ДВИГАТЕЛЬ-КОМПРЕССОР Российский патент 1999 года по МПК F02B71/06 F04B31/00 

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано при создании двигателей-компрессоров со свободно-движущимися поршнями различного назначения.

Известны различные конструкции двигателей-компрессоров со свободно-движущимися поршнями, в которых двигатель внутреннего сгорания совмещен с компрессором [1].

Недостатком известных двигателей-компрессоров является сложность их конструкции.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является двигатель-компрессор, содержащий трехцилиндрический блок с впускными и выпускными окнами и клапанами, и соосно расположенными рабочими цилиндрами, где средний цилиндр, являющийся двигательным, оснащен системами впрыска топлива, зажигания и продувки, при этом цилиндр содержит в полости камеру сгорания, ограниченную с двух сторон свободно-движущимися поршнями двигателя, связанными между собой механизмом синхронизации, а два других - крайних цилиндра, являющимся компрессорными, заглушены с торцов и содержат в полости компрессорные поршни, каждый из которых связан с соответствующим поршнем двигателя, образуя с внутренней торцевой поверхностью цилиндра камеру сжатия [2].

Конструкция известного двигателя-компрессора достаточно сложна, что обусловлено наличием механизма синхронизации шатунно-шарнирного, либо реечно-шестеренчатого типа. Кроме того, управление системой впрыска топлива, зажигания и продувки в устройстве осуществляются, как правило через, коленчатый вал и сложную систему программных кулачков, что исключает возможность использования для этих целей компактных и более эффективных электронных систем. Конструкция известного двигателя-компрессора не позволяет также использовать сами поршни двигателя внутреннего сгорания одновременно с поршнями компрессора для получения сжатого воздуха, что снижает эффективность их работы.

Целью настоящего изобретения является упрощение конструкции двигателя-компрессора и повышение эффективности его работы.

Поставленная цель достигается тем, что в известном двигателе-компрессоре, содержащем соосно размещенные в едином блоке поршневой компрессор и два двигателя внутреннего сгорания, каждый из которых содержит форсунку, свечу зажигания и свободно-движущийся в цилиндрической полости поршень, связанный с поршнем компрессора, а также впускные и выпускные патрубки, размещенные на уровне камеры сжатия, поршневой компрессор размещен между двигателями внутреннего сгорания и отделен от них с двух сторон разделительными перегородками, при этом перегородки снабжены отверстиями по оси, куда заключен шток, к концам которого прикреплены поршни двигателей, а к средней части штока прикреплен поршень компрессора, при этом на боковой поверхности цилиндра компрессора образован сквозной продольный паз, куда заключен управляющий шток, в виде консоли, прикрепленный к поршню компрессора.

Поршень компрессора выполнен в виде цилиндра с двумя противоположно направленными относительно плоскости симметрии полостями, при этом двигатели внутреннего сгорания содержат у основания впускные и выпускные патрубки, снабженные клапанами.

