Свободнопоршневой двигатель Советский патент 1989 года по МПК F02B71/00 

Изобретение относится к маши1но- строению, а именно к двигателям внутреннего сгорания.

Целью изобретения является улуч- шение продувки и снижение потерь давления в газовыпускных трактах двигателя путем оптимизации фаз газораспределения.

На фиг. 1 показан свободнопорш- иеной двигатель (СПД) с центральным расположением впускных окон и пери- ферийньш размещением выпускных отверстий, такт сжатия в верхней по чертежу полости: поршень движется вверх, выпускной клапан закрыт; на фиг. 2 - то же, такт расширения и выпуска в верхней полости: поршень движется вниз, выпускной клапан открыт j на фиг. 3 - свободнопоршневой двигатель, реализующий разделенный выпуск; на фиг. 4 - то же, с центральным расположением добавочных выпускных окон и периферийным размещением впускных окон в торцах рабоче- го цилиндра; на фиг. 5 - газовый (воздушный) буфер пневмопоршенька.

Свободнопоршневой двигатель (фиг. 1 и 2) содержит рабочий цилинд 1, впускные окна 2, головка 3 и 4.

Цилиндр пружинно укреплен на фундаменте . В цилиндре находится свободный поршень 5 двустороннего действия Впускные окна 6 выполнены вблизи головок и выходят в выпускной коллекто 7. Выпускные окна снабжены пружинными самодействующими клапанами 8. Клапан 8 скобой 9 соединен с пружиной 10 и штоком 11 пневмопоршеньков 12 и 13, размещенных в пневмоцилиндрах 14 и 15,

Пневиоцилиндр 14 соединен с цилиндром 1 управляющиьш каналами 16 и 17. Канал 16 выходит в цилиндр 1 между головкой и выпускным окном, а канал 17 - между каналом 16 и впускным окном 2. Расстояние (по образующей цилиндра) между этими кагалами больше высоты поршня. Пружина 10 крепится к фундаменту. Система скомпонована так, что выпускной клапан открывается в направлении от головки то полости, с которой он связан.

Вход канала 17 в пневмоцилиндре 14 удален от крьш1ки этого пневмоци- линдра на расстояние меньшее, чем высота пневмопоршенька 13, поэтому пневмопоршенек перекрывает в мертвой точке канал 17.

Q

5

0

Дополнительньш канал 19 соединяет закрывающий пневмсцилиндр 15 с 1Щ- линдром 1, причем канал 18 выходит вблизи противоположной головки (4).

Выпускной коллектор 7 связан с силовой турбиной (не показана).

В варианте СПД с раздавленным выпуском (фиг. 3 и 4) впускные окна с клапанами 19 размещены в головках рабочего цилиндра 1. Окна 2 соединены с дополнительным выпускным трубопроводом, т.е. являются дополнительными выпускными окнами. Дополнительный выпускной трубопровод связан с атмосферой.

Дополнительный управляющий канал 18 закрывающего пневмоцилиндра 15 выходит в рабочий цилиндр 1 между основным 6 и дополнительным 2 выпускными окнами,

Для повышения показателей СПД на нем может быть установлен турбокомпрессор, турбина которого может быть расположена последовательно (по потоку газов) за силовой турбиной данного СПД, а компрессор соединен с впускным коллектором впускным клапаном СПД.

В СПД с разделенным выпуском турбина турбокомпрессора может быть подключена к дополнительному вы- иускному коллектору.

Для того, чтобы начало закрытия выпускного клапана точно соответствовало определенному положению поршня и не зависело от давления в цилиндре, закрываюшдй пневмоцилиндр может быть связан с цилиндром двумя каналами аналогичными двум каналам пневмоцилиндра /14.

Для уменьшения колебаний пневмопоршеньков в пневмопоршеньке 13 может быть установлен самодействующий клапан, пропускающий газ в направлении канала 16, а в пневмопоршеньке 12 - в направлении канала 18.

Выход штока из пневмоцилиндра 14 снабжен уплотнениями.

Выход штока из пневмоцилиндра 15 может не уплотняться, обеспечивая соединение с атмосферой той пялости пневмоцилиндра, в которую не выходит канал 18.

