СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2013 года по МПК F02B71/04 

Изобретение относится к энергетическим установкам и может быть использовано в автомобилестроении, тяжелом машиностроении и малой энергетике, в частности в виде вспомогательных двигателей транспортных механизмов на передвижных или переносных электростанциях, электросварочных агрегатах и др.

Известен свободнопоршневой двигатель по А.св. СССР 985365, МКИ 5 F02В 71/04, опубл. 30.12.82 г., содержащий дизельный двигатель внутреннего сгорания, линейный генератор и систему подачи топлива. Двигатель представляет собой цилиндр с торцевыми камерами сгорания, в районе которых расположены впускные и выпускные клапаны. Внутри цилиндра расположены поршни, соединенные перемычкой (штоком).

Генератор состоит из статора, якоря и систем возбуждения и снятия нагрузки. Статор выполнен в виде обмоток статора и обмоток возбуждения. Эти обмотки укреплены на внешней поверхности цилиндра. Якорь выполнен в виде обмоток токоприемной и возбуждения, которые уложены внутри поршней и соединены друг с другом последовательно. Система возбуждения выполнена в виде присоединительных клемм возбуждения, а система съема нагрузки выполнена в виде клемм съема нагрузки.

Система подачи топлива представляет собой форсунки, расположенные в торцевых частях цилиндра и предназначенные для подачи топлива в камеру сгорания.

Процесс преобразования энергии делится на два основных цикла: первый цикл - преобразование энергии из химической энергии топлива в механическую энергию движения поршней, а второй - механическая энергия движения поршней преобразуется в электрическую энергию. Первый цикл представляет собой рабочий процесс двухтактного дизельного двигателя, а второй, в свою очередь, делится на два этапа. На первом этапе посредством пересечения обмоткой первого поршня магнитного поля, созданного первой обмоткой статора (обмоткой возбуждения), производится возбуждение магнитного поля в первом поршне. На втором этапе происходит образование и съем электроэнергии, при чем обмотка первого поршня играет роль обмотки возбуждения для второго поршня.

Использование принципа электромагнитов в обеих частях линейного генератора позволяет получить высокую мощность магнитного поля, и, как следствие, минимизировать размеры установки.

Однако известное устройство имеет следующие недостатки. При работе устройства движение одного поршня используется для возбуждения магнитного поля в другом. Это приводит к потере рабочего процесса первого поршня для производства энергии на токосъем. Неполное использование рабочего процесса двухтактного дизельного двигателя для производства энергии на токосъем является причиной низкого кпд. Кроме того, от перегрева обмоток до температуры 500-600°C их магнитные свойства снижаются, что также понижает кпд двигателя.

Известен свободнопоршневой двигатель по А. св. СССР №1733650, МКИ 5 F02В 71/04, опубл. 15.05.92 г., состоящий из дизельного двигателя внутреннего сгорания, линейного генератора, системы подачи топлива и системы охлаждения.

Этот двигатель содержит цилиндр с выпускными клапанами в торцевых частях двигателя и продувочным окном в центральной части двигателя. Внутри гильзы расположен поршень со штоком.

Генератор состоит из статора, якоря, системы возбуждения и системы съема нагрузки. Статор выполнен в виде обмоток, закрепленных на внешней поверхности цилиндра. Якорь представляет собой обмотку, уложенную внутри поршня. Система возбуждения выполнена из щеток и проводов возбуждения. Щетки расположены внутри поршня. Они являются первой частью скользящего контакта системы возбуждения с обмоткой якоря. Второй частью скользящего контакта является пластина приема тока возбуждения, расположенная на обмотке якоря. Пластина соединена с выводами обмотки якоря. Провода подвода возбуждения расположены в штоке.

Система подачи топлива включает в себя две форсунки, расположенные в оппозитных частях цилиндра. Система охлаждения состоит из двух водяных форсунок, также расположенных в оппозитных частях цилиндра.

Преобразование энергии осуществляется так же, как в вышеприведенном двигателе и состоит из двух циклов: первый цикл - преобразование энергии из химической энергии топлива в механическую энергию движения поршней, второй - механическая энергия движения поршней преобразуется в электрическую энергию. Первый цикл представляет собой рабочий процесс двухтактного дизельного двигателя. Второй цикл, в отличие от вышеприведенного двигателя, состоит из одного этапа и представляет собой рабочий процесс линейного генератора с непосредственным возбуждением. Исключение одного этапа достигается благодаря системе непосредственного возбуждения, провода которой проходят через шток.