На фиг. 1 представлена схема двигателя-компрессора со свободно-движущимися поршнями, а на фиг. 2 - фрагмент поршневого компрессора. Двигатель компрессора (фиг. 1) содержит соосно размещенные в едином блоке двигатели внутреннего сгорания 1 и 2, а также размещенный между ними поршневой компрессор 3. Двигатели внутреннего сгорания 1 и 2 конструктивно идентичны и размещены симметрично относительно линии симметрии (C-C). Каждый двигатель внутреннего сгорания содержит размещенный в цилиндрической полости свободно-движущийся поршень 4. В головной части цилиндра 5 размещены форсунка 6 свеча зажигания 7. Каждый двигатель внутреннего сгорания 1 и 2 содержит в верхней части патрубки 8 и 9 для продувки камеры сгорания 10, а в нижней части - патрубки 11 и 12 для впуска воздуха в подпоршневое пространство 13 и выпуска его наружу. Поршневой компрессор 3 снабжен с торцов разделительными перегородками 14 и 15. По оси разделительных перегородок 14 и 15 предусмотрены осевые отверстия 16 и 17, куда заключен шток 18. К концам штока 18 прикреплены поршни 4 двигателей внутреннего сгорания 1 и 2, а к средней ее части прикреплен поршень 19 компрессора 13. Поршень компрессора выполнен в виде цилиндра 20 (фиг. 2) с двумя противоположно направленными относительно плоскости симметрии полостями 21, разграниченными перегородкой 22. На боковой поверхности поршневого цилиндра компрессора 3 образован сквозной продольный паз 23. При этом к поршню 19 прикреплен управляющий шток 24 в виде консоли, свободный конец которого через сквозной продольный паз 23 выходит наружу. Длина поршня 19 подбирается таким образом, чтобы при его движении в рабочих пределах сквозной продольный паз 23 был всегда прикрыт боковой поверхностью поршня 19. Поршневой компрессор 3 содержит впускные патрубки 25 и 26, а также выпускные патрубки 27 и 28. Патрубки 25 и 27 обеспечивают впуск и выпуск воздуха в надпоршневое его пространство 29, а патрубки 26 и 28 впуск и выпуск воздуха в подпоршневое его пространство 30. Все впускные и выпускные патрубки двигателей внутреннего сгорания 1 и 2 за исключением патрубков 8, а также впускные и выпускные патрубки поршневого компрессора 3 снабжены клапанами (чтобы не осложнять представленную схему клапана на чертеже специально не обозначены). При этом патрубки 8 двигателей внутреннего сгорания подключены к продувочному насосу, а выпускные патрубки компрессора 27 и 28 подключены к воздушному рессиверу (на чертеже продувочный насос и рессивер не показаны). Двигатель-компрессор содержит также электронный блок управления 31, связанный через соответствующие электрические кабели 32, 33 и 34 и исполнительные механизмы 35, 36 и 37, с выпускным патрубком 9, форсункой 6 и свечой зажигания 7 каждого двигателя внутреннего сгорания 1 и 2. Управляющий шток 24 содержит на конце постоянный магнит 38. При этом вдоль корпуса компрессора 3 на уровне сквозного продольного паза 23 размещены датчики Хола 39, 40 и 41, реагирующие на магнитное поле постоянного магнита 38. Датчики Хола 39, 40 и 41 подключены к электронному блоку управления 31.

Двигатель-компрессор работает следующим образом.

В исходном положении поршни 4 двигателей внутреннего сгорания 1 и 2 находятся в нейтральном положении, т. е. симметрично относительно линии симметрии (C-C), либо смещены несколько в ту, или другую сторону. Независимо от этого запуск двигателей 1 и 2 может быть осуществлен при подаче сжатого воздуха в один из выпускных патрубков 9. В данном случае для запуска двигателей 1 и 2 открывается патрубок 9 нижнего двигателя 2, связанный с воздушным рессивером (на чертеже рессивер не показан). При этом сжатый воздух из воздушного рессивера поступает в подпоршневое пространство 13 двигателя 2 и, воздействуя на поршень 4, начинает перемещать его вверх. При перемещении поршня 4 вверх вместе с ним перемещаются и два других поршня 4 и 19, сидящие на штоке 18. В момент закрытия поршнем 4 верхнего двигателя 1 впускного патрубка 8, с помощью форсунки 6 осуществляется впрыск топлива в камеру сгорания 10. При дальнейшем движении поршня 4 вверх происходит сжатие топливной смеси в камере сгорания 10 верхнего двигателя 1. Верхний впускной патрубок 8 при этом остается закрытым поверхностью поршня 4 на всем участке его движения вверх. При достижении поршнем 4 двигателя 1 верхней мертвой точки с помощью свечи зажигания 7 воспламеняется топливная смесь в камере сгорания 10 верхнего двигателя 1 и одновременно открывается на короткий промежуток времени выпускной патрубок 9 нижнего двигателя 2. При открытии выпускного патрубка 9 нижнего двигателя 2 сжатый воздух от воздушного насоса (на чертеже не показан) через впускной патрубок 8 поступает в камеру сгорания 10 и продувает его. Далее, при возгорании топливной смеси в камере сгорания 10 верхнего двигателя 1 направление движения поршня 4 двигателя 1 меняется. Под действием газов в камере сгорания 10 поршень 4 начинает двигаться вниз. Вместе с ним движутся вниз и размещенные на штоке 18 поршень 4 нижнего двигателя 2 и поршень 19 компрессора 3. В момент перекрытия поршнем 4 двигателя 2 впускного патрубка 8 осуществляется впрыск топлива с помощью форсунки 6 в камеру сгорания 10 нижнего двигателя 2. При дальнейшем движении поршня 4 вниз происходит сжатие топливной смеси в камере сгорания 10 нижнего двигателя 2, а при достижении поршнем 4 крайнего нижнего (по чертежу) положения происходит воспламенение топливной смеси с помощью свечи зажигания 7 и одновременно на короткий промежуток времени открывается выпускной патрубок 9 верхнего двигателя 1. При этом воздух от воздушного насоса поступает через впускной патрубок 8 в камеру сгорания 10 верхнего двигателя 1 и продувает его. После воспламенения топливной смеси в камере сгорания 10, нижнего двигателя 2 поршень 4 начинает перемещаться вверх. Таким образом повторяется весь предыдущий цикл работы двигателей. В процессе работы двигателей 1 и 2 компрессор 3 нагнетает сжатый воздух в воздушный рессивер. Процесс нагнетания воздуха осуществляется по традиционной схеме. При движении компрессора 19 вверх сжатый воздух из верхнего подпоршневого пространства 29 нагнетается в воздушный рессивер. При этом воздух через патрубок 26 всасывается в нижнее подпоршневое пространство 30 компрессора 3. Патрубки 25 и 28 при этом закрыты, а патрубки 26 и 27 открыты. При движении поршня 19 компрессора 3 вниз нагнетание сжатого воздуха в воздушный рессивер происходит уже из нижнего подпоршневого пространства 30, при этом в верхнее подпоршневое пространство 29 происходит всасывание воздуха через патрубок 25. Патрубки 26 и 27 при этом закрыты.

