Двигун внутрішнього згоряння-генератор електричного струму

Изобретение относится к системам., преобразующим химическую энергию сжигаемого топлива в электрическую, а конкретно к двигателям внутреннего сгорания, например дизельным, совмещенным с генераторами электрического тока, и может использоваться как передвижной или стационарный источник электрического тока. Известен свободнопоршневой генератор газа [1] преобразующий химическую энергию топлива в тепловую, тепловую - в механическую возвратнопоступательного движения поршня, а последнюю в энергию сжатого газа. В этом устройстве преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное и соответственно кривошипно-шатунный механизм отсутствует, что уменьшает размеры и металлоемкость устройства, а также потери на трение в нем. Такой свободнопоршневой генератор газа содержит общие признаки с заявляемым изобретением: корпус, выполненный в нем цилиндр, поршни движущиеся в цилиндре и снабженные уплотнительными кольцами, камеру сгорания, форсунку, продувочные и выпускные окна; отличительные признаки: камеры в которых производится всасывание и сжатие газа, клапаны и поршни компрессора с уплотнительными элементами. Энергия с такого устройства используется в виде энергии сжатого газа. Эксплуатация таких устройств для привода различных механизмов вызывает затруднения в связи с малым количеством энергии, передаваемой сжатым газом, низким КПД и высокой металлоемкостью исполнительных двигателей. Для этой цели значительно удобнее использование электрического тока. На уровне функционального обобщения, наиболее близким аналогом (прототипом) является дизель-генератор [2]. Общими признаками прототипа с предлагаемым изобретением являются следующие: превращение химической энергии топлива при его сгорании в тепловую, затем в механическую, а последней в электрическую. Однако в прототипе тепловая энергия преобразуется в механическую энергию возвратно-поступательно движущихся поршней, а затем посредством кривошипно-шатунного механизма, в энергию вращающегося коленвала, последний передает вращение на вал генератора, где механическая энергия преобразуется в электрическую. На конструктивном уровне общими признаками прототипа и предлагаемого изобретения являются наличие двигателя внутреннего сгорания и генератора электрического тока, выполненных в виде отдельных агрегатов. В прототипе они объединяются в одну машину при помощи компенсирующей муфты, соединяющей валы, и общей рамы. Такое устройство имеет большие габариты и металлоемкость, а также сравнительно низкий КПД за счет потерь при многократном преобразовании энергии, В частности, при преобразовании возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала посредством кривошипно-шатунного механизма, возникают значительные боковые давления на поршень, что приводит к дополнительным потерям на трение (50% всех потерь на трение, согласно [3] и увеличивает износ деталей. Наличие кривошипношатунного механизма увеличивает металлоемкость системы и усложняет ее конструкцию. В основу изобретения поставлена задача создания двигателя внутреннего сгорания генератора электрического тока, в котором путем выполнения новой кинематической схемы обеспечивается упрощение конструкции, уменьшение износа и потерь энергии на трение и за счет этого повышение КПД и снижение материалоемкости. Поставленная задача решается тем, что в двигателе внутреннего сгорания - генераторе электрического тока, включающем двигатель внутреннего сгорания и генератор электрического тока, механически соединенные между собой, согласно изобретению, двигатель внутреннего сгорания выполнен в виде корпуса с размещенным в нем цилиндром, в котором с возможностью осевого перемещения помещен поршень, снабженный уплотнительными кольцами, цилиндр оборудован продувочными и выпускными окнами, по обе стороны поршня выполнены рабочие камеры в которых установлены форсунки для впрыска топлива, на торцах поршня жестко закреплены два штока, а генератор электрического тока выполнен в виде электромагнитов, жестко закрепленных на штоках и размещенных внутри электрических катушек, неподвижно соединенных с корпусом и установленных соосно с электромагнитами. Кроме того, в качестве возможных конкретных форм выполнения использовано следующее. Подвод электроэнергии к электромагнитам осуществлен при помощи неподвижного стержня, выполненного