Принцип работы системы охлаждения состоит в том, что при достижении определенной (600-800°C) температуры отработанных газов через специальные водяные форсунки в камеру сгорания подается охлаждающая жидкость, которая, испаряясь и смешиваясь с отработанными газами, образует охлаждающую среду, которая охлаждает камеру сгорания. Система охлаждения обеспечивает снижение температуры отработанных газов до 100-200°C. Но температура охлажденных отработанных газов все-таки ниже, чем температура поршня и обмотки якоря, т.к. сначала охлаждаются отработанные газы, а затем они отбирают излишек теплоты у поршня и обмотки. Из-за этого температура поршня и обмоток снижается только до 250-300°C.

Достоинством этого двигателя является, повышение кпд за счет полного использования рабочего процесса двухтактного двигателя для производства электроэнергии на токосъем. Кроме того, кпд повышается за счет снижения потерь магнитного поля благодаря уменьшению температуры обмоток (в частности обмотки якоря).

Однако известное устройство имеет следующие недостатки. Отсутствие непосредственною контакта охлаждающей среды с обмоткой якоря, расположенной внутри поршня, приводит к недостаточному охлаждению обмотки. Температура обмотки снижается только до 250-300°C. При этом потери электромагнитного поля на медных обмотках на 50% больше, чем потери электромагнитного поля при температуре в 20°C.

Кроме того, подача охлаждающей жидкости в камеру сгорания приводит к резким перепадам температуры, а, как следствие, к колебанию магнитного поля и силы вырабатываемого тока, что также влияет на снижение кпд.

Известен свободнопоршневой двигатель по патенту РФ №2166231, МПК F02B 71/04, опубл. 27.02.2002 г., прототип.

Этот двигатель, содержит дизельный двигатель внутреннего сгорания, выполненный из цилиндра с форсунками, внутри которого расположен поршень со штоком, линейный генератор, выполненный из обмоток статора, расположенных на цилиндре, из обмотки якоря, расположенной на поршне и контактирующей с системой возбуждения, состоящей из щеток с проводами подвода возбуждения, систему съема Нагрузки и систему охлаждения, в него дополнительно ввдены два отсекательных кольца системы охлаждения, закрепленных на штоке, и охлаждающие трубки, соединенные с внутрипоршневой камерой, при этом обмотка якоря расположена на штоке поршня, каждое отсекательное кольцо установлено между обмоткой и торцевыми частями поршня, а щетки установлены в теле цилиндра.

Недостатки: невысокий КПД из-за отсутствия системы своевременного открывания и закрывания клапанов и низкая надежность из-за применения обмоток и токосъемников во взрывоопасной среде: парах масла с топливом. Кроме того, не проработана система запуска ГТД.

Задача, стоящая перед изобретателями, заключалась в разработке свободнопоршневого двигателя, с высоким кпд и надежности.

Решение указанных задач достигнуто в свободнопоршневом двигателе, выполненном по меньшей мере из одного цилиндра с форсунками, внутри которого расположены два оппозитно установленных поршня со штоком, линейный генератор, содержащий обмотку статора, расположенных на цилиндре, впускные и выпускные окна на обеих концах цилиндра, отличающийся тем, что впускные и выпускные окна сообщены соответственно с впускными и выпускными коллекторами, к полостям которых присоединены управляемые впускные и выпускные клапаны, двигатель оборудован блоком управления, на боковой стенке цилиндра установлен, по меньшей мере один датчик положения поршней, который электрическими связями соединен с блоком управления, с которым также соединены впускные и выпускные клапаны, а в средней части штока установлен вспомогательный поршень, на котором установлены постоянные магниты. Внутри цилиндра могут быть выполнены два радиальных ограничителя хода поршня. В торцах цилиндра могут быть установлены свечи зажигания. Цилиндр может быть выполнен с двумя коаксиальными стенками, образующими зазор для прохождения охлаждающей жидкости.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1…5, где:

- на фиг.1 приведен карбюраторный вариант двигателя,

- на фиг.2 приведен дизельный вариант двигателя,

- на фиг.3 приведен свободнопоршневой двигатель с ограничителями хода,

- на фиг.4 приведен вид А,

- на фиг.5 приведена схема двигателя с несколькими (двумя) цилиндрами.

