СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F02B71/04 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к свободнопоршневым двигателям, и может быть использовано на транспорте.

Известен двигатель ДВС свободнопоршневого типа /см. книгу Б.Н. Бирюкова "От водяного колеса до квантового ускорителя", из-во "Машиностроение", г. Москва, 1990 г. стр.62/.

Двигатель состоит из цилиндра со свободно размещенными в нем двумя поршнями, выполненными из ферромагнитного материала и амортизаторами на торцовых крышках цилиндра. На цилиндре с обоих его концов намотаны обмотки. Подавая постоянный ток на которые при движении поршней будет вырабатываться переменный электрический ток. Недостатком этого двигателя является то, что рабочее тело используется однократно.

Известен также свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания /см. заявку ФРГ N 2355728/, выбранный в качестве прототипа, который содержит рабочий цилиндр с соосно размещенными в нем поршнями и впускными и выпускными клапанами. На цилиндре ДВС размещены обмотки.

Поршни установлены на жестком стальном штоке и выполнены из ферромагнитного материала. Недостатком двигателя является однократное использование рабочего тела, вследствие чего низкий КПД.

Заявляемое изобретение обеспечивает создание экономичных с высоким КПД малошумных, экологически чистых свободнопоршневых ДВС путем многократного использования газов с введением в них под давлением нагретой воды.

Указанный результат достигается тем, что свободнопоршневой ДВС содержит основной рабочий цилиндр с соосно размещенными в нем поршнями и впускным и выпускным каналами, с размещенными на цилиндре обмотками и с поршнями, выполненными из ферромагнитного материала и жестко связанными между собой стальным штоком, снабжен дополнительным рабочим цилиндром и безлопаточной парогазовой радиально-осевой турбиной, газовые полости которых патрубками последовательно сообщены между собой и через невозвратные клапаны с выпускными каналами основного рабочего цилиндра, при этом стальной шток основного рабочего цилиндра установлен с возможностью перемещения сквозь центральное отверстие соленоида, а дополнительный рабочий цилиндр снабжен обмотками и единственным поршнем, выполненным также из ферромагнитного материала, причем на торцевых крышках его установлены регулируемые водяные амортизаторы-форсунки, взаимодействующие с поршнем.

При этом безлопаточная парогазовая турбина снабжена валом отбора мощности с ротором диностартера и выполнена в виде пустотелого цилиндрического ротора с размещенными по периметру реактивными соплами, оси которых направлены наклонно в сторону, противоположную вращению ротора, установленного в корпусе с возможностью вращения вокруг центральной пустотелой оси, и неподвижного газоподводящего диска, размещенного внутри ротора и снабженного реактивными соплами, оси которых направлены наклонно на внутреннюю поверхность ротора.

На чертеже представлен свободнопоршневой двигатель.

Свободнопоршневой двигатель состоит из основного рабочего цилиндра 1, дополнительного рабочего цилиндра 2, парогазовой турбины 3, последовательно сообщенных.

В рабочем цилиндре 1 соосно размещены поршни 4, выполненные из ферромагнитного материала и жестко связанные между собой стальным штоком 5, проходящим сквозь центральное отверстие 6 пускового соленоида 7, размещенного в центральном отсеке 8 с впускным патрубком 9 и переборками 10 с впускными клапанами 11 для поступления воздуха в подпоршневые пространства 12. Поршни 4 пустотелые и снабжены перепускными клапанами 13. В торцовых крышках 13 цилиндра 1 выполнена расточка для свободного размещения в ней перепускных клапанов 15, камеры сгорания и отверстия для размещения форсунок подачи топлива или свечей зажигания. С торцов обеих переборок 10 закреплены кольцевые аварийные амортизаторы 17 для предотвращения ударов поршней о их торцы. Газовые полости цилиндра 1 через выпускные каналы 18, при помощи патрубков 19, сообщены через невозвратные клапаны 20 с дополнительным цилиндром 2 через его торцовые крышки 21, снабженные декомпрессорами 22. В центральной части внутренних проницаемых переборок 23 установлены регулируемые водяные амортизаторы-форсунки 24, взаимодействующие с поршнем 25, выполненным из ферромагнитного материала, размещенным в цилиндре 2 с возможностью поступательного движения. В средней части вспомогательного цилиндра 2 выполнены каналы 26, сообщающиеся с патрубком 27 центральной пустотелой осью 28 с неподвижным газоподводящим диском 29, размещенным внутри пустотелого цилиндрического ротора 30 турбины 3, с размещенными по периметру реактивными соплами 31, установленного в корпусе 32 турбины 3.

Неподвижный газопроводящий диск 29 снабжен реактивными соплами 33, оси которых направлены наклонно на внутреннюю поверхность ротора 30 в сторону его возможного вращения. Ротор 30 снабжен валом отбора мощности 34 с ротором диностартера 35. На цилиндрах 1 и 2 размещены обмотки 36.

