ЧЕТЫРЕХЦИЛИНДРОВЫЙ СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2014 года по МПК F02B71/04 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, конкретно - к свободнопоршневым двигателям.

Известен свободнопоршневой двигатель по а.св. СССР 985365, МКИ 5 F02B 71/04, опубл. 30.12.82, 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, причем 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°С их магнитные свойства снижаются, что также понижает кпд двигателя.

Известен свободнопоршневой двигатель по а.св. СССР №1733650, МКИ 5 F02B 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°С) 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°С. 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°С.

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°С. При этом потери электромагнитного поля на медных обмотках на 50% больше, чем потери электромагнитного поля при температуре в 20°С.

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

Известен свободнопоршневой двигатель по патенту РФ №2186231, 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 введены 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 масло с топливом. Кроме того, не проработана система запуска ГТД.

Задачи создания изобретения: упрощение конструкции и увеличение надежности двигателя.

Решение указанных задач достигнуто тем, что в четырехцилиндровом свободнопоршневом двигателе, содержащем корпус двигателя, две пары оппозитно установленных цилиндров и две поршневые группы, согласно изобретению каждая поршневая группа выполнена в виде единого узла с двумя торцами и цилиндрическим пустотелым корпусом, внутри которого в средней части установлены зубчатые рейки, корпус выполнен с образованием зазора между ним и поршневыми группами, поршневые группы связаны между собой механизмом синхронизации, имеющим главный вал, проходящий сквозь корпус в обе стороны, а вне корпуса установлены и соединены с главным валом муфты обгона, которые имеют выходные валы, соединенные с генераторами. Механизм синхронизации выполнен в виде шестерни, жестко связанной с главным валом и с зубчатыми рейками на поршневых группах. Двигатель может содержать блок управления. В каждом цилиндре может быть установлен датчик давления, соединенный электрической связью с блоком управления. Двигатель может содержать установленный на главном валу датчик частоты вращения, соединенный электрической связью с блоком управления Двигатель может содержать установленный на главном валу датчик угла поворота, соединенный электрической связью с блоком управления.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1… 6, где;

- на фиг.1 представлена схема двигателя,

- на фиг.2 приведена схема поршневой группы и пары оппозитных цилиндров,

- на фиг.3 приведен разрез А-А,

- на фиг.4 приведен разрез А-А варианта с мультипликаторами,

- на фиг.5 приведен разрез А-А варианта с системой заправки смазывающей жидкости,

- на фиг.6 приведена электрическая схема двигателя.

Свободнопоршневой двигатель (фиг.1… 6) содержит корпус двигателя 1, две пары оппозитно установленных цилиндров 2…. 5 и две поршневые группы 6 и 7.. При этом поршневые группы 6 и 7 выполнены в виде единого узла с двумя торцами 8 и 9 и цилиндрическим пустотелым корпусом 10, в средней части которого выполнены зубчатые рейки 11. Корпус двигателя 1 выполнен с образованием полости 12 между ним и поршневыми группами 6 и 7. Корпус двигателя 1 соединен с цилиндрами 2… 5 фланцами 13. С обеих сторон поршневая группа 6 и 7 имеет компрессионные и маслосъемные кольца соответственно 14 и 15.

Особенностью предложенного четырехцилиндрового свободнопоршневого двигателя является то, что у него синхронизирована работа поршневых групп. Синхронизация в ДВС широко применяется и осуществляется коленчатым валом. В свободнопоршневых двигателях коленчатый вал отсутствует.

Механизм синхронизации (фиг.1… 4) выполнен в виде шестерни 16, жестко связанной с главным валом 17, установленным на подшипниках 18, установленных в приливах 19 корпуса 20. Шестерня 16 взаимодействует с зубчатыми рейками 11.

Концы главного вала 17 соединены с муфтами обгона 21 и 22, выходные валы 23 и 24 соединены с генераторами 25 и 26. На торцах выходных валов 23 и 24 установлены датчики измерения угла поворота 27 и 28 и датчики скорости вращения 29 и 30.

Кроме того, двигатель содержит всасывающие коллекторы 31 и общий всасывающий коллектор 32, а также выхлопные коллекторы 33 и общий выхлопной коллектор 34. Во всасывающих коллекторах 31 установлены топливные форсунки 35 и впускной клапан 36 с приводом 37. В выхлопных коллекторах 33 установлены выпускные клапаны 38 с приводами 39. В каждом цилиндре 2… 5 имеется электросвеча 40.

Двигатель может содержать блок управления 41, а в каждом цилиндре 2… 5 установлен датчик давления 42, соединенный электрической связью 43 с блоком управления 41. Генераторы 25 и 26 соединены электрическими проводами 44 с коммутатором 45. Коммутатор 45 электрическими проводами 44 соединен с аккумулятором 46 и электродвигателем 47.

