»Various linear internal combustion engines are also known; they are significantly simpler than classical internal combustion engines, since their design completely eliminates such a massive and complex system of parts as a “crank mechanism”

Линейные двигатели внутреннего сгорания делятся на: оппозитно поршневые двигатели с внешним сжатием; с противоположным поршнем и внутренним сжатием; однопоршневые одностороннего действия с возвратным механизмом; свободнопоршневые и свободнопоршневые двойного действия.Linear internal combustion engines are divided into: opposed piston engines with external compression; with opposing piston and internal compression; single-piston, single-acting with a return mechanism; free-piston and double-acting free-piston.

Недостатками перечисленных выше двигателей являются механизмы и системы выработки электроэнергии или передачи момента, при которых теряется собственно КПД самого двигателя.The disadvantages of the engines listed above are the mechanisms and systems for generating electricity or transmitting torque, in which the actual efficiency of the engine itself is lost.

Для эффективной выработки электроэнергии совместно с линейными двигателями внутреннего сгорания используются линейные генераторы так, например:To efficiently generate electricity, linear generators are used in conjunction with linear internal combustion engines, for example:

известен ЛИНЕЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ-ГЕНЕРАТОР по патенту РФ №2462605, состоящий из вертикально стоящего на опорной плите оребренного снаружи рабочего цилиндра, заглушенного с нижнего конца, содержащий форсунку впрыска топлива в нижней части цилиндра, отверстия для впуска воздуха и выпуска выхлопных газов, открываемые и запираемые телом поршня; двигающегося по каналу цилиндра вверх-вниз поршня с компрессионными кольцами и штоком, на котором неподвижно закреплены постоянные магниты; обмотки генератора неподвижно закреплены над цилиндром и внутри них двигаются вверх-вниз закрепленные на штоке постоянные магниты. Недостатком данного устройства является сравнительно низкий КПД двигателя, неравномерность скорости поршня и как следствие выработки энергии.known LINEAR MOTOR-GENERATOR according to RF patent No. 2462605, consisting of a working cylinder standing vertically on a base plate, finned on the outside, plugged from the lower end, containing a fuel injection nozzle in the lower part of the cylinder, holes for air intake and exhaust gases, opened and locked by the body piston; a piston moving up and down along the channel of the cylinder with compression rings and a rod on which permanent magnets are fixedly fixed; The generator windings are fixedly fixed above the cylinder and permanent magnets attached to the rod move up and down inside them. The disadvantage of this device is the relatively low engine efficiency, uneven piston speed and, as a consequence, energy production.

Помимо упомянутого выше решения из уровня техники известны различные решения, использующие двигателей внутреннего сгорания со свободным поршнем для привода линейного электрогенератора, при этом для возврата поршня в обратное положение используются различные решения: пружины, жидкие рабочие тела, газ. Генераторы данного типа обладают очень большим потенциалом, могут работать на очень большой частоте обеспечивая высокий КПД в течение продолжительного времени.In addition to the solution mentioned above, various solutions are known from the prior art using internal combustion engines with a free piston to drive a linear electric generator, while various solutions are used to return the piston to the reverse position: springs, liquid working fluids, gas. Generators of this type have very high potential and can operate at very high frequencies providing high efficiency for a long time.

Наиболее близкое решение, принятое за прототип описано в патенте США US9567898, высокоэффективный линейный двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр, имеющий стенку цилиндра и пару концов, причем цилиндр включает секцию сгорания, расположенную в центральной части цилиндра; пара противолежащих поршневых узлов, выполненных с возможностью линейного перемещения внутри цилиндра, причем каждый поршневой узел расположен на одной стороне секции сгорания напротив другого поршневого узла, каждый поршневой узел включает пружинный шток, а поршень содержит сплошную переднюю часть, примыкающую к секции сгорания и газовая секция; и пару линейных электромагнитных машин, приспособленных для прямого преобразования кинетической энергии поршневого узла в электрическую энергию. Двухцилиндровый двигатель предложенной схемы имеет поршневую группу, состоящую из двух поршней, соединенных жестким штоком. Циклически повторяющееся давление газов в процессе сгорания топлива сообщает поршневой группе возвратно-поступательное движение. В плоскости симметрии штока, между поршнями на штоке закреплена подвижная магнитная система. Подвижная магнитная система размещается внутри конструкции статора с системой обмоток. При возвратно-поступательном движении штока с закрепленной на нем магнитной системой внутри статора и взаимодействия их магнитных полей происходит возникновение электродвижущей силы в обмотках статора.The closest prior art solution described in US Pat. No. 9,567,898, a high efficiency linear internal combustion engine comprises a cylinder having a cylinder wall and a pair of ends, the cylinder including a combustion section located in a central portion of the cylinder; a pair of opposing piston units configured to move linearly within the cylinder, each piston unit located on one side of the combustion section opposite the other piston unit, each piston unit includes a spring rod, and the piston includes a solid front portion adjacent to the combustion section and a gas section; and a pair of linear electromagnetic machines adapted to directly convert the kinetic energy of the piston assembly into electrical energy. The two-cylinder engine of the proposed design has a piston group consisting of two pistons connected by a rigid rod. The cyclically repeating gas pressure during the combustion process imparts reciprocating motion to the piston group. In the plane of symmetry of the rod, a movable magnetic system is fixed to the rod between the pistons. The moving magnetic system is located inside the stator structure with a winding system. When the rod with a magnetic system attached to it moves back and forth inside the stator and their magnetic fields interact, an electromotive force arises in the stator windings.