В отличие от известных технических решений нагнетание воздуха в воздушный рессивер одновременно с компрессором 3 осуществляется и двигателями 1 и 2. Так, при движении поршня 4 верхнего двигателя 1 вверх в подпоршневое его пространство 13 через патрубок 11 всасывается воздух. Патрубок 12 при этом закрыт. В это же время из под поршневого пространства 13 нижнего двигателя 2 сжатый воздух через патрубок 12 нагнетается в воздушный рессивер. Патрубок 11 при этом остается закрытым.

Управление работой форсунки 6, свечей зажигания 7 и патрубком 9 двигателей 1 и 2 осуществляется с помощью электронного блока управления 31, ко входу которого подключены три датчика Хола 39, 40 и 41. Датчик Хола 40 размещен на уровне средней линии (C-C), а два других датчика Хола 39 и 41 размещены симметрично относительно этой линии, по ходу движения магнита 38.

При прохождении поршня 19 компрессора 3 через линию симметрии (C-C) снизу вверх датчик 40, реагируя на магнитное поле проходящего мимо магнита 38, вырабатывает сигнал и передает его не вход электронного блока управления 31. Последний вырабатывает управляющий сигнал и передает его по верхнему электрическому кабелю 33 на исполнительный механизм 36, который срабатывает и включает форсунку 6 верхнего двигателя 1. По мере дальнейшего перемещения поршня 4 вверх, топливная смесь в камере сгорания 10 двигателя 1 сжимается. При достижении поршнем 4 верхней мертвой точки, срабатывает датчик Хола 39, который реагируя на проходящий мимо магнит 38, выдает сигнал на вход электронного блока 31. Последний, вырабатывает сразу два управляющих сигнала, один из которых по верхнему электрическому кабелю 34 передается на верхний исполнительный механизм 37, а второй управляющий сигнал по нижнему электрическому кабелю 32 передается на нижний исполнительный механизм 35. При этом исполнительный механизм 35, воздействуя на выпускной патрубок 9 нижнего двигателя 2, открывает его на короткий промежуток времени, обеспечивая продувку камеры сгорания 10, а исполнительный механизм 37 в это время, воздействуя на свечу зажигания 7 верхнего двигателя 1, включает его в режим работы. После воспламенения топливной смеси в камере сгорания 10, поршень 4 верхнего двигателя 1 под действием сжатых газов начинает перемещаться вниз. При этом в момент прохождения магнита 38 средней линии (C-C) срабатывает датчик Хола 40, который реагируя на него, выдает сигнал на вход электронного блока управления 31. Последний вырабатывает управляющий сигнал и по нижнему электрическому кабелю 33 выдает его на нижний исполнительный механизм 36, который затем включает форсунку 6 нижнего двигателя 2 в режим работы. После этого происходит процесс сжатия топливной смеси в камере 10 нижнего двигателя 2. По достижении поршня 4 двигателя 2 верхней мертвой точки (на фиг. 1 он внизу, поскольку двигатель 2 перевернут), датчик Хола 41, реагируя на проходящий вниз магнит 38, выдает сигнал и передает его на вход электронного блока 31. При этом последний вырабатывает сразу два управляющих сигнала, один из которых по верхнему электрическому кабелю 32 поступает на верхний исполнительный механизм 35, а второй управляющий сигнал через нижний электрический кабель 34 поступает на нижний исполнительный механизм 37. Последний, срабатывая, включает свечу зажигания 7 нижнего двигателя 2, а верхний исполнительный механизм 35 в то же время, срабатывая открывает на короткий промежуток времени выпускной патрубок 9 верхнего двигателя 1 и обеспечивает тем самым продувку камеры сгорания 10 верхнего двигателя 1. Таким образом с помощью управляющего штока 24 с магнитом 35 на конце и электронного блока 31 с исполнительными механизмами 35, 36 и 37 обеспечивается возможность управления в автоматическом режиме всеми функциональными системами двигателя-компрессора.

