RU2328607C1 - Method of load synchronisation of free-piston internal combustion engine pistons motion - Google Patents

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: method of synchronisation of moving pistons in a free-piston internal combustion engine with an opposite pistons travel incorporated with an electrical module converting the engine fuel chemical energy into electric power consists in that every piston of the said engine is coupled with its generator to allow synchronising the engine pistons motion by decreasing the load on one of the generators for the control system to trace the speed of every piston and, further on, in compliance with the pistons speed unbalance signal, to reduce the load on the generator coupled with the lower speed piston, as compared to another piston.

EFFECT: power savings, higher specific output and lower specific volume.

2 dwg

Description

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

Одно из условий функционирования свободнопоршневого двигателя - синхронное движение его поршней в противофазе на протяжении всего рабочего цикла. Изготовить абсолютно идентичные по форме и массе поршни и цилиндр точной геометрической формы невозможно. Кроме того, если энергомодуль эксплуатируется на транспортном средстве, на характер движения поршней оказывает значительное влияние инерционные силы, возникающие в результате непрогнозируемых перемещений энергомодуля в пространстве. Традиционно синхронизация движения поршней свободнопоршневого двигателя реализуется рычажным или реечно-шестеренным механизмами (Шелест П.А. "Безвальные генераторы газов", М.: Машгиз, 1960, с.302-305). Эти механизмы связывают поршни так, что когда один из них движется в одну сторону, другой - в противоположную. Основные недостатки механического способа синхронизации движения поршней: наличие существенной массы синхронизатора и потери энергии на его привод, что негативно сказывается на удельной мощности и удельном объеме.One of the conditions for the functioning of a free piston engine is the synchronous movement of its pistons in antiphase throughout the entire working cycle. It is impossible to produce pistons and cylinders that are absolutely identical in shape and weight with an exact geometric shape. In addition, if the energy module is operated on a vehicle, the inertial forces resulting from the unpredictable movements of the energy module in space have a significant influence on the nature of the movement of the pistons. Traditionally, the synchronization of the movement of the pistons of a free piston engine is realized by lever or rack-and-pinion gears (Shelest P. A. "Shaft-less gas generators", M .: Mashgiz, 1960, pp. 302-305). These mechanisms connect the pistons so that when one of them moves in one direction, the other in the opposite. The main disadvantages of the mechanical method of synchronizing the movement of pistons: the presence of a significant mass of the synchronizer and energy loss on its drive, which negatively affects the specific power and specific volume.

Ближайший аналог - "Осцилляторный пьезотрансформатор двигателя внутреннего сгорания", патент 2169278 С1, 2001, в котором описан принцип действия энергомодуля составе двухцилиндрового свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания с двумя поршнями в каждом цилиндре и двумя пьезотрансформаторными электрогенераторами.The closest analogue is “Oscillator piezotransformer of an internal combustion engine”, patent 2169278 C1, 2001, which describes the principle of operation of an energy module consisting of a two-cylinder free-piston internal combustion engine with two pistons in each cylinder and two piezotransformer electric generators.

Основные недостатки механического способа синхронизации движения поршней: наличие существенной массы синхронизатора и потери энергии на его привод, что негативно сказывается на удельной мощности и удельном объеме.The main disadvantages of the mechanical method of synchronizing the movement of pistons: the presence of a significant mass of the synchronizer and energy loss on its drive, which negatively affects the specific power and specific volume.

Заявленное изобретение решает задачу уменьшения энергозатрат на привод синхронизатора, увеличение удельной мощности и уменьшение его удельного объема.The claimed invention solves the problem of reducing energy consumption for the synchronizer drive, increasing the specific power and reducing its specific volume.