Недостатком данного решения является недостаточная мощность и количество поршневых деталей.The disadvantage of this solution is the insufficient power and number of piston parts.

Раскрытие изобретенияDisclosure of the Invention

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение высокой удельной мощности генерации электроэнергии. The technical problem to be solved by the claimed invention is to ensure high power density of electricity generation.

Технический результат заявленного изобретения заключается в том, что обеспечивается высокая удельная мощность за счет конструкции линейного генератора и двигателя внутреннего сгорания с одним поршневым узлом.The technical result of the claimed invention is that high power density is ensured due to the design of a linear generator and an internal combustion engine with a single piston unit.

Для достижения указанного технического результата поршневой двигатель внутреннего сгорания с линейным генератором, содержащий цилиндр из немагнитного материала, по торцевым сторонам которого располагаются полуцилиндры двигателя внутреннего сгорания, каждый из которых с торцевой стороны содержит камеру сгорания, клапан регулировки объема и степени сжатия, вентиляционный клапан, форсунку и свечу зажигания, в центральной части цилиндра с внешней стороны установлен статор линейного генератора с возможностью его соединения с внешней нагрузкой, при этом поршневой узел представлен одним челноком, выполненным с возможностью свободного движения по всей длине цилиндра от одной камеры сгорания полуцилиндра до другой камеры сгорания противоположного полуцилиндра и состоящего из соединенных правого и левого поршней с уплотнительными кольцами, между которыми установлен индуктор представленный постоянными магнитами, крайние к линейному генератору части полуцилиндров содержат выхлопные каналы.To achieve the specified technical result, a piston internal combustion engine with a linear generator containing a cylinder made of non-magnetic material, on the end sides of which there are half-cylinders of the internal combustion engine, each of which on the end side contains a combustion chamber, a valve for adjusting the volume and compression ratio, a ventilation valve, an injector and a spark plug, in the central part of the cylinder on the outer side there is a stator of a linear generator with the possibility of connecting it to an external load, while the piston unit is represented by one shuttle, made with the possibility of free movement along the entire length of the cylinder from one combustion chamber of the semi-cylinder to the other combustion chamber of the opposite half-cylinder and consisting of connected right and left pistons with sealing rings, between which an inductor represented by permanent magnets is installed, the parts of the half-cylinders outermost to the linear generator contain exhaust channels.

Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что:The combination of the above essential features leads to the fact that:

Существенно уменьшается масса электроустановки и увеличивается удельная мощность по сравнению с существующими энергоустановками;The weight of the electrical installation is significantly reduced and the power density increases compared to existing power plants;

Существенно увеличивается объем цилиндров на единицу массы, что позволяет сделать малогабаритную мощную энергетическую установку;The volume of cylinders per unit mass increases significantly, which makes it possible to create a small-sized powerful power plant;

Увеличение мощности двигателя можно произвести путем простого удлинения цилиндра, без изменения конструкции агрегатов в и системы управления;An increase in engine power can be achieved by simply lengthening the cylinder, without changing the design of the units and control system;

Повышается КПД двигателя и всей установки в целом за счет режима полного расширения газов в цилиндре;The efficiency of the engine and the entire installation as a whole increases due to the mode of complete expansion of gases in the cylinder;

Появляется возможность динамического изменения в каждом такте в широких пределах объема камеры сгорания и степени сжатия путем электронного управления;It becomes possible to dynamically change the volume of the combustion chamber and the compression ratio in each stroke over a wide range by electronic control;

Уменьшение числа движущихся деталей до одного поршневого узла;Reducing the number of moving parts to one piston unit;

Упрощение конструкции, отсутствие направляющих возвратно-поступательного движения.Simplification of the design, absence of reciprocating motion guides.

За счет высокой скорости перемещения индуктора относительно статора линейного генератора увеличить ЭДС, уменьшить сечение проводов катушек статора и снизить вес генератора;Due to the high speed of movement of the inductor relative to the stator of the linear generator, increase the EMF, reduce the cross-section of the wires of the stator coils and reduce the weight of the generator;

Возможна реализация оптимальных режимов сгорания топлива, в том числе и гомогенное воспламенение бедных смесей (режим сгорания HCCI). Потенциал для снижения вредных выбросов.It is possible to implement optimal fuel combustion modes, including homogeneous ignition of lean mixtures (HCCI combustion mode). Potential for reducing harmful emissions.