из диэлектрического материала, снабженного щетками контактирующими с электропроводящими дорожками, расположенными на внутренней поверхности корпуса электромагнита и соединенными с его обмотками. В центральной части корпуса выполнена кольцевая канавка, соединенная с устройством для подачи масла. На корпусе установлен конечный выключатель, взаимодействующий с корпусом электромагнита и включенный в систему впрыска топлива. Технический результат как следствие совокупности существенных признаков (корпуса с размещенным в нем цилиндром, в котором с возможностью осевого перемещения помещен поршень, несущий уплотнительные кольца, цилиндр, снабженный продувочными и выпускными окнами, по обе стороны поршни выполнены рабочие камеры, в которых установлены форсунки для впрыска топлива, на торцах поршня неподвижно закреплены два штока, на которых жестко закреплены электромагниты, размещенные внутри электрических катушек, неподвижно соединенных с корпусом и установленных соосно с электромагнитами, заключается в изменении кинематической схемы и упрощении конструкции, что проявляется в отсутствии дополнительных передаточных устройств (типа кривошипно-шатунного механизма и соединительной муфты), и осуществлении рабочего процесса (сжигания топлива) по обе стороны поршня и генерировании электрического тока не при вращательном, а при возвратнопоступа-тельном перемещении элементов генератора. Согласно [2], механический КПД двухтактного дизельного двигателя составляет 0,7 ... 0,85, причем 76% потерь связаны с трением поршня о стенки цилиндра, трением в подшипниках шатунов и коленчатого вала. Следовательно, в заявляемом устройстве механический КПД повышается до 0,93 ... 0,96. Благодаря тому, что рабочий процесс сгорания топлива осуществляется по обе стороны поршня, дополнительно снижается масса конструкции. Таким образом, сверхсуммарный технический эффект проявляется в упрощении конструкции, уменьшении массы и потерь энергии на трение, а также в уменьшении износа. Уточняющий технический результат как следствие совокупности существенных признаков (подвод электроэнергии к электромагнитам осуществляется при помощи неподвижного стержня, выполненного из диэлектрического материала, снабженного щетками, контактирующими с электропроводящими дорожками, расположенными на внутренней поверхности корпуса электромагнита и соединенными с его обмотками) заключается в подводе электроэнергии (тока возбуждения) от неподвижного корпуса к возвратно-поступательно движущемся электромагниту. Технический результат, как следствие уточняющей совокупности существенных признаков (кольцевой канавки выполненной в центральной части корпуса и соединенной с устройством для подачи масла) заключается в обеспечении смазки поверхностей поршня и цилиндра, что уменьшает их износ и потери энергии на трение. Технический результат, как следствие уточняющей совокупности существенных признаков (конечный выключатель установленный на корпусе, взаимодействующий с корпусом электромагнита и включенный в систему впрыска топлива) заключается в обеспечении синхронизации положения поршня и момента впрыска топлива. На фиг.1 изображен продольный разрез двигателя внутреннего сгорания - генератора электрического тока; на фиг.2 - разрез А - А фиг.1. Устройство содержит корпус 1, в котором выполнена цилиндрическая расточка 2, выполняющая функцию цилиндра. В этой расточке с возможностью осевого перемещения установлен поршень 3, снабженный уплотнительными кольцами 4 и 5, с поршнем жестко связаны посредством штоков 6 и 7 электромагниты 8 и 9. Штоки 6 и 7 уплотняются кольцами 10 и 11, установленными в крышках корпуса 12 и 13. В крышках корпуса 12 и 13 установлены форсунки, соответственно, 14 и 15. В корпусе 1 выполнены продувочные 16 и 17 и выпускные 18 и 19 окна. Между крышками корпуса 12 и 13 и торцовыми поверхностями поршня 3 образованы рабочие камеры 20 и 21. В средней части корпуса 1 выполнена канавка 22, соединенная с системой смазки (на фиг.1, 2 условно не показана) и служащая для смазки поршня 3. Смазка может также осуществляться подводом смазочного вещества в другие точки цилиндра либо другим известным способом (например, смазка вводится в топливо), однако предлагаемый способ подвода наиболее прост. К корпусу 1, посредством промежуточных корпусов 23 и 24, жестко и соосно с цилиндром 2 закреплены электрические