Поставленная задача решается за счет того, что нагрузочный способ синхронизации движения поршней свободнопоршневого двигателя с оппозитным движением поршней, входящего в состав энергомодуля, преобразующего химическую энергию моторного топлива в электроэнергию и связанного со своим электрогенератором, причем синхронизация движения поршней двигателя осуществляется уменьшением нагрузки на один из электрогенераторов, для чего система управления отслеживает величины скоростей каждого поршня и по сигналу рассогласования скоростей поршней уменьшает нагрузку на электрогенератор, связанный с тем поршнем, скорость которого меньше скорости другого.The problem is solved due to the fact that the load method of synchronizing the movement of the pistons of a free piston engine with the opposite movement of the pistons, which is part of the energy module, converts the chemical energy of the motor fuel into electricity and is connected with its own generator, and the movement of the engine pistons is synchronized by reducing the load on one of the generators why the control system monitors the values of the speeds of each piston and according to the signal of the mismatch of speeds Shnei reduces the load on the generator associated with the piston, the speed less than the speed of the other.

Нагрузочный способ синхронизации движения поршней свободнопоршневого - с двумя поршнями в одном цилиндре - двигателя, входящего в состав энергомодуля, преобразующего энергию моторного топлива в электроэнергию, каждый поршень которого связан со своим электрогенератором, осуществляется уменьшением нагрузки на один из электрогенераторов. Для этого система управления автоматикой энергомодуля отслеживает величины скоростей каждого поршня, сравнивает их значения и по сигналу рассогласования скоростей поршней прерывает или уменьшает нагрузку на электрогенератор, связанный с тем поршнем, скорость которого меньше скорости оппозитно движущегося поршня на время, не меньшее, чем необходимо для уравнивания скоростей поршня.The loading method of synchronizing the movement of free piston pistons — with two pistons in one cylinder — of an engine that is part of an energy module that converts motor fuel energy into electricity, each piston of which is connected to its own generator, reduces the load on one of the generators. To do this, the control system for the automation of the energy module monitors the speeds of each piston, compares their values and interrupts or reduces the load on the electric generator associated with that piston, whose speed is less than the speed of the opposing moving piston for a time not less than for adjustment piston speeds.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 - осцилляторный пьезотрансформатор двигателя внутреннего сгорания; на фиг.2 - энергомодуль в составе однотактного, с одним поршнем в цилиндре, свободнопоршневого двигателя с внешней камерой сгорания и линейного электрогенератора.The invention is illustrated by drawings, where in Fig.1 - an oscillatory piezotransformer of an internal combustion engine; figure 2 - power module as a part of a single-cycle, with one piston in the cylinder, free-piston engine with an external combustion chamber and a linear electric generator.

В состав энергомодуля входят (фиг.1): 1 - два пьезотрансформаторных электрогенератора (вверху и внизу чертежа), 2 - пьезоэлементы, 3, 12 - клапаны управления потоком жидкости, 4 - два свободнопоршневых двигателя внутреннего сгорания (правый и левый), 5 - поршни двигателя, 6 - клапаны впуска воздуха, 7 - выпускной клапан, 8 - клапан компрессора, 9 - форсунка, 10 - поршень компрессора, 11, 13, 14 - плунжеры и система управления (не показана) двух идентичных свободнопоршневых двигателей с оппозитным движением поршней (правый и левый), и системы управления автоматикой энергомодуля (система управления не показана).The power module includes (Fig. 1): 1 - two piezotransformer electric generators (at the top and bottom of the drawing), 2 - piezoelectric elements, 3, 12 - fluid flow control valves, 4 - two free-piston internal combustion engines (right and left), 5 - engine pistons, 6 - air intake valves, 7 - exhaust valve, 8 - compressor valve, 9 - nozzle, 10 - compressor piston, 11, 13, 14 - plungers and a control system (not shown) of two identical free-piston engines with opposed piston movement (right and left), and automatic control systems power module (not shown control system).

Перед пуском энергомодуля поршни 5 правого двигателя находятся в крайних точках схождения, впускные клапаны воздуха 6, выпускной клапан отработавших газов 7 закрыты, а клапан компрессора 8 открыт. Все детали левого двигателя занимают противоположные положения.Before starting the energy module, the pistons 5 of the right engine are at the extreme points of convergence, the air inlet valves 6, the exhaust valve 7 are closed, and the compressor valve 8 is open. All parts of the left engine occupy opposite positions.