Краткое описание чертежейBrief description of drawings

На фиг. 1 показана схема поршневого двигателя, на которой позициями обозначены:In fig. 1 shows a diagram of a piston engine, on which the positions indicate:

1 - Цилиндр поршневого двигателя;1 - Piston engine cylinder;

2 - Поршневой узел двигателя;2 - Engine piston unit;

3 - Статор линейного генератора;3 - Linear generator stator;

4 - Обмотки статора линейного генератора;4 - Stator windings of the linear generator;

5 - Левый выхлопной канал с патрубком;5 - Left exhaust duct with pipe;

6 - Левый клапан регулировки объема камеры сгорания и степени сжатия;6 - Left valve for adjusting combustion chamber volume and compression ratio;

7 - Левый лепестковый вентиляционный клапан;7 - Left petal ventilation valve;

8 - Форсунка впрыска топлива в левый полуцилиндр;8 - Fuel injection nozzle into the left half-cylinder;

9 - Свеча зажигания левого полуцилиндра;9 - Spark plug of the left half-cylinder;

10 - Правый выхлопной канал с патрубком;10 - Right exhaust duct with pipe;

11 - Правый клапан регулировки степени сжатия;11 - Right valve for adjusting the compression ratio;

12 - Правый лепестковый вентиляционный клапан;12 - Right petal ventilation valve;

13 - Форсунка впрыска топлива в правый полуцилиндр;13 - Fuel injection nozzle into the right half-cylinder;

14 - Свеча зажигания правого полуцилиндра;14 - Spark plug of the right half-cylinder;

15 - Нагрузка генератора;15 - Generator load;

16 - Левый полуцилиндр;16 - Left half-cylinder;

17 - Правый полуцилиндр;17 - Right half-cylinder;

18 - Линейный генератор.18 - Linear generator.

На Фиг. 2 показана схема поршневого узла, включающая в себя:In FIG. Figure 2 shows a diagram of the piston unit, including:

19 - Левый поршень с уплотнительными кольцами;19 - Left piston with sealing rings;

20 - Правый поршень с уплотнительными кольцами;20 - Right piston with sealing rings;

21 - Соединительный стержень;21 - Connecting rod;

22 - Индуктор линейного генератора в виде набора постоянных магнитов.22 - Linear generator inductor in the form of a set of permanent magnets.

На Фиг. 3-8 приведен рабочий цикл левого полуцилиндра, где обозначены:In FIG. 3-8 shows the working cycle of the left half-cylinder, where the following are indicated:

5 - Левый выхлопной канал с патрубком;5 - Left exhaust duct with pipe;

6 - Левый клапан регулировки объема камеры сгорания и степени сжатия;6 - Left valve for adjusting combustion chamber volume and compression ratio;

7 - Левый лепестковый вентиляционный клапан;7 - Left petal ventilation valve;

8 - Форсунка впрыска топлива в левый полуцилиндр;8 - Fuel injection nozzle into the left half-cylinder;

9 - Свеча зажигания левого полуцилиндра.9 - Spark plug of the left half-cylinder.

На фиг. 9 приведены диаграммы зависимости давления от объема (P-V диаграмма) для режима полного расширения, а на фиг. 10 и фиг. 11 P-V диаграмма и для режима максимальной мощности для длинны полуцилиндра 1 метр и диаметра 100 мм.In fig. 9 shows diagrams of pressure versus volume (P-V diagram) for the full expansion mode, and FIG. 10 and fig. 11 P-V diagram and for maximum power mode for a half-cylinder length of 1 meter and a diameter of 100 mm.

Осуществление изобретенияCarrying out the invention

Описание устройства и работы отдельных его узлов.Description of the device and the operation of its individual components.

Ниже приведен пример конкретного выполнения устройства, который не ограничивает варианты его исполнения.Below is an example of a specific design of the device, which does not limit its design options.

Предлагаемый поршневой двигатель отличается от аналогов тем, что энергия, возникающая в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, преобразуется в кинетическую энергию поршня, свободно разгоняющегося по цилиндру до максимальной скорости, при этом между двумя цилиндрами, в которых происходит преобразование химической энергии топлив в давление по принципу двигателей внутреннего сгорания, расположен - разгонный ствол по которому движется поршневой узел (поршень).The proposed piston engine differs from its analogues in that the energy generated in the cylinder of an internal combustion engine is converted into the kinetic energy of the piston, which freely accelerates along the cylinder to maximum speed, between two cylinders in which the chemical energy of fuels is converted into pressure according to the principle of engines internal combustion, located - the accelerating barrel along which the piston unit (piston) moves.

Кинетическая энергия поршневого узла, полученная в результате преобразования давления в цилиндрах в скорость, отбирается в узле отбора мощности и преобразуется в электроэнергию, так же для сжатия топливно-воздушной смеси используется также кинетическая энергия поршневого узла, оставшаяся после отбора мощности.The kinetic energy of the piston unit, obtained as a result of converting the pressure in the cylinders into speed, is selected in the power take-off unit and converted into electricity, and the kinetic energy of the piston unit remaining after the power take-off is also used to compress the fuel-air mixture.

Объем цилиндра, камеры сгорания и степени сжатия могут меняться от цикла к циклу с помощью специальных регулировочных клапанов, расположенных в каждом из двух цилиндров.Cylinder volume, combustion chamber and compression ratios can be varied from cycle to cycle using special control valves located in each of the two cylinders.