На корпусе двигателя 1 выполнено заправочное отверстие 48, выходящее в полость 12 и соединенное маслопроводом 49, содержащим кран 50, с маслобаком 51 (фиг.5). Топливная система двигателя содержит топливный бак 52, к которому присоединен топливопровод 53, содержащий топливный насос 54 с приводом 55, соединенный с топливными форсунками 35. Для запуска двигателя предназначена система запуска. Система запуска содержит редуктор 56, установленный на главном валу 17, вал 57, преобразователь 58 и привод 59 (фиг.3). Преобразователь 58 предназначен для преобразования вращательного движения привода 59 в колебательное.

Двигатель может содержать мультипликаторы 60 и 61, установленные между муфтами обгона 21 и 22 и генераторами 25 и 26 соответственно (фиг.4). Электрическая схема двигателя приведена на фиг. 6.

Работа двигателя осуществляется следующим образом.

Для запуска двигателя подается сигнал с блока управления 41 на коммутатор 45, который включает привод 59. Привод 59 передает вращательное движение на преобразователь 58 и далее через вал 57 и редуктор 56 на вал 17. Поршневая группа 6 приходит в движение, при этом открывается соответствующий впускной клапан 36 (какой клапан необходимо открыть, определяет блок управления, используя показания датчиков угла поворота 27 и 28 и скорости вращения 29 и 30). Одновременно включается привод 55 и топливо насосом 54 подается в соответствующую топливную форсунку 35 и далее во всасывающий коллектора 31. Потом подается напряжение на электросвечу 40 соответствующего цилиндра и происходит воспламенение топливовоздушной смеси в этом цилиндре.

После запуска двигателя блок управления 41 переключает коммутатор 45 и отключает привод 59. Идет зарядка аккумулятора 46 и при необходимости включают электродвигатель 47. Так как электродвигатель 47 может работать от аккумулятора 46 длительное время, это обеспечивает сохранение окружающей среды, например при работе двигателя на автомобиле в черте города.

Применение изобретения позволит:

- повысить КПД двигателя за счет применения механизма активации,

- повысить мощность,

- снизить вибронагрузки за счет применения механизма синхронизации.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Четырехцилиндровый свободнопоршневой двигатель, содержащий корпус двигателя, две пары оппозитно установленных цилиндров и две поршневые группы, при этом каждая поршневая группа выполнена в виде единого узла с двумя торцами и цилиндрическим пустотелым корпусом, на котором в средней части выполнена зубчатая рейка, корпус двигателя выполнен с образованием зазора между ним и поршневыми группами, поршневые группы связаны между собой механизмом синхронизации, имеющим главный вал, проходящий сквозь корпус в обе стороны, а вне корпуса установлены и соединены с главным валом муфты обгона, которые имеют выходные валы, соединенные с валами генераторов. Механизм синхронизации выполнен в виде шестерни, жестко связанной с главным валом и с зубчатыми рейками на поршневых группах. Он содержит блок управления, а в каждом цилиндре установлен датчик давления, соединенный электрической связью с блоком управления. По меньшей мере, один датчик частоты вращения главного вала соединен электрической связью с блоком управления и один датчик скорости вращения главного вала соединен электрической связью с блоком управления. Изобретение обеспечивает повышение КПД двигателя и снижение вибронагрузок. 4 з.п ф-лы, 6 ил.

1. Четырехцилиндровый свободнопоршневой двигатель, содержащий корпус двигателя, две пары оппозитно установленных цилиндров и две поршневые группы, отличающийся тем, что каждая поршневая группа выполнена в виде единого узла с двумя торцами и цилиндрическим пустотелым корпусом, на котором в средней части выполнена зубчатая рейка, корпус двигателя выполнен с образованием зазора между ним и поршневыми группами, поршневые группы связаны между собой механизмом синхронизации, имеющим главный вал, проходящий сквозь корпус в обе стороны, а вне корпуса установлены и соединены с главным валом муфты обгона, которые имеют выходные валы, соединенные с валами генераторов.

2. Четырехцилиндровый свободнопоршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что механизм синхронизации выполнен в виде шестерни, жестко связанной с главным валом и с зубчатыми рейками на поршневых группах.

3. Четырехцилиндровый свободнопоршневой двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит блок управления, а в каждом цилиндре установлен датчик давления, соединенный электрической связью с блоком управления.

4. Четырехцилиндровый свободнопоршневой двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит, по меньшей мере, один датчик частоты вращения главного вала, соединенный электрической связью с блоком управления.

5. Четырехцилиндровый двигатель внутреннего сгорания по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит, по меньшей мере, один датчик скорости вращения главного вала, соединенный электрической связью с блоком управления.