При пуске система управления автоматикой энергомодуля форсункой 9 подает топливо в камеру сгорания правого двигателя. Одним из способов топливо воспламеняется, сгорает, и расширяющиеся продукты сгорания начинают разводить поршни двигателя. Соединенные с поршнями двигателя поршни компрессора 10 сжимают воздух в полостях компрессора, а плунжеры 11 продавливают жидкость через пьезотрансформаторы. От пьезотрансформаторов жидкость поступает в полости плунжеров левого двигателя. Его поршни и плунжеры начинают встречное движение, все клапаны переходят в противоположные положения, воздух из атмосферы поступает в полости компрессора, воздух в цилиндре сжимается. При продавливании жидкости через пьезотрансформаторы системе управления клапанами управления потоком жидкости попеременно подает жидкость в полости пьезоэлементов. В результате знакопеременного давления жидкости на пьезоэлементы на их активных гранях выделяются электрические заряды. Пьезотрансформторы действуют в режиме электрогенераторов. В дальнейшем каждый рабочий цикл одного двигателя инициирует рабочий цикл смежного двигателя.At start-up, the control system for the automation of the energy module by the nozzle 9 delivers fuel to the combustion chamber of the right engine. In one way, the fuel ignites, burns, and expanding combustion products begin to breed engine pistons. The pistons of the compressor 10 connected to the engine pistons compress the air in the compressor cavities, and the plungers 11 push the fluid through the piezotransformers. From piezotransformers, the fluid enters the cavity of the plungers of the left engine. Its pistons and plungers begin oncoming motion, all valves move to opposite positions, air from the atmosphere enters the compressor cavity, air in the cylinder is compressed. When forcing fluid through piezotransformers, the fluid flow control valve control system alternately delivers fluid to the cavity of the piezoelectric elements. As a result of alternating pressure of the liquid, electric charges are released on the piezoelectric elements on their active faces. Piezotransformers operate in the mode of electric generators. Subsequently, each duty cycle of one engine initiates the duty cycle of an adjacent engine.

Так, если при такте расхождения поршней энергомодуля (см. фиг.1) скорость поршня 5 в правом цилиндре окажется меньше оппозитно движущегося поршня, система управления открывает один из клапанов управления потоком жидкости нижнего пьезотрансформатора (электрогенертора), например клапан 12, и жидкость из полости плунжера 13 перетекает с меньшим сопротивлением в полость 14 левого цилиндра. Поскольку сопротивление движению жидкости резко уменьшается, скорость поршня 5 увеличивается по сравнению с оппозитно движущимся поршнем, и в момент, когда скорости поршней сравняются, или ″а″ момент, обеспечивающий одновременность прихода поршней в точки максимального расхождения, клапан управления потоком жидкости возобновляет работу в режиме генерации.So, if during the stroke of the divergence of the pistons of the energy module (see Fig. 1), the speed of the piston 5 in the right cylinder is lower than the opposing moving piston, the control system opens one of the valves for controlling the fluid flow of the lower piezotransformer (electric generator), for example, valve 12, and the liquid from the cavity the plunger 13 flows with less resistance into the cavity 14 of the left cylinder. Since the resistance to the movement of the liquid decreases sharply, the speed of the piston 5 increases compared to the opposing moving piston, and at the moment when the piston speeds are equal, or ″ a ″ moment, ensuring the simultaneous arrival of the pistons at the points of maximum divergence, the fluid flow control valve resumes operation in the mode generation.

Нагрузочный способ синхронизации движения поршней приемлем, когда необходимо исключить вибрацию двух совместно действующих свободнопоршневых двигателей с одним поршнем в одном цилиндре.The loading method of piston synchronization is acceptable when it is necessary to exclude vibration of two jointly working free piston engines with one piston in one cylinder.

Ниже приводится принцип действия энергомодуля в составе однотактного, с одним поршнем в цилиндре, свободнопоршневого двигателя с внешней камерой сгорания и линейного электрогенератора. В состав энергомодуля входят: 15 - камера сгорания, 16 - форсунка, 17 - свеча зажигания, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 - газораспределительные клапаны, 26, 27 - поршни, 28 - шток, 29 - якорь, 30 - статорная катушка.Below is the principle of operation of the energy module as part of a single-cycle, with one piston in the cylinder, free-piston engine with an external combustion chamber and a linear electric generator. The power module includes: 15 - a combustion chamber, 16 - a nozzle, 17 - a spark plug, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 - gas distribution valves, 26, 27 - pistons, 28 - a rod, 29 - anchor, 30 - stator coil.