Устройство позволяет реализовать режим полного расширения газа в цилиндре до атмосферного давления для разгона поршневого узла, что увеличит КПД двигателя.The device makes it possible to implement a mode of complete expansion of the gas in the cylinder to atmospheric pressure to accelerate the piston unit, which will increase the engine efficiency.

Схема поршневого двигателя внутреннего сгорания, интегрированного с линейным генератором приведена на Фиг. 1A diagram of a piston internal combustion engine integrated with a linear generator is shown in Fig. 1

Поршневой двигатель состоит из цилиндра 1, закрытого с двух сторон. Цилиндр 1 выполнен из немагнитного материала и имеет гладкие полированные внутренние стенки, как у обыкновенного цилиндра двигателя внутреннего сгорания. Цилиндр 1 подразделяется на правый 17 и левый 16 полуцилиндры, между которыми расположен линейный генератор 18. По цилиндру 1 движется поршневой узел 2, совершающий возвратно-поступательное движение.The piston engine consists of a cylinder 1, closed on both sides. Cylinder 1 is made of non-magnetic material and has smooth polished inner walls, like an ordinary cylinder of an internal combustion engine. Cylinder 1 is divided into right 17 and left 16 half-cylinders, between which a linear generator 18 is located. A piston unit 2 moves along cylinder 1, performing a reciprocating movement.

Всеми процессами, как и в любом другом двигателе внутреннего сгорания, руководит система управления (не показана на чертежах). Она контролирует положение челнока и его скорость с помощью специальных датчиков (не показаны на чертежах) и задает циклограмму работы двигателя путем открытия и закрытия в нужные моменты клапанов, впрыском требуемого количества топлива и подачей напряжения от источников (не показаны на чертежах) на свечи зажигания.All processes, as in any other internal combustion engine, are controlled by a control system (not shown in the drawings). It controls the position of the shuttle and its speed using special sensors (not shown in the drawings) and sets a cyclogram of engine operation by opening and closing valves at the right moments, injecting the required amount of fuel and supplying voltage from sources (not shown in the drawings) to the spark plugs.

На Фиг. 2 изображен поршневой узел 2, который представляет собой правый и левый поршни с соединяющим их стержнем и с уплотнительными кольцами минимальное количество которых 2 с каждой стороны, между которыми на стержне располагается набор постоянных магнитов количество которых зависит от мощности и габаритов, минимальное количество 3 шт. Магниты выполняют роль индуктора линейного генератора.In FIG. Figure 2 shows piston assembly 2, which consists of right and left pistons with a rod connecting them and with sealing rings, a minimum number of which is 2 on each side, between which on the rod there is a set of permanent magnets, the number of which depends on the power and dimensions, the minimum quantity is 3 pcs. The magnets act as an inductor for a linear generator.

Полуцилиндры могут строиться для работы по любому из существующих циклов двигателя внутреннего сгорания - по циклу Отто с искровым зажиганием, по циклу Дизеля, а также с использованием компрессионного воспламенения гомогенных бедных смесей (режим сгорания HCCI).Half-cylinders can be built to operate on any of the existing cycles of an internal combustion engine - the Otto cycle with spark ignition, the Diesel cycle, as well as using compression ignition of homogeneous lean mixtures (HCCI combustion mode).

На Фиг. 1 изображен двигатель с искровым зажиганием и непосредственным впрыском топлива.In FIG. 1 shows a spark ignition engine with direct fuel injection.

Каждый полуцилиндр 16 или 17 содержит:Each half-cylinder 16 or 17 contains:

В торцевых частях цилиндра 1 (полуцилиндрах 16 и 17):In the end parts of cylinder 1 (half-cylinders 16 and 17):

- свечи зажигания 9, установленные на торцах цилиндра 1 - камеры сгорания (не показаны на фигурах);- spark plugs 9 installed at the ends of cylinder 1 - combustion chamber (not shown in the figures);

- клапан регулировки объема камеры сгорания и степени сжатия 6 или 11, который представляет собой обыкновенный седельный клапан, открываемый и закрываемый соленоидом по командам системы управления двигателем;- a valve for adjusting the combustion chamber volume and compression ratio 6 or 11, which is an ordinary seat valve, opened and closed by a solenoid according to commands from the engine control system;

- форсунку, применяемую в топливных системах двигателей внутреннего сгорания 8 или 13 для впрыска топлива в левый или в правый полуцилиндр соответственно;- an injector used in the fuel systems of internal combustion engines 8 or 13 to inject fuel into the left or right half-cylinder, respectively;

- лепестковые вентиляционный клапан 7 и 12.- petal ventilation valve 7 and 12.

В обратных частях полуцилиндров 16, 17 относительно камер сгорания топлива установлены выхлопные каналы правый 10 и левый 5 с патрубками.In the reverse parts of the semi-cylinders 16, 17 relative to the fuel combustion chambers, right 10 and left 5 exhaust ducts with pipes are installed.

