СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F02B71/04 

Изобретение относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания, в частности к свободнопоршневым двигателям внутреннего сгорания.

Известен свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания с гидравлической передачей мощности. Этот свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания содержит рабочие цилиндры, каждый из которых содержит рабочий поршень, разделяющий объем цилиндра на рабочую камеру, в которой установлены элементы механизма газораспределения, включающие, в частности, впускное окно и выпускной клапан, и элементы системы подачи топлива, и на герметичную подпоршневую полость, образованную гидроцилиндром и заполненную рабочей жидкостью. Подпоршневые полости цилиндров соединены герметичной соединительной магистралью, в которой установлены преобразователь движения рабочей жидкости в механическую энергию. Система подачи топлива и механизм газораспределения двигателя связаны с зубчатой шестерней, входящей в зацепление с зубчатой рейкой, закрепленной на внешней стороне соответствующего гидроцилиндра. Режим работы свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания устанавливается задатчиком режима работы, соединенным с системой подачи топлива.

Этот свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания имеет неизменные рабочий объем и степень сжатия, а также не позволяет изменять непосредственно в процессе его работы вид топлива.

Целью изобретения является одновременное обеспечение в процессе работы взаимонезависимых изменений рабочего объема, степени сжатия и вида топлива для обеспечения необходимой для потребителя рабочей мощности двигателя.

Поставленная цель достигается тем, что свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере два рабочих цилиндра, каждый из которых содержит рабочий поршень, разделяющий объем цилиндра на рабочую камеру, в которой установлены элементы механизма газораспределения и элемент системы подачи топлива, и герметичную подпоршневую полость, заполненную рабочей жидкостью и соединенную герметичной соединительной магистралью с подпоршневой полостью другого рабочего цилиндра, систему подачи топлива, механизм газораспределения, задатчик режима работы, преобразователь движения рабочей жидкости в механическую энергию, отличающийся тем, что свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания дополнительно содержит регулятор объема рабочей жидкости подпоршневых полостей цилиндров, камера изменяемого объема которого заполнена рабочей жидкостью и герметически присоединена к соединительной магистрали подпоршневых полостей, а элемент регулировки его рабочего объема соединен через дополнительно введенный усилитель-преобразователь с задатчиком режима работы свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания, соединенным с системой подачей топлива и механизмом газораспределения.

В одном из возможных вариантов реализации двигателя регулятор объема рабочей жидкости подпоршневых полостей цилиндров выполняется в виде цилиндра, герметически соединенного с соединительной магистралью подпоршневых полостей, внутри которого размещен подвижный поршень, образующий рабочую камеру, заполненную рабочей жидкостью, другая сторона поршня соединена с задатчиком режима работы свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания через усилитель-преобразователь.