Исходное положение деталей энергомодуля.The starting position of the details of the energy module.

Поршни 26, 27, якорь 29 и клапаны 18, 23, 22, 20 в левом крайнем положении. Клапаны 10, 21 открыты, клапаны 24, 25 закрыты. При пуске энергомодуля в камеру сгорания 15 (см. фиг.2) форсункой 16 подается топливо и воспламеняется свечой зажигания 17. Продукты сгорания через клапан 18 поступают в левую полость поршня 26 и под их воздействием поршень 26 и соединенные с ним штоком 28 якорь 29 и поршень 27 начинают движение слева направо. Площадь левой торцевой поверхности поршня 26 больше площади его противоположной поверхности на величину площади поперечного сечения штока 28. Следовательно, давление воздуха в правой полости поршня 26 больше давления продуктов сгорания в его левой полости, поэтому воздух из правой полости поршня 26 открывает клапан 19 и поступает в камеру сгорания 15, обеспечивая тем самым воздухом процесс горения топлива. Одновременно воздух из правой полости поршня 27 через клапан 20 выбрасывается в атмосферу (при последующих рабочих циклах - отработавшие газы), воздух из атмосферы через клапан 21 поступает в его левую полость. Магнитный поток движущегося якоря 29 пересекает витки статорной катушки 30 и в статорной катушке генерируется импульс электроэнергии. По достижении поршнями крайнего правого положения система управления (не показана) переводит клапаны 18, 23, 22, 20 в противоположные положения. Продукты сгорания из камеры сгорания 15 через открывшийся клапан 22 поступает в правую полость поршня 27, поршни 26, 27 и якорь 29 начинают движение справа налево. Воздух из левой полости поршня 27 закрывает клапан 21 и через открывшийся клапан 24 поступает в камеру сгорания 15. Клапан 19 закрывается, воздух из атмосферы через открывшийся клапан 25 засасывается в правую полость поршня 26, а отработавшие газы через открывшийся клапан 23 выбрасывается в атмосферу. Магнитный поток якоря 29 пересекает витки статорной катушки 30 и в ней генерируется импульс электроэнергии противоположного знака. В дальнейшем система управления, переводя клапаны 18, 20, 22, 23 из одного положения в противоположное, обеспечивает постоянную подачу воздуха в камеру сгорания. Якорь совершает колебательные движения и в статорной катушке генерируется переменное напряжение. Пульсация давления подаваемого в камеру сгорания воздуха сглаживается воздушным ресивером (не показано). Возникающая в результате реакции движения поршней вибрация компенсируется применением двух энергомодулей ориентированных так, что оси симметрии поршней и якоря располагаются на одной прямой, а их движение тем или иным способом организуется в противофазе.Pistons 26, 27, anchor 29 and valves 18, 23, 22, 20 in the left extreme position. Valves 10, 21 are open, valves 24, 25 are closed. When the energy module is started, fuel is injected into the combustion chamber 15 (see FIG. 2) and ignited by the spark plug 17. The combustion products through the valve 18 enter the left cavity of the piston 26 and under their influence the piston 26 and the armature 29 connected to it by the rod 28 and the piston 27 begin to move from left to right. The area of the left end surface of the piston 26 is greater than the area of its opposite surface by the cross-sectional area of the rod 28. Therefore, the air pressure in the right cavity of the piston 26 is greater than the pressure of the combustion products in its left cavity, so the air from the right cavity of the piston 26 opens the valve 19 and enters the combustion chamber 15, thereby providing air to the combustion process of the fuel. At the same time, air from the right piston cavity 27 through the valve 20 is emitted into the atmosphere (exhaust gas during subsequent working cycles), air from the atmosphere through the valve 21 enters its left cavity. The magnetic flux of the moving armature 29 crosses the turns of the stator coil 30 and an electric pulse is generated in the stator coil. When the pistons reach the extreme right position, the control system (not shown) puts the valves 18, 23, 22, 20 in opposite positions. The combustion products from the combustion chamber 15 through the opening valve 22 enters the right cavity of the piston 27, the pistons 26, 27 and the armature 29 begin to move from right to left. Air from the left piston cavity 27 closes the valve 21 and through the opened valve 24 enters the combustion chamber 15. The valve 19 closes, air from the atmosphere through the opened valve 25 is sucked into the right cavity of the piston 26, and the exhaust gases through the opened valve 23 are released into the atmosphere. The magnetic flux of the armature 29 intersects the turns of the stator coil 30 and an electric pulse of opposite sign is generated in it. In the future, the control system, moving the valves 18, 20, 22, 23 from one position to the opposite, provides a constant supply of air into the combustion chamber. The armature oscillates and an alternating voltage is generated in the stator coil. The pulsation of the pressure supplied to the combustion chamber is smoothed by an air receiver (not shown). The vibration resulting from the reaction of the movement of the pistons is compensated by the use of two energy modules oriented so that the axis of symmetry of the pistons and the armature are located on one straight line, and their movement in one way or another is organized in antiphase.

