ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ПРИВОД КЛАПАНА ОДНОТАКТНОГО СВОБОДНОПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ С ВНЕШНЕЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ Российский патент 2009 года по МПК F01L25/04 F02B71/00 

Область техники

Изобретение относится к области энергомашиностроения.

Уровень техники

Ближайший аналог двигателя, в котором может использоваться заявленное изобретение - свободнопорашевая машина, П.А.Шелест, "Безвальные генераторы газов", МАШГИЗ, Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, Москва, 1960, с.154-188. Процесс наполнения цилиндра воздухом и выпуска отработавших газов из цилиндра осуществляется через впускные и выпускные окна. Такой способ газообмена не позволяет в процессе работы двигателя менять фазы впуска и выпуска в зависимости от нагрузки и частоты рабочих циклов. Применение клапанов для этих целей затруднено тем, что в момент, когда необходимо приводить в действие клапаны, кинетическая энергия поршней приближается к минимуму, недостаточному для выполнения этих операций. Проблема может быть решена за счет использования непосредственно энергии сжатого компрессором воздуха.

Сущность изобретения

Сущность изобретения поясняется описанием принципа действия агрегатов, для обеспечения работоспособности которых оно предназначено.

Принцип действия энергомодуля, преобразующего энергию моторного топлива в электроэнергию и включающего однотактный свободнопоршневой двигатель с внешней камерой сгорания и линейный электрогенератор

В состав энергомодуля входят, фиг.1:

1 - камера сгорания, 2 - форсунка, 3 - свеча зажигания, 4, 9, 10, 11, 13, 14, 15, 16 - газораспределительные клапаны, 5, 8 - поршни, 6 - шток, 7 - якорь, 12 - статорная катушка.

При пуске энергомодуля в камеру сгорания 1 форсункой 2 подается топливо и воспламеняется свечой зажигания 3. Продукты сгорания через клапан 4 поступают в левую полость поршня 5. Под их воздействием поршень 5 и соединенные с ним штоком 6 якорь 7 и поршень 8 движутся слева направо. Площадь торцевой поверхности поршня 5 больше площади его противоположной поверхности на величину плошади поперечного сечения штока 6. Следовательно, давление воздуха в правой полости поршня 5 больше давления продуктов сгорания в его левой полости. Поэтому воздух из правой полости поршня 5 открывает клапан 9 и поступает в камеру сгорания 1, обеспечивая тем самым воздухом процесс горения топлива. Одновременно воздух из правой полости поршня 8 через клапан 10 выбрасывается в атмосферу. Воздух из атмосферы открывает клапан 11 и поступает в левую полость поршня 8. Магнитный поток движущегося якоря 7 пересекает витки статорной катушки 12 и в статорной катушке генерируется импульс электроэнергии. По достижению поршнями крайнего правого положения система управления /не показана/ переводит клапаны 4, 10, 13, 14 в противоположное положение. Продукты сгорания из камеры сгорания 1 через открывшийся клапан 13 поступают в правую полость поршня 8 и поршни 5, 8 и якорь 7 движутся справа налево. Воздух из левой полости поршня 8 закрывает клапан 11 и через открывшийся клапан 15 поступает в камеру сгорания 1. Клапан 9 закрывается и воздух из атмосферы через открывшийся клапан 16 засасывается в правую полость поршня 5, а отработавшие газы через открывшийся клапан 14 выбрасываются в атмосферу. Магнитный поток якоря 7 пересекает витки статорной катушки 12 и в ней генерируется импульс электроэнергии противоположного знака. Таким образом обеспечивается генерирование электроэнергии.

Впускные 4, 13 и выпускные 10, 14 клапаны для обеспечения оптимального режима работы двигателя должны при миниуме потребления энергии гибко в соответствии с частотой рабочи циклов и нагрузкой менять фазу срабатывания.

Принцип действия пневматического привода клапана однотактного свободнопоршневого двигателя с внешней камерой сгорания

В состав пневматического привода клапана входят, фиг.2: 17 - канал подачи продуктов сгорания, 18 - седло клапана, 19 - цилиндр двигателя, 20 - воздухораспределитель, 21 - канал подачи сжатого воздуха, 22 - поршень привода клапана, 23 - клапан двигателя, 24, 25 - каналы выпуска отработавшего воздуха, 26 - фитимо, 27 - головка клапана, 28 - канал подачи охладителя.

Продукты сгорания из камеры сгорания /не показана/ по каналу 17 /фиг.2,а/ через отверстие седла клапана 18 поступают в цилиндр двигателя 19 и поршень двигателя /не показан/ движется слева направо. После того как продукты сгорания сообщат поршню двигателя рабочую скорость, система управления привода /не показана/ устанавливает воздухораспределитель 20 в положение, как показано на фиг.2. Воздух из трубопровода на отрезке пути от компрессора, от клапанов 9 и 15 /фиг.1/ до камеры сгорания 1 по каналу 21 /фиг.2/ поступает в левую полость поршня привода клапана 22, в результате чего соединенный с ним клапан 23 перемешается в право и закрывает отверстие седла клапана 18. После завершения цикла расширения продуктов сгорания поршень двигателя начинает движение справа налево. Одновременно открывается второй, выпускной, клапан, принцип действия которого идентичен таковому впускному клапану. После выпуска отработавших газов из цилиндра двигателя система управления переводит воздухораспределитель 20 в положение, как показано на фиг.2,б. Воздух из компрессора по каналу 21 поступает в правую полость поршня, привода клапана 22 и клапан 23 под его воздействием перемещается в крайнее левое положение и открывает отверстие седла клапана 18. Начинается очередной рабочий цикл. В обоих случаях отработавший воздух из противоположных полостей поршня привода клапана 22 по каналам 24 и 25 выбрасывается в атмосферу.