катушки 25 и 26. На корпусах катушек 25 и 26 посредством крышек 27 и 28 жестко Закреплены диэлектрические стержни 29 и 30, несущие щетки 31 и 32, контактирующие с токопроводящими дорожками 33 и 34, выполненными на внутренних поверхностях электромагнитов 9 и 8 и соединенными с их обмотками. Эти элементы служат для подвода электроэнергии к возвратно поступательно движущимся электромагнитам 9 и 8. Возможен также подвод электроэнергии к электромагнитам 9 и 8 при помощи гибких кабелей, или другим способом. Однако предлагаемое устройство имеет наименьший осевой габарит и следовательно меньшую материалоемкость. На крышках 27 и 28 установлены конечные включатели 35 и 36, контролирующие положение электромагнитов 9 и 8, соответствующих крайнему правому и крайнему левому положениям поршня 3. При работе центральная часть устройства, размещенная между крышками корпуса 13 и 12, выполняет функции двухтактного двигателя внутреннего сгорания со свободно движущимся поршнем и рабочим процессом по обе стороны поршня. Работа устройства происходит следующим обрезом. При движении поршня 3 вправо в рабочей камере 21 происходит сжатие воздуха, при этом в камере 20 открываются продувочные 16 и выпускные 18 окна и происходит вентиляция рабочей камеры 20. Вблизи крайнего правого положения поршня 3 по сигналу конечного выключателя 35 происходит впрыск дизельного топлива через форсунку 15. Топливо распыляется в атмосфере сжатого и нагретого, за счет сжатия, воздуха, и воспламеняется. За счет выделяемой энергии газы в камере 21 расширяются, перемещая поршень 3 влево. При этом поршень 3 перекрывает продувочные 16 и выпускные 18 окна и сжимает воздух в камере 20, вблизи крайнего левого положения поршень 3 открывает выпускные окна 19, через которые выпускаются продукты сгорания, а затем продувочные окна 17, через которые в рабочую камеру 21 подается воздух. При этом воздух в камере 20 сжимается, затем по сигналу конечного выключателя 36 через форсунку 14 осуществляется впрыск дизельного топлива. Далее работа происходит аналогично описанному. При приближении поршня 3 к крайнему положению, электромагнит 9 или 8 воздействует (нажимает) на конечный выключатель 35 или 36, а подвижные элементы последних осуществляют перемещение плунжеров (на фиг.1, 2 условно не показаны) производящих впрыск топлива через форсунку 15 или 14 в момент соответствующий определенному положению поршня. В качестве иного варианта может осуществляться непосредственное воздействие (нажатие) корпусов электромагнитов 9 или 8 на плунжеры (на фиг.1, 2 условно не показаны), Одновременно с поршнем 3 возвратнопоступательные перемещения. осуществляют жестко связанные с ним посредством штоков 7 и 6 электромагниты 9 и 8. К обмоткам электромагнитов 9 и В электрический ток подводится при помощи щеток 31 и 32 закрепленных на стержнях из диэлектрического материала 29 и 30 и токопроводящих дорожек 33 и 34 электрически соединенных с обмотками электромагнитов 9 и 8 соответственно. При движении электромагнитов 9 и 8 внутри электрических катушек 25 и 26 в обмотках последних индуцируется электрический ток, используемый потребителями электрической энергии. При запуске, от внешнего источника энергии подводится ток к электромагнитам 9 и 8 и электрическим катушкам 25 и 26, что вызывает перемещение электромагнитов 9 и 8 и жестко связанного с ними поршня 3. Дальше начинается описанный выше рабочий процесс. Для уравновешивания необходимо собрать блок из параллельно расположенных четырех устройств, обеспечив встречное движение поршней 3, движущихся в соседних корпусах 1, что может быть достигнуто синхронизацией управления форсунками 15 и 14. Система охлаждения может быть выполнена известными способами. Примером конкретного выполнения может быть устройство, изображенное на фиг.1 и на 2, При выполнении диаметра поршня 3 100мм и его хода 120мм с учетом того, что 20% хода теряется за счет устройства продувочных и выпускных окон, длина устройства составит до 500мм, а его габаритный диаметр до 200мм, что по снимаемой мощности должно соответствовать четырехцилиндровому четырехтактному двигателю с поршнем диаметром 100мм и ходом 100мм, который имеет в несколько раз большие габариты и металлоемкость, и должен быть снабжен дополнительно электрическим генератором. Изложенное подтверждает реализуемость и эффективность предлагаемого устройства.