На фиг. 1 изображен один из возможных вариантов реализации устройства, где: 1, 2 - рабочие цилиндры, 3, 4 - рабочие поршни, 5 - соединительная магистраль, 6-1, 6-2 - впускные клапаны, 7-1, 7-2 - выпускные клапаны, 8-1, 8-2 - элемент подачи топлива, 9 - преобразователь движения рабочей жидкости в механическую энергию, 10 - распределительный вал, 11 - электромотор, 12 - поршень, 13 - регулятор объема рабочей жидкости, 14 - цилиндр, 15 - рабочая камера, 16 - усилитель-преобразователь, 17 - задатчик режима работы, 18 - система подачи топлива. На фиг. 2 изображены временные диаграммы режимов работы свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания,
где V_р.ж.д. - объем рабочей жидкости свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания;
V_р.ж.р. - объем рабочей жидкости регулятора;
V_дв. - объем свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания;
Е - степень сжатия;
N - мощность свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания;
V₁'- коэффициент пересчета разницы величин степеней сжатия |(E)_н - (Е)_max| в объем;
V₂' - коэффициент пересчета разницы величин степеней сжатия |(E)_min - (E)_max| в объем;
0-t₁ - период работы, при котором все параметры двигателя имеют номинальное значение;
t₁-t₂ - режим работы, при котором увеличиваем (V_дв.)_н до (V_дв.)_max(фиг. 2, б), при этом (V_р.ж.р.)_н увеличиваем до (V_р.ж.р.)_max (фиг. 2, а), (V_р.ж.д.)_н уменьшаем до (V_р.ж.д.)_min (фиг. 2, а), (N)_н увеличиваем до (N)_max (фиг. 2, г), степень сжатия (Е)_н не меняем (фиг. 2, в), вид топлива не меняем;
t₂-t₃ - установившийся режим работы, при котором V_дв. = (V_дв.)_max, V_р.ж.р. = (V_р.ж.р.)_max, Е = (Е)_н, V_р.ж.д. = (V_р.ж.д.)_min, N = (N)_max;
t₃-t₄ - режим работы, при котором не меняем вид топлива, уменьшаем (V_дв.)_max до (V_дв.)_min (фиг. 2, б), (V_р.ж.р.)_max уменьшаем до (V_р.ж.р.)_min, (V_р.ж.д.)_min увеличиваем до (V_р.ж.д.)_max (фиг. 2, а), (N)_max снижаем до (N)_min (фиг. 2, г), (Е)_н = const (фиг. 2, в);
t₄-t₅ - установившийся режим работы, при котором V_дв. = (V_дв.)_min, V_р.ж.р. = (V_р.ж.р.)_min, V_р.ж.д. = (V_р.ж.д.)_max, (Е) = (Е)_н, N = (N)_min;
t₅-t₆ - режим работы, при котором меняем вид топлива, (Е)_н повышаем до (Е)_max (фиг. 2, в), (V_р.ж.р.)_min уменьшаем до (V_р.ж.р.)_min - V₁' (фиг. 2, а), (V_р.ж.д.)_max увеличиваем до (V_р.ж.д.)_max + V₁' (фиг. 2, а), (V_дв.)_min= = const (фиг. 2, б), (N)_min = const (фиг. 2, г);
t₆-t₇ - установившийся режим работы, при котором Е = (Е)_max, N = (N)_min, V_дв. = = (V_дв.)_min, V_р.ж.р. = (V_р.ж.р.)_min - V₁', V_р.ж.д. = = (V_р.ж.д.)_max + V₁';
t₇-t₈ - режим работы, при котором меняем вид топлива, (Е)_maxуменьшаем до (Е)_min (фиг. 2, в), (V_р.ж.р.)_min - V₁' увеличиваем до (V_р.ж.р.)_min - V₁' + V₂¹, (V_р.ж.д.)_max + V₁' уменьшаем до (V_р.ж.д.)_max + V₁' - V₂' (фиг. 2, а), (V_дв.) = =const (фиг. 2, б), (N)_min = const (фиг. 2, г);
t₈-t₉ - установившийся режим работы, при котором Е = (Е)_min, V_дв. = (V_дв.)_min, V_р.ж.р. = = (V_р.ж.р.)_min - V₁' + V₂', V_р.ж.д. = (V_р.ж.д.)_max+ +V₁' - V₂', N = (N)_min;
t₉-t₁₀ - режим работы, при котором меняем вид топлива, (E)_minувеличиваем до (Е)_max (фиг. 2, в), увеличиваем (V_дв.)_min до (V_дв.)_max(фиг. 2, б), (V_р.ж.р.)_min - V₁' + V₂' увеличиваем до (V_р.ж.р.)_max - V₁' + V₂' - V₂', т.е. до (V_р.ж.р.)_max - V₁' (фиг. 2, а), (V_р.ж.д.)_max + V₁' - -V₂' уменьшаем до (V_р.ж.д.)_min + V₁' - V₂' + V₂', т.е. до (V_р.ж.д.)_min+ V₁' (фиг. 2, а), (N)_min увеличиваем до (N)_max (фиг. 2, г);
t₁₀-t₁₁ - установившийся режим работы, при котором Е = (Е)_max, V_дв.= (V_дв.)_max, V_р.ж.р. = = (V_р.ж.р.)_max - V₁', V_р.ж.д. = (V_р.ж.д.)_min + V₁', N = = (N) _max;
t₁₁-t₁₂ - режим работы, при котором меняем вид топлива, (Е)_maxснижаем до (Е)_н (фиг. 2, в), снижаем (V_дв.)_max до (V_дв.)_н (фиг. 2, б), (V_р.ж.р.)_max - V₁' cнижаем до (V_р.ж.р.)_н - V₁' + + V₁', т.е. до (V_р.ж.р.)_н (фиг. 2, а), (V_р.ж.д.)_min + +V₁' увеличиваем до (V_р.ж.д.)_н + V₁' - V₂', т.е. до (V_р.ж.д.)_н (фиг. 2, а), (N)_max снижаем до (N)_н (фиг. 2, г);
t₁₂-t₁₃ - установившийся режим работы, при котором Е = (Е)_н, V_дв. = (V_дв.)_н V_р.ж.р. = =(V_р.ж.р.)_н, V_р.ж.д. = (V_р.ж.д.)_н, N = (N)_н;
t₁₃-t₁₄ - режим работы, при котором меняем вид топлива, (Е)_нувеличиваем до (Е)_max (фиг. 2, в), снижаем (V_дв.)_н до (V_дв.)_min (фиг. 2, б), (V_р.ж.р.)_н снижаем до (V_р.ж.р.)_min - V₁' (фиг. 2, а), (V_р.ж.д.)_нувеличиваем до (V_р.ж.д.)_max + +V₁' (фиг. 2, а), (N)_н снижаем до (N)_min(фиг. 2, г).

Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания (фиг. 1) содержит, как минимум, два рабочих цилиндра 1, 2, два рабочих поршня 3, 4, разделяющих объемы цилиндров 1, 2 на герметичные подпоршневые полости, заполненные рабочей жидкостью и соединенные герметичной соединительной магистралью 5, и на герметичные рабочие камеры, которые содержат впускные 6-1, 6-2 и выпускные 7-1, 7-2 клапаны; элементы 8-1, 8-2 системы подачи топлива, преобразователь 9 движения рабочей жидкости в механическую энергию. Работа клапанов 6, 7 осуществляется распределительным валом 10, приводящимся в движение электромотором 11, частота вращения которого синхронизируется положением подвижного поршня 12 регулятора 13 объема рабочей жидкости. Регулятор 13 объема рабочей жидкости подпоршневых полостей цилиндров 1, 2 содержит по меньшей мере один подвижный поршень 12, размещенный внутри цилиндра 14 и образующий с цилиндром 14 рабочую камеру 15 изменяемого объема, заполненную рабочей жидкостью и герметически присоединенную к соединительной магистрали 5 подпоршневых полостей цилиндров 1, 2, а другая сторона подвижного поршня 12 соединена через усилитель-преобразователь 16 с задатчиком 17 режима работы свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания, который соединен с системой подачи топлива 18 и механизмом газораспределения.

Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. Режим работы Е = const, V_дв. = const. В цилиндре 1 происходит сгорание топлива за счет самовоспламенения. При этом в цилиндре 1 клапаны 6-1, 7-1 закрыты. В это время в цилиндре 2 поршень 4 находится в крайнем нижнем положении, происходит продувка рабочей камеры за счет подачи воздуха через впускной клапан 6-2, а отработанные газы отводятся через выпускной клапан 7-2, приводимые в действие распределительным валом 10. Поршень 3 в цилиндре 1 движется вниз, вытесняя рабочую жидкость, которая, совершив работу в преобразователе 9 движения рабочей жидкости в механическую энергию, действует на поршень 4, заставляя его перемещаться вверх и сжимать газовую среду в цилиндре 2 до тех пор, пока степень сжатия не достигнет установленной величины, заданной с помощью подвижного поршня 12 регулятора 13 объема рабочей жидкости и задатчиком 17 режима работы двигателя, который действует на подвижный поршень 12 регулятора 13 объема рабочей жидкости посредством усилителя-преобразователя 16. Топливо в цилиндр 2 подается через элемент 8-2 системы подачи топлива 18, когда степень сжатия достигнет установленной величины Е = (Е)_н, заданной задатчиком 17 режима работы двигателя, связанным с распределительным валом 10. В момент подачи топлива в цилиндр 2 в нем происходит воспламенение, в цилиндре 1 производится продувка путем открытия выпускного 7-1 и впускного 6-1 клапанов посредством распределительного вала 10, и процесс повторяется. Поршень 12 в цилиндре 14 неподвижен.

Далее рассмотрим работу в режиме V_дв. = = var, N = var, E = const (фиг. 2, t₁-t₂). Например требуется увеличение мощности свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания во время работы. Задатчик режима работы 17 воздействует на поршень 12, через усилитель-преобразователь 16, поршень 12 изменил свое положение относительно цилиндра 14 таким образом, что объем V_р.ж.р. рабочей жидкости регулятора в камере 15 регулятора объема рабочей жидкости 13 увеличился, а объем V_р.ж.д. рабочей жидкости свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания уменьшился (фиг. 2, а, t₁-t₂). Объем свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания Vдв., исходя из формулы
_C
(1) пропорционален объему V_р.ж.р. рабочей жидкости регулятора 13 (фиг. 2, а, t₁-t₂). Объем V_дв. свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания увеличивается (фиг. 2, б), возросла мощность свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания пропорционально увеличению объема V_дв.свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания (фиг. 2, г, t₁-t₂).