Поскольку клапаны двигателя работают в условиях повышенных температур, особенно впускной клапан, может потребоваться их принудительное охлаждение. Воздухораспределитель 23 - полый, его внутренняя поверхность выстлана фитимо 26, капиллярной структурой, которая пропитана хладагентом. Под действием высоком температуры хладагент у головки клапана 27 испаряется, его пары перемешаются в "холодную" левую полость клапана двигателя 23, которая охлаждается протекающей по трубопроводу 28 жидкостью или газом. Хладагент в этой области конденсируется, в жидком состоянии впитывается фитимо 26 и по капиллярам перемещается к головке клапана двигателя 27, где вновь испаряется, перенося тепло в "холодную" полость клапана двигателя 23. Круговорот хладоагента - перенос тепла - происходит непрерывно.

Раскрытие изобретения

Задача заявленного изобретения - обеспечение газообмена в однотактном свободнопоршневом двигателе с внешней камерой сгорания за счет энергии сжатого после компрессора воздуха - решается пневматическим приводом клапана двигателя, который включает клапан двигателя, поршень привода клапана двигателя, соединенный с клапаном двигателя, воздухораспределитель и систему управления приводом. Система управления приводом отслеживает текущее положение поршня двигателя и в момент, когда тербуется открыть или закрыть клапан двигателя, устанавливает воздухораспределитель в положение, обеспечивающее поступление сжатого воздуха в ту полость поршня привода клапана двигателя, в которой сжатый воздух, воздействуя на поршень привода клапана двигателя, открывает или закрывает клапан двигателя. Отличие пневматического привода клапана двигателя состоит в том, что сжатый воздух для приведения в действие привода клапана двигателя отбирается на отрезке пути сжатого воздуха от компрессора до камеры сгорания.

Промышленная применимость

Пневматический привод клапана однотактного свободнопоршневого двигателя обладает следующими по сравнению с другими типами приводов клапанов достоинствами:

- для приведения в действие клапана двигателя используется в основном непосредственно энергия сжатого компрессором воздуха,

- отличается меньшей массой и объемом, меньшими энергозатратами,

- может применяться в свободнопоршневом двигателе любого типа, у которого имеется источник сжатого воздуха,

- позволяет при сравнительной простоте конструкции оперативно изменять фазы впуска и выпуска клапана в зависимости от нагрузки на двигатель и сорта применяемого топлива, управлять параметром "время-сечение" в процессе работы двигателя,

- сравнительно невысокая температура сжатого воздуха не требует использования дефицитных материалов,

- проектирование и производство не потребует значительных затрат и переоснащения основных фондов производства.

Чертежи:

Фиг.1. Энергомодуль в составе однотактного свободно-поршневого двигателя с внешней камерой сгорания и линейного электрогенератора:

1 - камера сгорания, 2 - форсунка, 3 - свеча зажигания, 4, 9, 10, 11, 13, 14, 15, 16 - газораспределительные клапаны, 5, 8 - поршни, 6 - шток, 7 - якорь, 12 - статорная катушка.

Фиг.2. Пневматический привод клапана однотактного свободнопоршневого двигателя:

17 - канал подачи продуктов сгорания, 18 - седло клапана, 19 - цилиндр двигателя, 20 - воздухораспределитель, 21 - канал подачи сжатого воздуха, 22 - поршень привода клапана, 23 - клапан двигателя, 24, 25 - каналы выпуска отработавшего воздуха, 26 - фитимо, 27 - головка клапана, 28 - канал подачи охладителя.

Изобретение относится к области энергомашиностроения. Пневматический привод клапана однотактного свободнопорщневого двигателя с внешней камерой сгорания обеспечивает действие газораспределительного клапана за счет энергий сжимаемого компрессором двигателя воздуха перед камерой сгорания. Система управления приводом отслеживает текущее положение поршня двигателя и в момент, когда требуется открыть или закрыть клапан двигателя, устанавливает воздухораспределитель в положение, обеспечивающее поступление сжатого воздуха в ту полость поршня привода клапана двигателя, в которой сжатый воздух, воздействуя на поршень привода клапана двигателя, открывает или закрывает клапан двигателя. Отличие пневматического привода клапана двигателя состоит в том, что сжатый воздух для приведения в действие привода клапана двигателя отбирается на отрезке пути сжатого воздуха от компрессора до камеры сгорания. Изобретение обеспечивает уменьшение энергозатрат. 2 ил.

Пневматический привод клапана однотактного свободнопоршневого двигателя с внешней камерой сгорания, включающий клапан двигателя, поршень привода клапана двигателя, соединенный с клапаном двигателя, воздухораспределитель, систему управления приводом и предназначаемый обеспечивать газообмен в однотактном свободнопоршневом двигателе с внешней камерой сгорания, для чего система управления приводом отслеживает текущее положение поршня двигателя и в момент, когда требуется открыть или закрыть клапан двигателя, устанавливает воздухораспределитель в положение, обеспечивающее поступление сжатого воздуха в ту полость поршня привода клапана двигателя, в которой сжатый воздух, воздействуя на поршень привода клапана двигателя, открывает или закрывает клапан двигателя, отличающийся тем, что сжатый воздух для приведения в действие привода клапана двигателя отбирается на отрезке пути сжатого воздуха от источника сжатого воздуха до камеры сгорания двигателя.