Линейный генератор 18 состоит из статора 3 линейного генератора, который расположен вокруг центральной части цилиндра 1, с внешней его стороны. Конструкция линейных генераторов идентична известным решениям и описана в прототипе. Катушки статора 3 соединены с внешней нагрузкой 15.The linear generator 18 consists of a linear generator stator 3, which is located around the central part of the cylinder 1, on its outer side. The design of linear generators is identical to known solutions and is described in the prototype. Stator coils 3 are connected to external load 15.

Заявленное изобретение по фиг. 1-3 представляет собой и устройство, работающее по принципу двигателя внутреннего сгорания, преобразующее давление, создаваемое рабочим телом при нагреве в кинетическую энергию разгоняемого свободного снаряда, коим является поршневой узел 2.The claimed invention according to FIG. 1-3 is also a device that operates on the principle of an internal combustion engine, converting the pressure created by the working fluid when heated into the kinetic energy of an accelerating free projectile, which is the piston unit 2.

Эта энергия отбирается в пространстве между двумя полуцилиндрами 16 и 17 либо с помощью линейного генератора 18.This energy is selected in the space between two half-cylinders 16 and 17 or using a linear generator 18.

По сути заявляемое устройство является двумя «пушками» - камерами сгорания, направленными друг против друга, «стреляющими» поочередно челноком 2. По дороге от одной «пушке» к другой происходит отбор мощности с помощью линейного генератора 18 и «снаряд» - поршневой узел 2 замедляется, приходя в противоположную «пушку» с нужной для организации сжатия скоростью. В качестве оппозитных «пушек» выступают полуцилиндры 16 и 17, в которых реализуются процессы, характерные для цилиндров двигателей внутреннего сгорания, с рабочим циклом с искровым зажиганием или Дизеля, а также режим сгорания с компрессионным зажиганием обедненной гомогенной смеси (HCCI).In essence, the claimed device is two “guns” - combustion chambers directed against each other, “firing” alternately with a shuttle 2. On the way from one “gun” to another, power is taken off using a linear generator 18 and a “projectile” - piston unit 2 slows down, arriving at the opposite “gun” at the speed necessary to organize compression. The semi-cylinders 16 and 17 act as opposed “guns”, in which processes characteristic of the cylinders of internal combustion engines with a spark ignition or Diesel operating cycle are implemented, as well as a combustion mode with compression ignition of a lean homogeneous mixture (HCCI).

Размеры полуцилиндров диаметр и длина, а также размер всего генератора практически ничем не ограничены.The dimensions of the semi-cylinders, diameter and length, as well as the size of the entire generator, are practically unlimited.

Минимальный диаметр цилиндра 1 может быть ограничен только возможностями установки свечей и клапанов.The minimum diameter of cylinder 1 can only be limited by the installation capabilities of spark plugs and valves.

Максимально возможный диаметр цилиндра 1 ограничивается только условиями применения, например, для энергетической установки, сопоставимой по мощности установке ледокола «Арктика» (два реактора по 160 МВт) потребуется цилиндр диаметром 1,8 метра и длинной полуцилиндра 20 метров.The maximum possible diameter of cylinder 1 is limited only by the conditions of use, for example, for a power plant comparable in power to the installation of the icebreaker "Arktika" (two reactors of 160 MW each) a cylinder with a diameter of 1.8 meters and a half-cylinder length of 20 meters will be required.

Максимальная длина не имеет никаких конструктивных ограничений.The maximum length has no design restrictions.

В классическом двигателе внутреннего сгорания длина цилиндра ограничена размерами кривошипно-шатунного механизма. В приведенных прототипах препятствием наращиванию длины цилиндра являются прочностные характеристики штоков, соединяющих поршни.In a classic internal combustion engine, the length of the cylinder is limited by the dimensions of the crank mechanism. In the above prototypes, an obstacle to increasing the length of the cylinder is the strength characteristics of the rods connecting the pistons.

В челночном двигателе нет никаких конструктивных ограничений для увеличения длины.In a shuttle motor there are no design restrictions for increasing length.

Не меняя диаметр цилиндра 1 и не меняя размеры и конструкцию поршневого узла 2, можно без ограничений увеличивать длину полуцилиндра, при этом, пропорционально увеличивается объем камеры сгорания и рабочий объем полуцилиндра, а также скорость челнока и мощность генератора в целом.Without changing the diameter of cylinder 1 and without changing the dimensions and design of piston unit 2, it is possible to increase the length of the half-cylinder without restrictions, while the volume of the combustion chamber and the working volume of the half-cylinder, as well as the speed of the shuttle and the power of the generator as a whole, increase proportionally.

Примеры осуществленияExamples of implementation

Описание работы двигателя с искровым зажиганием Цикл работы челночного двигателя состоит из четырех циклов:Description of the operation of a spark ignition engine The operating cycle of a shuttle engine consists of four cycles:

1. Рабочий цикл левого полуцилиндра 16;1. Duty cycle of the left half-cylinder 16;

2. Торможение при поступательном движении с генерацией энергии;2. Braking during forward motion with energy generation;

3. Рабочий цикл правого полуцилиндра 17;3. Duty cycle of the right half-cylinder 17;

4. Торможение при возвратном движении с генерацией энергии.4. Braking during return motion with energy generation.