Синхронизация движения поршней энергомодудей осуществляется следующим образом.The synchronization of the movement of the pistons of the energy modules is as follows.

Следует оговориться - блок из двух поршней 26, 27 и якоря 29 движется совместно как один поршень, поэтому для краткости в дальнейшем именуется «блок поршней и якорь».It should be noted that the block of two pistons 26, 27 and the armature 29 moves together as one piston, therefore, for brevity, hereinafter referred to as the "piston block and anchor".

Независимо от того, сходятся оппозитно движущиеся и в противофазе блоки поршней и якоря обоих энергомодулей или расходятся, принцип синхронизации их движения тот же, что описан для варианта с двумя поршнями. Система управления энергомодулей отслеживает величины скоростей блоков поршней и якоря каждого двигателя, сравнивая их значения и по сигналу рассогласования скоростей уменьшает (разрывает часть витков цепи обмотки катушки якоря 29 или статорной катушки 30) или прерывает (разрывает цепь обмотки одной из катушек) нагрузку на электрогенератор, связанный с тем блоком поршней и якоря, скорость которого меньше скорости оппозитно движущегося блока поршней и якоря, на время, необходимое для обеспечения одновременного прихода блоков поршней и якоря в крайние точки схождения или расхождения, после чего система управления замыкает цепи катушек, и электрогенератор возобновляет работу в прежнем режиме.Regardless of whether the opposing piston blocks and the pistons and anchors of the two energy modules converge in antiphase or diverge, the principle of synchronizing their movement is the same as that described for the variant with two pistons. The energy module control system monitors the speed values of the piston blocks and the armature of each engine, comparing their values and, according to the speed mismatch signal, reduces (breaks part of the turns of the winding circuit of the armature coil 29 or stator coil 30) or interrupts (breaks the winding circuit of one of the coils) the load on the generator, associated with that piston block and anchor, whose speed is less than the speed of the opposing piston block and anchor, for the time necessary to ensure the simultaneous arrival of piston blocks and yak After reaching the extreme points of convergence or divergence, after which the control system closes the circuit of the coils, and the generator resumes operation as before.

Claims (1)

Нагрузочный способ синхронизации движения поршней свободно-поршневого двигателя внутреннего сгорания с оппозитным движением поршней, входящего в состав энергомодуля, преобразующего энергию моторного топлива в электроэнергию, каждый поршень которого связан со своим электрогенератором, отличающийся тем, что синхронизация движения поршней двигателя осуществляется уменьшением нагрузки на один из электрогенераторов, для чего система управления отслеживает скорость каждого поршня и по сигналу рассогласования скоростей поршней снижает нагрузку на генератор того поршня, скорость которого меньше скорости другого.A loading method for synchronizing the movement of pistons of a free-piston internal combustion engine with the opposite movement of the pistons, which is part of an energy module that converts the energy of motor fuel into electricity, each piston of which is connected to its own generator, characterized in that the synchronization of the movement of the pistons of the engine is carried out by reducing the load on one of generators, for which the control system monitors the speed of each piston and by the signal of the mismatch of the piston speeds reduces load on the generator of the piston velocity which is less than the speed of the other.

Images