Пневмоцилиндры, у которых каналы выходят в горец или возле него, снабжаются воздушными буферами, предотвращающими удар о головку (торец) этого цилиндра (см. фиг. 5).

Для безударной посадки клапана 8 может быть выполнен отдельный воздушный буфер.

В упрощенном вариенте СПД закрывающие пневмощшиндры могут отсутст вовать, а штоки поршней открывающих пневмоцилиндров могут быть соединены между собой.

Рабочий цилиндр 1 и поршень 5 могут быть выполнены из керамического материала. При этом устанавливаются клапаны золотникового типа осесим- метричной конструкции (чтобы не соз14550П9

вниз по фиг. 1), сжимая пружину 10, и перемещает клапан 8. Поршень 5 в это время подходит к ВОТ, перекрыца g своей боковой поверхностью выпуск- ное окно 6, нижняя кромка поршня 5 открывает канал 17. Канал 17 сообща ется с нижней полостью цилиндра, в которой в это время происходит вса- 10 сывание и продувка при давленшг, бл ком к давлению наддувочного воздуха (несколько атмосфер). В верхней полости, над поршнем,, происходит сгорание. Повьпяение давления (до сотен

-t «jbjkjj , J i д 1-х t-iJ J 1. Д J 1 Л y.ljV- V. и t ili

давать момента сил), головки цилинд- is атмосфер) изме1шет направление двида выполняются в виде секторов сфер, форма порщня соответствует форме головки, .на цилиндр надет кожух, выполненный, например, в виде хомутов или намотанного на цилиндр каната, стягивающий.цилиндр и этим уменьшающий растягивающие напряжения в его стенках (включая головку), каналы пневмоцилиндров выведены через кожух, к кожуху крепятся коллекторы и элементы выпускного трубопровода, имеющего компенсаторы температурного расширения.

Такое сопряжение металла с керамикой ввиду невысоких температур наружной поверхности и наличия компенсатора расширения, а также сжимающие усилия кожуха обеспечивают механическую прочность керамического цилиндра.

Уплотнения между кожухом и цилиндром в районах окон достигается де- - формируемыми при зажиме прокладками.

СЦЦ работает следующим образом. При возвратно-поступательном движении поршня сжатие свежего заряда осуществляется двидением поршня по инерции (на фиг. 1 изображен момент сжатия в верхней полости, направление движения поршня показано стрелкой) . Сжимаемый свежий заряд через каналы 16 и 17 воздействует на пнев- мопоршенек 13. Ввиду равенства давлений в этих каналах пневмопоршенек неподвижен и клапан 8 остается закрытым. При дальнейшем движении поршня 5 он перекрывает канал 17,давление в канапе 16 превьш1ает давление в подпоршневой полости пневмоци- линдра 14 и канала 17. Вследствие этого пневмопоршенек 13 начинает двигаться (для клапана рассматриваемой полости цилиндра это движение

20

жения поршня 5 и разгоняет в обратную сторону. Большое давление- в канале 16 и низкое в канале 17 обеспечивают быстрое перемещение пневмо- поршенька 13 вниз, в результате че25

30

35

го открывается клапан 8. Пневмопоршенек 13 садится на воздушный буфер внизу пневмощшиндра 1А и перекрывает своей боковой поверхностью канал 17.

Далее поршень 5, двигаясь вниз, открывает вход в окно б„ Продукты сгорания вытекают через это окно и-J выпускной коллектор 7 в силову о турбину или к иному пoтpeбитeJпo. Этот момент изображен на фиг. 2, где направление движения поршня показано стрелкой.

После того как поршень 5 двигаясь дальше, пройдет вгг скные окна 2, ввиду наддува и истечении продуктов сгорания в вып скной коллектор по инерции происходит продувка цилиндра. В это время давление в верхней, 40 надпоршневой,-полости падает,умень- шается давление над пи-евмопоршень- ком 13 и слабого усилия пружины 10 оказывается достаточно, чтобы началось движение пневмопоршенька и, со- g ответственно закрытие выпускного клапана 8.

В нижней полости цилиндра происходят те же процессы, что и в верхней. После того как поршень миновал впускные окна 2, в этой полости происходит сжатие. Возрастание давления в нижней полости (под поршнем) в конце скатия и при сгорании передается через канал 18 пневмопоршеиьку 12. Последний, действуя черев шток 11 и скобу 9, закрывает клапан 8.