Рабочий цикл левого полуцилиндраDuty cycle of the left half-cylinder

На Фиг. 3. приведено начало цикла. В начальной точке челнок движется влево с некоторой заданной скоростью, которая осталась после этапа отбора мощности. Началом цикла можно считать момент пересечением левого поршня челнока 2 выхлопного патрубка 5. Лепестковый вентиляционный клапан 7 закрыт, а клапан регулировки объема камеры сгорания и степени сжатия - 6 (КРКС) принудительно открыт и зафиксирован.In FIG. 3. The beginning of the cycle is shown. At the starting point, the shuttle moves to the left at a certain specified speed, which remains after the power take-off stage. The beginning of the cycle can be considered the moment when the left piston of the shuttle 2 intersects the exhaust pipe 5. The petal ventilation valve 7 is closed, and the valve for adjusting the volume of the combustion chamber and the compression ratio - 6 (KRKS) is forced open and fixed.

Поршневой узел 2 движется к точке сжатия и через КРКС 6 выходит воздух из полуцилиндра 16 в атмосферу.The piston unit 2 moves to the compression point and air exits from the semi-cylinder 16 into the atmosphere through the KRKS 6.

На Фиг. 4. изображен момент начала сжатия. Начальная точка сжатия определяется системой управления исходя из нескольких параметров:In FIG. 4. shows the moment the compression begins. The starting point of compression is determined by the control system based on several parameters:

- требуемого объема камеры сгорания;- the required volume of the combustion chamber;

- требуемого давления в камере сгорания после сжатия, связанного с применяемым в классических ДВС параметром «степень сжатия»;- the required pressure in the combustion chamber after compression, associated with the “compression ratio” parameter used in classic internal combustion engines;

- реальной скоростью поршневого узла после отбора мощности.- real speed of the piston unit after power take-off.

При достижении начальной точки сжатия система управления закрывает клапан 6, происходит впрыск топлива в нужной дозе и начинается процесс сжатия топливно-воздушной смеси в камере сгорания.When the initial compression point is reached, the control system closes valve 6, fuel is injected in the required dose, and the process of compressing the fuel-air mixture in the combustion chamber begins.

На Фиг. 5 изображен момент окончания сжатия. Он характерен тем, что вся кинетическая энергия движущегося поршневого узла 2 переходит в потенциальную энергию сжатия, и он останавливается. В этот момент полается искра, топливно-воздушная смесь воспламеняется, и давление в камере сгорания увеличивается.In FIG. 5 shows the moment of completion of compression. It is characterized by the fact that all the kinetic energy of the moving piston unit 2 is converted into potential compression energy, and it stops. At this moment, a spark fires, the fuel-air mixture ignites, and the pressure in the combustion chamber increases.

На Фиг. 6. изображен процесс рабочего разгона поршневого узла 2 (по аналогии с рабочим ходом в ДВС). Под действием давления поршневой узел 2 начинает движение вправо, разгоняясь по цилиндру 1. Газ при этом совершает адиабатическое расширение.In FIG. 6. shows the process of working acceleration of piston unit 2 (by analogy with the working stroke in an internal combustion engine). Under the influence of pressure, piston assembly 2 begins to move to the right, accelerating through cylinder 1. At the same time, the gas undergoes adiabatic expansion.

Начальное ускорение разгона зависит от начального давления в камере сгорания, площади поршня и массы поршневого узла. При адиабатическом расширении давление в полуцилиндре падает по мере движения челнока вправо. Пока избыточное давление больше нуля, челнок продолжает увеличивать скорость.The initial acceleration acceleration depends on the initial pressure in the combustion chamber, the area of the piston and the mass of the piston assembly. During adiabatic expansion, the pressure in the half-cylinder drops as the shuttle moves to the right. As long as the excess pressure is greater than zero, the shuttle continues to increase speed.

Конец разгона наступает при достижении поршневого узла выхлопного патрубка, сила, двигающая поршневой узел прекратится, и он начнет двигаться по инерции.The end of acceleration occurs when the piston assembly of the exhaust pipe is reached; the force moving the piston assembly will stop and it will begin to move by inertia.

На Фиг. 7 изображен процесс вентиляции или продувки полуцилиндра.In FIG. 7 shows the process of ventilation or purging of a half-cylinder.

Выхлопной патрубок 5 открывается и под действием оставшиеся после расширения давления отработанные газы устремляются в атмосферу с большой скоростью.The exhaust pipe 5 opens and, under the influence of pressure expansion, the exhaust gases remaining after expansion rush into the atmosphere at high speed.

Через некоторое время в полуцилиндре возникнет разрежение, которое приведет к открытию лепесткового вентиляционного клапана 7. Наружный воздух начнет поступать в полуцилиндр, замещая отработанные газы.After some time, a vacuum will arise in the semi-cylinder, which will lead to the opening of the petal ventilation valve 7. Outside air will begin to enter the semi-cylinder, replacing the exhaust gases.