Свободнопоршневой двигатель (фиг.1…5) содержит, по меньшей мере, один цилиндр 1, внутри которого установлены оппозитно два поршня 2, на штоке 3. Между торцами 4 и поршнями 2 образованы камеры сгорания 5, а между поршнями 2 - внутрипоршневая камера 6.

Цилиндр 1 является остовом свободнопоршневого двигателя. Он выполнен с впускными 7 и выпускными окнами 8, расположенными в районе камер сгорания 5. Впускные окна 7 предназначены для подачи свежего заряда в камеру сгорания 5, а выпускные окна 8 для отведения из нее отработанных газов.

На боковой поверхности поршней 2 выполнены компрессионные 9 и маслосъемные 10 кольца.

Линейный генератор электроэнергии 11 состоит из обмотки 12, установленной снаружи в центральной части цилиндра 1 и постоянных магнитов 13, установленных на вспомогательном поршне 14. Вспомогательный поршень 14 жестко закреплен в средней части штока 3 и установлен в его средней части. Система съема нагрузки выполнена в виде проводов 15 с присоединительными клеммами 16.

Система подачи топливовоздушной смеси состоит из впускного коллектора 17 с полостью 18, магистрали подачи смеси 19, топливопровод 20 с форсункой 21 и входным управляемого клапана 22 размещенных у обеих торцов 4 цилиндра 1.

Система выхлопа содержит выхлопной коллектор 23 с полостью 24, к которой присоединен выхлопной патрубок 25 с выхлопным управляемым клапаном 26.

Система управления содержит блок управления 27 и, по меньшей мере, один датчик 28 положения поршней 2. Датчик 28 может быть любого типа, например электромагнитный и содержать катушку 29 и магнит 30, установленный в поршне 2. Блок управления 27 электрическими связями 31 соединен с датчиками 28 и с управляемыми клапанами 22 и 26.

Система охлаждения состоит из двух стенок цилиндра: внешней 32 и внутренней 33 с зазором 34 между ними, и трубок подвода и отвода охладителя 35 и 36.

Электрическая схема содержит электрические провода 56, соединяющие обмотку 12 через клеммы 16 и коммутатор 37 с электродвигателем 38. К коммутатору 37 присоединен аккумулятор 39. На торцах 4 установлены электрические свечи 40.

Возможно исполнение двигателя в виде дизеля (фиг.2).

В этом случае свечи 40 отсутствуют, а форсунки 21 установлены на торцах 4. Кроме того на топливопроводе 21 установлен насос высокого давления 41.

Возможна установка ограничителей хода 42 (фиг.3), которые выполнены в виде двух радиальных перегородок 43 внутри цилиндра 1 и двух подпружиненных пружинами 44 упоров 45. Ограничитель хода 42 предназначен для предотвращения поломки двигателя при сбое в работе электроники.

Блок управления 27 - это электронный блок, содержащий процессор и блок памяти. (На фиг.1…5 электронная схема блока управления подробно не показана.) Блок управления 27 должен обеспечивать своевременное открывание и закрывание клапанов 22 и 26 и подачи напряжения на электрические свечи 40.

Возможно применение нескольких цилиндров. На фиг.5 приведена схема свободнопоршневого двигателя с двумя поршнями 1. В этом случае обмотки 12 соединены с коммутатором 37.

Свободнопоршневой двигатель работает следующим образом (фиг.1…5).

При запуске свободнопоршневого двигателя линейный генератор работает в двигательном режиме. Для этого из аккумулятора 39 на обмотки 12 через коммутатор 37 подается ток запуска обратной полярности, по отношению к току, вырабатываемому обмоткой 12. Под действием магнитных сил, возбуждаемых обмоткой 12 и действующих на магниты 13, шток 3 и поршни 2 приводится в движение, совершая ход сжатия в одной из камер сгорания 5 цилиндра 1. При достижении определенной степени (при определенном положении поршня 2 фиксируемом датчиком 28) форсункой 21 подается топливо в магистраль подачи смеси 19 и одновременно открывается впускной управляемый клапан 22 (по команде с блока управления 27), далее топливовоздушная смесь поступает в одну из камер сгорания 5. После чего подают напряжение на свечу 40 (фиг.1) для карбюраторного двигателя и начинается процесс сгорания и расширения отработанных газов, происходящий в соответствии с циклом двухтактного или четырехтактного двигателя. Одновременно в противоположном конце цилиндра происходит процесс выхлопа и продувки. После запуска система линейного генератора переключается в генераторный режим при помощи коммутатора 37 и электрический ток поступает на электродвигатель 38 и аккумулятор 39.