Поскольку цилиндр пружинно закреплен на неподвижном основании,при движении поршня он перемещается. По

50

55

14550П9

вниз по фиг. 1), сжимая пружину 10, и перемещает клапан 8. Поршень 5 в это время подходит к ВОТ, перекрыцает своей боковой поверхностью выпуск-. ное окно 6, нижняя кромка поршня 5 открывает канал 17. Канал 17 сообщается с нижней полостью цилиндра, в которой в это время происходит вса- сывание и продувка при давленшг, близком к давлению наддувочного воздуха (несколько атмосфер). В верхней полости, над поршнем,, происходит сгорание. Повьпяение давления (до сотен

-t «jbjkjj , J i д 1-х t-iJ J 1. Д J 1 Л y.ljV- V. и t ili

атмосфер) изме1шет направление дви

20

жения поршня 5 и разгоняет в обратную сторону. Большое давление- в канале 16 и низкое в канале 17 обеспечивают быстрое перемещение пневмо- поршенька 13 вниз, в результате че25

30

5

го открывается клапан 8. Пневмопоршенек 13 садится на воздушный буфер внизу пневмощшиндра 1А и перекрывает своей боковой поверхностью канал 17.

Далее поршень 5, двигаясь вниз, открывает вход в окно б„ Продукты сгорания вытекают через это окно и-J выпускной коллектор 7 в силову о турбину или к иному пoтpeбитeJпo. Этот момент изображен на фиг. 2, где направление движения поршня показано стрелкой.

После того как поршень 5 двигаясь дальше, пройдет вгг скные окна 2, ввиду наддува и истечении продуктов сгорания в вып скной коллектор по инерции происходит продувка цилиндра. В это время давление в верхней, 0 надпоршневой,-полости падает,умень- шается давление над пи-евмопоршень- ком 13 и слабого усилия пружины 10 оказывается достаточно, чтобы началось движение пневмопоршенька и, со- g ответственно закрытие выпускного клапана 8.

В нижней полости цилиндра происходят те же процессы, что и в верхней. После того как поршень миновал впускные окна 2, в этой полости происходит сжатие. Возрастание давления в нижней полости (под поршнем) в конце скатия и при сгорании передается через канал 18 пневмопоршеиьку 12. Последний, действуя черев шток 11 и скобу 9, закрывает клапан 8.

Поскольку цилиндр пружинно закреплен на неподвижном основании,при движении поршня он перемещается. По

0

5

закону сохранения импульса цилиндр и поршень перемещаются в противофазе.

Таким образом, при движении поршня вниз, в моменты, соответствующие открыванию выпускного клапана, цилиндр движется вверх, клапан открывается в сторону, противоположную головке (вниз по чертежу), поэтому увеличивается скорость открывания клапана. Закрытие клапана 8 проис- хЬдит после длительной продувки п|ри обратном движении поршня. При э|том цилиндр движется вниз и одевает- с|я на клапан.

СПД с разделенным выпуском (фиг.3 и 4), у которого турбокомпрессор 11одключен турбиной к выходу основной 1|урбины5 связанной с основным выпуск- ijbiM коллектором 7, а компрессором Ki впускному коллектору, связанному с впускным клапаном 19, работает следующим образом.

Окна 2 соединены дополнительным йыпускным коллектором с атмосферой.

Процессы сжатия (фиг. 3), сгорания и начала расширения у рассматриваемого СПД не отличаются от этих процессов у СПД, изображенного на фиг о 1 и 2„

При расширении (см. фиг. 4), пос- jje того как поршень проходит мимо канала 17, давление по обе стороны пневмопоршенька 13 выравнивается и под действием пружины 10 клапан 8 начинает закрываться. В это время в Выпускной коллектор выходит только часть продуктов сгорания обладающая высокими давлением и температурой. Эта часть продуктов сгорания из коллектора попадает в силовую турбину,, работающую на потребителя, а затем в турбину турбокомпрессора. Продвигаясь далее, поршень 5 открывает вь.сод канала 18 в верхнюю полость цилиндра 1. Продукты сгорания, обладающие еще достаточно высоким давлением (десятки атмосфер), воздействуют через канал 18 на пневмопорше- нек 12, в результате чего клапан 8 закрывается.