При подаче напряжения на соленоид 7 он втягивает в себя стальной шток 5, заставляя одновременно передвигаться поршни 4. При движении поршня 4 от переборки 10 через впускной открывшийся клапан 11 в подпоршневое пространство всасывается воздух. В это время в пространстве над поршнем воздух сжимается и при достижении поршнем верхней мертвой точки (ВМТ) в камеру сгорания впрыскивается форсункой топливо, горячие газы, расширяясь, заставляют поршень 4 двигаться к переборке 10. В это время в пространстве под поршнем воздух сжимается, впускной клапан 11 закрыт. При открытии поршнем выпускного канала 18 отработавшие газы с большой скоростью через патрубок 19 и открывшийся невозвратный клапан 20 поступают в цилиндр 2, в поршне 4 открывается перепускной клапан 15 и происходит продувка, отработавшие газы заставляют поршень 25 перемещаться к переборке 23.

Войдя во взаимодействие с регулируемым водяным амортизатором-форсункой 24, поршень 25 сжимает его, при этом через отверстия, выполненные по периметру у торца подвижной части амортизатора, в цилиндр под давлением и высокой температурой впрыскивается вода, которая, смешиваясь с раскаленными газами, превращается в пар. В это время через открывшиеся выпускные каналы 26 отработавшая парогазовая смесь через патрубок 27, пустотелую ось 28, неподвижный газопроводящий диск 29, реактивные сопла 33 устремляется на внутреннюю поверхность ротора 30 в сторону его вращения. В это время в противоположном конце рабочего цилиндра 1 происходят обратные процессы. Далее рабочий цикл повторяется. Из струй парогазовой смеси на внутренней поверхности ротора формируется плоский водяной поток, сдвигающее усилие которого преобразуется в силу вращения ротора. Реактивные сопла 31 преобразуют поток в высокоскоростные струи, направление движения которых противоположно направлению вращения ротора. Отработавшая парогазовая смесь направляется в очиститель, а из очистителя, пройдя глушитель, в атмосферу. Если на обмотки 36 подавать постоянное напряжение, то при движении поршней индуктивность обмоток будет меняться и в них будет вырабатываться электрический ток. Для раскручивания ротора 30 турбины 3 на диностартер 35 подается ток, при вращении ротора 30 от парогазовой смеси или по инерции династартер вырабатывает ток.

Двигатель может работать в трех режимах:
1. При подаче топлива работают оба цилиндра и турбина одновременно для зарядки аккумуляторных батарей (АБ) и движения транспортного средства.

2. При неработающих цилиндрах и вращающемся роторе турбины (маховика), за счет подачи электроэнергии от аккумуляторных батарей на династартер.

3. Движение за счет раскрученного ротора турбины (маховика).

На всех режимах работы двигатель экологически чист, малошумен и экономичен. В двигателе механическая энергия движения поршней и вращения маховика (безлопаточной парогазовой радиально-осевой турбины) сразу преобразуется в электрическую энергию.

Металлоемкость данного двигателя по сравнению с существующими дизель-генераторами такой же мощности уменьшается почти в два раза.

Технологичность, простота конструкции и обслуживания очевидны.

Использование: энергомашиностроение. Сущность изобретения: двигатель содержит рабочие цилиндры 1 и 2 и паро-газовую турбину 3. Поршни 4 цилиндра 1 жестко связаны между собой штоком 5. Выпускные каналы 18 цилиндра 1 сообщены патрубками 19 с крышками 21 цилиндра 2 и размещенными в них клапанами 29 и водяными амортизаторами-форсунками 24. Выпускной патрубок 27 цилиндра 2 сообщается с пустотелой осью 28 парогазовой турбины 3, снабженной валом отбора мощности 34 с ротором диностартера на нем 35. На цилиндрах 1 и 2 размещены обмотки 36. В двигателе механическая энергия движения поршней 4 и 25 и вращения диностартера 35 преобразуется в электрическую энергию. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий основной рабочий цилиндр с соосно размещенными в нем поршнями и впускными и выпускными каналами, причем на цилиндре размещены обмотки, а поршни выполнены из ферромагнитного материала и жестко связаны между собой стальным штоком, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным рабочим цилиндром и безлопаточной парогазовой радиально-осевой турбиной, газовые полости которых последовательно сообщены при помощи патрубков между собой и через невозвратные клапаны с выпускными каналами основного рабочего цилиндра, при этом шток поршней основного рабочего цилиндра проходит сквозь центральное отверстие соленоида, дополнительный рабочий цилиндр снабжен обмотками и единственным поршнем, выполненным из ферромагнитного материала, а на торцевых крышках его установлены регулируемые водяные амортизаторы-форсунки, взаимодействующие с поршнем. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что парогазовая турбина снабжена валом отбора мощности с ротором династартера и выполнена в виде пустотелого цилиндрического ротора с размещенными по периметру реактивными соплами, установленного в корпусе с возможностью вращения вокруг центральной пустотелой оси и неподвижного газоподводящего диска, размещенного внутри ротора и снабженного реактивными соплами, оси которых направлены наклонно на внутреннюю поверхность ротора.