Для усиления эффекта может быть принудительно открыт и клапан 6 регулировки камеры сгорания. За время возврата поршневого узла 2 в точку начала цикла полуцилиндр может быть полностью провентилирован.To enhance the effect, valve 6 for adjusting the combustion chamber can also be forced open. During the return of the piston unit 2 to the starting point of the cycle, the semi-cylinder can be completely ventilated.

В отличии от решения, принятого за прототип, в заявляемом решении:Unlike the solution adopted for the prototype, in the claimed solution:

1. Поршневой узел движется в цилиндре свободно от одного полуцилиндра к другому, не ограниченный никакими направляющими, кроме самого цилиндра.1. The piston assembly moves freely in the cylinder from one half-cylinder to another, not limited by any guides other than the cylinder itself.

2. Результатом рабочего цикла в полуцилиндре является разгон поршневого узла до максимально возможной скорости, то есть максимальное накопление кинетической энергии, в отличии от большинства двигателей внутреннего сгорания, где давление в камере сгорания и в цилиндре превращается в силу.2. The result of the working cycle in a semi-cylinder is the acceleration of the piston assembly to the maximum possible speed, that is, the maximum accumulation of kinetic energy, unlike most internal combustion engines, where the pressure in the combustion chamber and in the cylinder is converted into force.

Термодинамический цикл челночного двигателя с искровым зажиганиемThermodynamic cycle of a spark-ignition shuttle engine

Диаграммы зависимости давления от объема (P-V диаграмма) для режима полного расширения и для режима максимальной мощности для длинны полуцилиндра 1 метр и диаметра 100 мм приведены на Фигурах. 10 и 11. Общий объем цилиндра составляет 7,85 литра.Diagrams of pressure versus volume (P-V diagram) for the full expansion mode and for the maximum power mode for a half-cylinder length of 1 meter and a diameter of 100 mm are shown in the Figures. 10 and 11. The total volume of the cylinder is 7.85 liters.

Термодинамические циклы двигателя могут отличаться объемом камеры сгорания, которую выбирает система управления от цикла к циклу исходя из внешних параметров, в первую очередь, сообразуясь с нагрузкой. Объем цилиндра и камеры сгорания определяется положением начальной тоски сжатия. На фигуре 10 приведен цикл для режима полного расширения. Начальная точка сжатия подобрана так, что газ в конце полуцилиндра 1 расширяется до атмосферного давления, и вся энергия расширения превращается в работу разгона. Этот режим характерен повышенным КПД и малым расходом топлива на кВт мощности.Thermodynamic cycles of the engine may differ in the volume of the combustion chamber, which is selected by the control system from cycle to cycle based on external parameters, primarily in accordance with the load. The volume of the cylinder and combustion chamber is determined by the position of the initial compression force. Figure 10 shows the cycle for the full expansion mode. The starting point of compression is selected so that the gas at the end of half-cylinder 1 expands to atmospheric pressure, and all the expansion energy is converted into acceleration work. This mode is characterized by increased efficiency and low fuel consumption per kW of power.

Следует отметить, что режим полного расширения является по сути режимом минимальной мощности, поскольку дальнейшее уменьшение камеры сгорания приведет к тому, что в конце полуцилиндра давление будет ниже атмосферного и возникшее разряжение будет тормозить поршневой узел 2.It should be noted that the full expansion mode is essentially a minimum power mode, since a further reduction in the combustion chamber will lead to the fact that at the end of the semi-cylinder the pressure will be below atmospheric pressure and the resulting vacuum will slow down the piston unit 2.

Дальнейшее наращивание объема камеры сгорания приведет к увеличению мощности. Одновременно повысится давление на выхлопе.Further increase in the volume of the combustion chamber will lead to an increase in power. At the same time, the exhaust pressure will increase.

Наибольший объем камеры сгорания получается при начальной точке сжатия, расположенной в начале полуцилиндра. Это можно считать режимом максимальной мощности. Диаграмма режима приведена на фигуре 11.The largest volume of the combustion chamber is obtained at the initial compression point located at the beginning of the semi-cylinder. This can be considered maximum power mode. The mode diagram is shown in Figure 11.

Claims (1)

Поршневой двигатель внутреннего сгорания с линейным генератором, характеризующийся тем, что содержит цилиндр из немагнитного материала, по торцевым сторонам которого располагаются полуцилиндры двигателя внутреннего сгорания, каждый из которых с торцевой стороны содержит камеру сгорания, клапан регулировки объема и степени сжатия, вентиляционный клапан, форсунку и свечу зажигания, в центральной части цилиндра с внешней стороны установлен статор линейного генератора с возможностью его соединения с внешней нагрузкой, при этом поршневой узел представлен одним поршнем, выполненным с возможностью свободного движения по всей длине цилиндра от одной камеры сгорания полуцилиндра до другой камеры сгорания противоположного полуцилиндра и состоящим из соединенных правого и левого поршней с уплотнительными кольцами, между которыми установлен индуктор, представленный постоянными магнитами, крайние к линейному генератору части полуцилиндров содержат выхлопные каналы.A piston internal combustion engine with a linear generator, characterized in that it contains a cylinder made of non-magnetic material, on the end sides of which there are half-cylinders of the internal combustion engine, each of which on the end side contains a combustion chamber, a valve for adjusting the volume and compression ratio, a ventilation valve, an injector and spark plug, in the central part of the cylinder on the outer side there is a stator of a linear generator with the possibility of connecting it to an external load, while the piston unit is represented by one piston, made with the possibility of free movement along the entire length of the cylinder from one combustion chamber of the half-cylinder to the other combustion chamber of the opposite half-cylinder and consisting of connected right and left pistons with sealing rings, between which an inductor represented by permanent magnets is installed, the parts of the semi-cylinders outermost to the linear generator contain exhaust channels.
RU2023100983A 2023-01-18 Piston internal combustion engine with linear generator RU2809423C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2809423C1 true RU2809423C1 (en) 2023-12-11