Предложенное техническое решение отличается от известных простотой конструкции, а также высокой эффективностью, поскольку наряду с компрессором 3, одновременно используют для получения сжатого воздуха и подпоршневые полости двигателей 13. При этом наличие управляющего штока 24 с магнитом 38 на конце позволяет использовать для управления работой двигателя-компрессора более простые, дешевые и эффективные в сравнении с механическими системами, электронные системы управления.

Источники информации
1. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для втузов по специальности. Двигатели внутреннего сгорания./Д.Н. Вырубов, Н.А. Иващенко, В.И. Ивин и др. Под ред. А.С. Орлина, М. Г. Круглова. - 4-изд. , перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1983, с. 293-295.

2. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для студентов втузов, обучающихся по специальности. Двигатели внутреннего сгорания./В.П. Алексеев, В.И. Ивин и др. Под ред. А. С. Орлина, М.Г. Круглова. - 3-изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1980, с. 265-269. Прототип.

Изобретение относится к области двигателестроения и позволяет упростить конструкцию и повысить эффективность двигателей-компрессоров со свободно-движущимися поршнями. Двигатель-компрессор содержит соосно размещенные в едином блоке поршневой компрессор и два двигателя внутреннего сгорания. Каждый двигатель внутреннего сгорания содержит форсунку, свечу зажигания и свободно-движущийся в цилиндрической полости поршень. Компрессор разделен от двигателей с двух сторон разделительными перегородками. При этом каждая перегородка содержит отверстие по оси, куда заключен шток. К концам штока прикреплены поршни двигателей, а к средней ее части, находящейся в компрессоре, прикреплен поршень компрессора. На боковой поверхности цилиндрического корпуса компрессора предусмотрен продольный паз, куда заключен управляющий шток в виде консоли, прикрепленный к поршню компрессора. При этом управляющий шток содержит на конце постоянный магнит. 2 з.п. ф-лы., 2 ил.

1. Двигатель-компрессор, содержащий соосно размещенные в едином блоке поршневой компрессор и два двигателя внутреннего сгорания, каждый из которых содержит форсунку, свечу зажигания и свободно-движущийся в цилиндрической полости поршень, связанный с поршнем компрессора, а также впускные и выпускные патрубки, размещенные на уровне камеры сжатия, отличающийся тем, что поршневой компрессор размещен между двигателями внутреннего сгорания и отделен от них с двух сторон перегородками, при этом перегородки снабжены отверстиями по оси, куда заключен шток, к концам которого прикреплены поршни двигателей, а к средней части штока прикреплен поршень компрессора, при этом на боковой поверхности цилиндра компрессора образован сквозной продольный паз, куда заключен управляющий шток, в виде консоли, прикрепленный к поршню компрессора. 2. Двигатель-компрессор по п.1, отличающийся тем, что поршень компрессора выполнен в виде цилиндра с двумя противоположно направленными относительно плоскости симметрии полостями. 3. Двигатель-компрессор по п.1, отличающийся тем, что каждый двигатель внутреннего сгорания содержит у основания впускные и выпускные патрубки, снабженные клапанами.