Рассмотрим режим работы при V_дв. = =var, E = const, N = var. Требуется снижение мощности. Задатчик режима работы 17 воздействует на поршень 12 через усилитель-преобразователь 16, поршень 12 изменил свое положение относительно цилиндра 14 таким образом, что объем V_р.ж.р.рабочей жидкости регулятора в камере 15 регулятора объема рабочей жидкости 13 уменьшился (фиг. 2, а, t₃-t₄), объем V_дв. свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания также уменьшился (см. формулы 1 и фиг. 2, б, t₃-t₄), следовательно мощность N снизилась (фиг. 2, г, t₃-t₄). Работа свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания на разных видах топлива. Режим V_дв. = const, N = =const, E = var, t₅-t₆. При изменении вида топлива нужно изменить степень сжатия Е, например, в сторону увеличения и момент впрыска топлива. Задатчик режима работы 17 воздействует на систему топлива подачи и изменяет момент впрыска топлива, также задатчик режима работы 17 через усилитель-преобразователь 16 воздействует на поршень 12, который относительно цилиндра 14 изменяет свое положение таким образом, что V_р.ж.р. объем рабочей жидкости регулятора в камере 15 регулятора объема рабочей жидкости 13 уменьшился, следовательно увеличился V_р.ж.д. объем рабочей жидкости свободнопоршневого двигателя (фиг. 2, а, б, t₅-t₆, t₇-t₈). Необходимо перейти от Е₁ к Е₂, что равносильно изменению объема V_р.ж.д. рабочей жидкости свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания и V_р.ж.р.рабочей жидкости регулятора 13 на величину V' перевода разницы величин степеней сжатия |Е₂ - Е₁| в объем
V^′= E₂-E , α= , где V₁ - объем камеры сгорания при начальной степени сжатия Е₁,
V₂ - объем камеры сгорания при измененной степени сжатия Е₂. Следовательно,
V_дв. = V_р.ж.р. ± V' + C; C = C₂ - C₁ . Режим работы, где V_дв. = var, N = var, E = var, t₉-t₁₀ является комбинацией режимов V_дв.= = var, N = var, E = const, t₁-t₂, и N = const, V_дв. = const, E = var, t₅-t₆. Поясним подробнее. Необходимо одновременно увеличить мощность и степень сжатия свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания (фиг. 2, в, г, t₉-t₁₀). Задатчик режима работы 17 через усилитель-преобразователь 16 воздействует на поршень 12, который относительно цилиндра 14 изменяет свое положение таким образом, что объем V_р.ж.р. рабочей жидкости регулятора в камере 15 увеличивается с (V_р.ж.р.)_min - V₁' + V₂' до (V_р.ж.р.)_max - V₁', т.е. V_р.ж.р. увеличился на ΔV_р.ж.р. - V₂', где
ΔV_р.ж.р. = (V_р.ж.р.)_max - (V_р.ж.р.)_min
(V_р.ж.р.)_min - V₁' + V₂' + ΔV_р.ж.р. - V₂' = =(V_р.ж.р.)_max - V₁' . Увеличение объема V_р.ж.р. рабочей жидкости регулятора на ΔV_р.ж.р.обусловлено увеличением объема V_дв. свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания от (V_дв.)_min до (V_дв.)_max (фиг. 2, а, б, t₉-t₁₀). А уменьшение на величину V₂' обусловлено увеличением степени сжатия от (Е)_min до (E)_max (фиг. 2, в, t₉-t₁₀). Объем V_р.ж.д. рабочей жидкости свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания уменьшается с (V_р.ж.д.)_max + V₁' - V₂' до (V_р.ж.д.)_min + V₁', т.е. V_р.ж.д. уменьшился на ΔV_р.ж.д. - V₂', где ΔV_р.ж.д. = (V_р.ж.д.)_max - -(V_р.ж.д.)_min, (V_р.ж.д.)_max + V₁' - V₂' - (Δ V_р.ж.д.- -V₂') = (V_р.ж.д.)_min + V₁'. Уменьшение объема V_р.ж.д. рабочей жидкости свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания на ΔV_р.ж.д. происходит за счет увеличения V_дв.объема свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания с (V_дв.)_min до (V_дв.)_max (фиг. 2, б, t₉-t₁₀). А вычитание V₂' обусловлено увеличением степени сжатия от (Е)_min до (E)_max (фиг. 2, в, t₉-t₁₀). Режим: V_дв. - снижаем, N - снижаем, Е - снижаем. Необходимо одновременное снижение мощности и степени сжатия до номинальных значений (фиг. 2, в, г, t₁₁-t₁₂). Задатчик режима работы 17 через усилитель-преобразователь 16 воздействует на поршень 12, который относительно цилиндра 14 изменяет свое положение таким образом, что V_р.ж.р. объем рабочей жидкости регулятора уменьшается от (V_р.ж.р.)_max - V₁' до (V_р.ж.р.)_н, т.е. V_р.ж.р. уменьшился на , где
) (фиг. 2а, ). А V_р.ж.д. объем рабочей жидкости свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания увеличился до (V_р.ж.д.)_min + V₁' до (V_р.ж.д.)_н. т.е. увеличился на +V′1