При дальнейшем движении поршень проходит мимо окон 2, которые соединены с дополнительными выпускным коллектором (фиг. 3 и 4). Оставшиеся продукты сгорания выходят в окна 2, давление в цилиндре падает почти до давления за этими окнами, т.е. до давления окружающей среды. Ввиду

14550096

падения давления в верхней полости цилиндра и значительного (несколько избыточных атмосфер) давления наддугс вочного воздуха во впускном коллекторе открывается самодействующий впускной клапан 19 и воздух поступает в цилиндр. Поршень в это время находится в нижнем положении и вслед10 ствие сгорания в нижней полости начинает двигаться вверх. При этом продукты сгорания, находившиеся между поршнем и дополнительными выпускными окнами 2, выталкиваются в эти ок15 на вместе с частью свежего воздуха. Когда поршень, продвигаясь вверх, перекрывает окна 2, продувка оканчивается, идет процесс сжатия и т.д. Система газораспределения, реали20 зующая разделенный выпуск, позволяет организовать эффективные выпуск и продувку, а также хорошее наполнение цилиндра даже при свойственной СПД данного типа очень высокой цик25 личности. Это в совокупности с оп- тимальньиФ фазами газораспределения, реализуемыми данной системой газораспределения, снижает потери давления и повышает экономичность ма30 шины.

35

40

45

50

55

Формула изобретения

1.Свободнопоршневой двигатель, содержащий цилиндр с головками, впускными окнами, выпускными окнами, снабженными пружинными самодействующими клапанами, соединенными со штоками пневмопоршеньков, размещенных в пневмоцилиндрах, управляюш 1е каналы привода пневмопоршеньков, подключенные к рабочему цилиндру, рабочий поршень двухстороннено действия и выпускные коллекторы, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью улучшения продувки и снижения потерь давления, пневмоцилиндры снабжены по меньшей мере двумя каналами, второй из которых поключен к цилиндру между первым и серединой цилиндра.

2.Двигатель по п.1, отличающийся тем, что расстояние между выходами каналов больше высоты поршня, выпускные окна расположены на боковой поверхности цилиндра, а их длина меньше высоты поршня.

3.Двигатель по пп. 1 и 2, о т - ли чающийся тем, что B.nvcK5

0

5

0

5

Формула изобретения

1.Свободнопоршневой двигатель, содержащий цилиндр с головками, впускными окнами, выпускными окнами, снабженными пружинными самодействующими клапанами, соединенными со штоками пневмопоршеньков, размещенных в пневмоцилиндрах, управляюш 1е каналы привода пневмопоршеньков, подключенные к рабочему цилиндру, рабочий поршень двухстороннено действия и выпускные коллекторы, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью улучшения продувки и снижения потерь давления, пневмоцилиндры снабжены по меньшей мере двумя каналами, второй из которых поключен к цилиндру между первым и серединой цилиндра.

2.Двигатель по п.1, отличающийся тем, что расстояние между выходами каналов больше высоты поршня, выпускные окна расположены на боковой поверхности цилиндра, а их длина меньше высоты поршня.

3.Двигатель по пп. 1 и 2, о т - ли чающийся тем, что B.nvcK

Изобретение позволяет улучшить качество продувки в свободнопоршне- вых двигателях, содержащих рабочий цилиндр, разделенный поршнем на две торцовые камеры сгорания. Дпя этого пневмоцилиндры 14, в которых установлены пневмопоршеньки 13 привода газораспределительных клапанов 8, снабжены по меньшей мере двумя управ- лякшщми каналами 16 и 17, один из которых подключен к рабочему цилиндру 1 между его серединой (по ходу порш- ня 5) и первым каналом, размещенным в зоне соответствующей камеры сгорания. При взаимном перемещении рабочего цилиндра 1 и поршня 5 относительно определенных точек подключения управляющих каналов 16 и 17 по ходу поршня оптимизируются фазы газораспределения и улучшается продувка. Приведены варианты размещения управляющих каналов и газораспределительных клапанов относительно друг друга, в том числе при разделении выхлопа. 6 з.п. ф-лы, 5 ил. о б (

Фиг.2

15

фаг.з

Ц)и г. 5