Family

ID=

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3105153A (en) * 1960-08-05 1963-09-24 Exxon Research Engineering Co Free-piston generator of electric current
US4653274A (en) * 1984-03-06 1987-03-31 David Constant V Method of controlling a free piston external combustion engine
US6199519B1 (en) * 1998-06-25 2001-03-13 Sandia Corporation Free-piston engine
DE19943993A1 (en) * 1999-09-14 2001-03-15 Volkswagen Ag Internal combustion engine for motor vehicle, has linear generator with permanent magnet(s) on piston rod moved axially and reciprocally in coil winding when dual piston oscillates
WO2006107866A2 (en) * 2005-04-01 2006-10-12 Heat2Energy Llc Accelerated permanent magnet generator
GB2476495A (en) * 2009-12-24 2011-06-29 Libertine Fpe Ltd Free piston engine
DE102011017248A1 (en) * 2011-04-07 2014-02-13 Vladimir Volchkov Free piston machine e.g. petrol engine has combustion chamber that is connected with connecting/closing off intake valve in heat exchange space, and piston chamber that is connected with connecting/closing off non-return valve
US20180258845A1 (en) * 2017-03-10 2018-09-13 The Government of the United States of America, as represented by the Secretary of Homeland Security Homogeneous charge compression ignition linear generator
RU2703114C1 (en) * 2018-10-25 2019-10-15 Владимир Михайлович ШМЕЛЕВ Device for conversion of chemical energy of fuel-air mixture into electric energy (versions)

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3105153A (en) * 1960-08-05 1963-09-24 Exxon Research Engineering Co Free-piston generator of electric current
US4653274A (en) * 1984-03-06 1987-03-31 David Constant V Method of controlling a free piston external combustion engine
US6199519B1 (en) * 1998-06-25 2001-03-13 Sandia Corporation Free-piston engine
DE19943993A1 (en) * 1999-09-14 2001-03-15 Volkswagen Ag Internal combustion engine for motor vehicle, has linear generator with permanent magnet(s) on piston rod moved axially and reciprocally in coil winding when dual piston oscillates
WO2006107866A2 (en) * 2005-04-01 2006-10-12 Heat2Energy Llc Accelerated permanent magnet generator
GB2476495A (en) * 2009-12-24 2011-06-29 Libertine Fpe Ltd Free piston engine
DE102011017248A1 (en) * 2011-04-07 2014-02-13 Vladimir Volchkov Free piston machine e.g. petrol engine has combustion chamber that is connected with connecting/closing off intake valve in heat exchange space, and piston chamber that is connected with connecting/closing off non-return valve
US20180258845A1 (en) * 2017-03-10 2018-09-13 The Government of the United States of America, as represented by the Secretary of Homeland Security Homogeneous charge compression ignition linear generator
RU2703114C1 (en) * 2018-10-25 2019-10-15 Владимир Михайлович ШМЕЛЕВ Device for conversion of chemical energy of fuel-air mixture into electric energy (versions)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2201219B1 (en) Electromagnetic engine
US7950356B2 (en) Opposed piston electromagnetic engine
US8794198B2 (en) Free piston engine
US7777357B2 (en) Free piston electromagnetic engine
US9032918B2 (en) Free-piston internal combustion engine
US7622814B2 (en) Electromagnetic engine
JP2022188231A (en) High-efficiency linear combustion engine
JP3607909B2 (en) Improvement of free piston engine
US7856714B2 (en) Method of retrofitting an engine
CN109339944B (en) Miniature free piston generator
RU2809423C1 (en) Piston internal combustion engine with linear generator
RU2476699C1 (en) Blowing method of combustion chamber of free-piston two-cylinder power module with common external combustion chamber and linear electric generator
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
CN113685265B (en) Microminiature straight line scavenge device
RU2411379C2 (en) Linear electric hydrodynamic internal combustion engine by va kushchenko
RU2537324C1 (en) Method of compressed air generation by free-piston power module with common external combustion chamber
RU2468224C1 (en) Free-piston double-cylinder energy module of double purpose with common external combustion chamber and linear power generator
RU2152523C1 (en) Internal combustion engine
WO2020075742A1 (en) Engine
RU2525766C1 (en) Circulation of exhaust gases into external combustion chamber of free-piston power module with external combustion chamber
CN117646674A (en) Free piston generator with two-stroke direct-current scavenging structure
WO2022107105A1 (en) Linear oscillating transformer