, где (фиг. 2, а, t₁₁-t₁₂). Следовательно снижается объем двигателя V_дв. (фиг. 2, б, t₁₁-t₁₂), снижается мощность N (фиг. 2, г, t₁₁-t₁₂). Режим: V_дв. - снижаем, N - снижаем, Е - увеличиваем. Необходимо снижение мощности до (N)_min (фиг. 2, в, t₁₃-t₁₄) с одновременным увеличением степени сжатия до (Е)_max(фиг. 2, в, t₁₃-t₁₄). Задатчик режима работы 17 через усилитель-преобразователь 16 воздействует на поршень 12, который относительно цилиндра 14 изменяет свое положение таким образом, что V_р.ж.р. объем рабочей жидкости регулятора снижается от (V_р.ж.р.)_н до (V_р.ж.р.)_min - V1', т.е. V_р.ж.р. уменьшился на +V′1 , где
()_н-()_min
(V_р.ж.р.)_н-+V= (V_р.ж.р.)_min-V′1 А объем V_р.ж.д. рабочей жидкости свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания увеличился с (V_р.ж.д.)_н до (V_р.ж.д.)_max + V₁', т.е. V_р.ж.д. увеличился на , где
(фиг. 2, а, t₁₃-t₁₄). Следовательно снижается V_дв. объем свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания (фиг. 2, б, t₁₃-t₁₄). Режим V_дв. - увеличиваем, N - увеличиваем, Е - снижаем аналогичен режиму (фиг. 2, t₁₃-t₁₄).

Сущность изобретения: двигатель содержит по крайней мере два одинаковых рабочих цилиндра 1, 2, каждый из которых содержит рабочий поршень 3, 4, разделяющий объем цилиндра на герметичную рабочую камеру, в которой установлены элементы механизма газораспределения 6, 7 и элементы системы подачи топлива 8, и герметичную подпоршневую полость, заполненную рабочей жидкостью и соединенную герметичной соединительной магистралью 5 с подпоршневой полостью другого рабочего цилиндра, преобразователь движения рабочей жидкости в механическую энергию 9, регулятор 13 объема рабочей жидкости подпоршневых полостей цилиндров, камера изменяемого объема 15 которого заполнена рабочей жидкостью и герметически присоединена к соединительной магистрали 5 подпоршневых полостей. Изменяя объем рабочей жидкости за счет изменения объема жидкости регулятора, можно изменять рабочий объем двигателя, степень сжатия, а также работать на различных видах топлива без изменения конструктивных параметров двигателя. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий по меньшей мере два рабочих цилиндра, каждый из которых содержит рабочий поршень, разделяющий объем цилиндра на рабочую камеру, в которой установлены элементы механизма газораспределения и элемент системы подачи топлива, и герметичную подпоршневую полость, заполненную рабочей жидкостью и соединенную герметичной соединительной магистралью с подпоршневой полостью другого рабочего цилиндра, систему подачи топлива, механизм газораспределения, задатчик режима работы двигателя, преобразователь движения рабочей жидкости в механическую энергию, отличающийся тем, что, с целью одновременного обеспечения взаимонезависимого изменения рабочего объема двигателя, степени сжатия и вида топлива в процессе работы двигателя при сохранении необходимой рабочей мощности, двигатель дополнительно снабжен регулятором объема рабочей жидкости подпоршневых полостей цилиндров, камера изменяемого объема которого заполнена рабочей жидкостью и герметически присоединена к соединительной магистрали подпоршневых полостей, а элемент регулировки его рабочего объема соединен через дополнительно введенный усилитель-преобразователь с задатчиком режима работы двигателя, соединенным с системой подачи топлива и механизмом газораспределения. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что регулятор объема рабочей жидкости подпоршневых полостей цилиндров выполнен в виде цилиндра, герметически соединенного с соединительной магистралью подпоршневых полостей, внутри которого размещен поршень, образующий рабочую камеру, заполненную рабочей жидкостью, другая сторона поршня соединена с задатчиком режима работы через усилитель-преобразователь.