При работе свободнопоршевого двигателя каждый ход поршней 2 является рабочим ходом для одной из частей цилиндра 1, в то время, как для противоположной части этот ход является процессом сжатия. Температура поршня 2, из-за его контакта с горячими отработанными газами, составит 500-600°C.

При работе двигателя, постоянные магниты 13 совершают возвратнопоступательные движения и в обмотке 12 возникает электромагнитное поле и в них индуцируется электрический ток. Вырабатываемый ток передается потребителю через провода 15, клеммы 16 и коммутатор 37 ко всем потребителям системы съема нагрузки.

Одновременно с работой двигателя происходит работа системы охлаждения. Для этого по трубке подвода охладителя 35 подают в зазор 34 охлаждающую жидкость, погретая жидкость выходит по трубке отвода охладителя 36.

При остановке двигателя вновь происходит переключение линейного генератора в режим двигателя и отключаются форсунки подачи топлива 21. При этом, для создания противодействия движению поршня, ток остановки, подаваемый на обмотку 12 может обеспечить движение поршня в направлении, обратном настоящему направлению движения поршня для экстренного торможения.

При работе свободнопоршневого двигателя с несколькими цилиндрами 1 сначала запускают один цилиндр 1 и по мере увеличения нагрузки запускают второй, третий и т.д. цилиндры 1 (фиг.5).

Т.к. в процессе работы свободнопоршневого двигателя температура на обмотках 12, которые находятся вне цилиндра 1, составляет примерно +10-+20°C, то потери магнитного поля в медных обмотках на нагрев уменьшаются, по сравнению с потерями магнитного поля в прототипе, на 30-50%. Снижение потерь приводит к повышению кпд свободнопоршневого двигателя. Осутствие токосъемников приводит к повышению пожаробезопасности работы а отсутствие обмоток в зоне высоких температур повышает надежность двигателя.

Электронная система управления позволяет полностью автоматизировать процесс работы клапанов и зажигания.

Возможно изгтовление двух вариантов двигателя: карбюраторного и дизельного на базе одних и тех же основных комплектующих.

Улучшается экологичность работы двигателя, так как транспортное средство в густонаселенных районах может передвигаться с выключенный свободнопоршневым двигателем на аккумуляторе.

Изобретений относится к двигателям внутреннего сгорания. Свободнопоршневой двигатель выполнен из одного цилиндра с форсунками, внутри которого расположены два оппозитно установленных поршня со штоком, линейный генератор, содержащий обмотку статора, расположенных на цилиндре, впускные и выпускные окна на обеих концах цилиндра, при этом впускные и выпускные окна сообщены соответственно с впускными и выпускными коллекторами, к полостям которых присоединены управляемые впускные и выпускные клапаны, двигатель оборудован блоком управления, на боковой стенке цилиндра установлен датчик положения поршней, который электрическими связями соединен с блоком управления, с которым также соединены впускные и выпускные клапаны, а в средней части штока установлен вспомогательный поршень, на котором установлены постоянные магниты. Внутри цилиндра выполнены два радиальных ограничителя хода поршня. В торцах цилиндра установлены свечи зажигания. Цилиндр выполнен с двумя коаксиальными стенками, образующими зазор для прохождения охлаждающей жидкости. Изобретение обеспечивает повышение КПД и надежности. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Свободнопоршневой двигатель, выполненный по меньшей мере из одного цилиндра с форсунками, внутри которого расположены два оппозитно установленных поршня со штоком, линейный генератор, содержащий обмотку статора, расположенные на цилиндре, впускные и выпускные окна на обоих концах цилиндра, отличающийся тем, что впускные и выпускные окна сообщены соответственно с впускными и выпускными коллекторами, к полостям которых присоединены управляемые впускные и выпускные клапаны, двигатель оборудован блоком управления, на боковой стенке цилиндра установлен по меньшей мере один датчик положения поршней, который электрическими связями соединен с блоком управления, с которым также соединены впускные и выпускные клапаны, а в средней части штока установлен вспомогательный поршень, на котором установлены постоянные магниты.

2. Свободнопоршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что внутри цилиндра выполнены два радиальных ограничителя хода поршня.

3. Свободнопоршневой двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что в торцах цилиндра установлены свечи зажигания.

4. Свободнопоршневой двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что цилиндр выполнен с двумя коаксиальными стенками, образующими зазор для прохождения охлаждающей жидкости.