Свободнопоршневой двухтактный двигатель Советский патент 1992 года по МПК F02B71/00 

дяным насосом и его приводом и пусковое устройство.

Однако такой двухтактный двигатель, используемый преимущественно в качестве только малопродуктивного генератора горячих газов, в котором жестко соединены между собой дизельные и компрессорная части поршня в общий трехступенчатый поршень, снабженный внутренними ребрами, расположенными вдоль оси его перемещения, и кольцевыми отверстиями на стыке ступеней, имеет полностью неуравновешенную массу только что упомянутого поступательно движущегося поршня, совершенно не может функционировать в режиме СПДК, обладает малоэффективной петлевой схемой продувки цилиндров, имеет недостаточно совершенные функциональные системы охлаждения, смазки, топливопита- ния и пуска, нестабильную равномерность хода, неустойчивые режимнорегулировоч- ные показатели, затруднительный запуск, сопровождаемый резким повышением знакопеременных нагрузок на элементы конструкции, и вместе с тем не лишен многих других недостатков, указанных выше при характеристике аналогов, что в конечном результате существенно ограничивает его функциональные возможности и резко ухудшает его основные динамические характеристики.

Целью изобретения является улучшение динамических характеристик двигателя и расширение его функциональных возможностей.

Поставленная цель достигается тем, что двигатель снабжен дополнительным цилиндровым блоком, идентичным первому и размещенным соосно с ним, при этом поршни цилиндровых блоков связаны между собой при помощи реечно-шестеренчатого механизма синхронизации с возможностью встречно-противоположного движения, продувочный, рабочий компрессорный и газовый ресиверы выполнены в виде выносных блоков и снабжены двухрежимной запорноклапанной арматурой, продувочный ресивер снабжен радиатором-холодильником, а одноименные оппозитно размещенные дизельные и компрессорные полости сообщены между собой при помощи уравнительных трубопроводов.

Кроме того, соединение реек механизма синхронизации с поршнями осуществляется при помощи сферических шарниров и упруго-демпфирующих элементов, вал шестерни механизма синхронизации размещен в опорах, снабженных самоустанавливающимися сферическими подшипниками скольжения и упруго-демфирующими элементами, а привод топливного насоса для каждой дизельной полости осуществляется индивидуально от реек механизма синхронизации и двух дополнительных реек, уста- 5 новленных диаметрально противоположно рейкам механизма синхронизации на внешней крайней ступени каждого из поршней, причем привод масляного насоса для каждого цилиндрового блока осуществляется

0 индивидуально от шестерни, взаимодействующей с дополнительными рейками, привод водяного насоса осуществляется от вала шестерни механизма синхронизации, а пусковое устройство связано с указан5 ным валом при помощи автоматически действующей разъемной муфты.

На фиг.1 представлена общая конструктивная схема свободнопоршневого двухтактного двигателя; на фиг.2 - принципиальная

0 схема его синхронизирующего механизма и основных систем его функционального обеспечения; на фиг.З - разрез А-А на фиг,2; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.5 - упрощенная схема устройства двух5 режимной запорноклапанной арматуры воздушных и газового ресивероё,

Свободнопоршневой двигатель представляет собой симметричную дизельную объемнопоршневую машину двухтактного

0 цикла, цилиндропоршневая группа которой выполнена в виде двух идентичных самостоятельных и соосно расположенных, трехступенчатых центрально-симметричных блоков 1 цилиндров со средней ступенью

5 большего диаметра, в каждом из которых размещен соответственно один трехступенчатый поршень 2 аналогичной конфигурации, установленный с возможностью свободного осевого (аксиального) возврат0 но-поступательного перемещения, Цилиндрические полости крайних стенок цилиндров малого диаметра в каждом блоке 1 и крайние ступени поршня 2 образуют две переменные по объему дизельные камеры 3

5 с равноценными рабочими параметрами, а кольцевые полости средней стенки цилиндров большего диаметра и средняя ступень поршня 2 образуют соответственно две переменные компрессорные камеры 4 с рав0 ноцекными рабочими параметрами. Каждая дизельная камера (полость) 3 снабжена центральной топливной форсункой 5, выпускными окнами 6 для отвода отработанных газов и продувочными (впускными)

5 окнами 7 для продувки и наддува цилиндра воздухом, а каждая компрессорная камера (полость) 4 снабжена впускным автоматическим клапаном 8, который через впускной (всасывающий) трубопровод 9 сообщен с воздухофильтром 10, а также нагнетательным автоматическим клапаном 11. При этом внешняя (крайняя) камера 4 каждого блока 1 через нагнетательный клапан 11 и нагнетательный трубопровод 12 сообщена с общим продувочным ресивером-холодильником 13 (ПР), вынесенным за пределы ци- линдропоршневой группы и имеющим увеличенную (сребренную) поверхность радиатора охлаждения, а каждая внутренняя (средняя) камера 4 через нагнетательный клапан 11 и нагнетательный трубопровод 14 сообщена с рабочим ресивером 15 (РР) компрессора. Ресивер-холодильник 13 через подающий (питающий) трубопровод 16 и продувочные окна 7 сообщен с каждой дизельной камерой 3, а каждая дизельная камера 3, в свою очередь, через выпускные окна 6 сообщена, соответственно с общим для обоих блоков 1 газовым ресивером 17 (ГР). Одноименные полости 3 и 4 оппозитно расположенных блоков 1 соответственно сообщены между собой посредством уравнительных дизельных трубопроводов 18 и уравнительных компрессорных трубопроводов 19. Уравнительные трубопроводы 18 и 19 (высокопрочные трубки малого сечения и предельно ограниченного объема вредного пространства) служат для постоянного сообщения указанных камер и выравнивания в них давления рабочих газов и воздуха (стабилизаторы давления),

Зубчатореечный синхронизирующий механизм двигателя включает шариирно закрепленный в корпусе 20 вал 21 привода, на котором жестко закреплена шестерня 22, установленная между оппозитно расположенными блоками 1, центрально с последними, и находящаяся в зацеплении с верхней и нижней большими (основными) рейками 23, расположенными оппозитно и диаметрально противоположно друг другу и установленными подвижно в направляющих 24. Каждая из больших реек 23 соединена с поршнем 2 при помощи пространственного сферического шарнира, снабженного кронштейном 25 с шаровой головкой, сопряженными с ней сферическим вкладышем 26 и сухарями 27, контактирующими с замкнутым объемным демпфирующим элементом 28, представляющим собой цилиндрический амортизатор с концентрично расположенными стальными втулками, свободное пространство между которыми заполнено способом вулканизации термостойкой твердой резиной или полиуретаном, находящимися в предварительно напряженном состоянии (в замкнутом сосуде).

Кронштейн 25 закреплен жестко на поршне 2 с возможностью перемещения вместе

с ним в специальной продольной направляющей 29 блока 1, выполненной в виде сквозной фиксирующей прорези (овальное отверстие) в последнем.

На внешней крайней ступени каждого

поршня 2 дополнительно закреплена малая (вспомогательная) зубчатая рейка 30, расположенная оппозитно и диаметрально противоположно большой рейке 23, присо0 единенная шарнирно до полной аналогии с последней к деталям цилиндропоршневой группы и взаимодействующая с ними через неподвижную направляющую 31.

Каждая из четырех реек 23 и 30 кинема5 тически индивидуально взаимосвязана с топливным насосом 32 системы питания, закрепленным неподвижно в корпусе 20 и взаимодействующим с топливной форсункой 5 (насос-форсунка) дизельной камеры 3, а

0 каждая из двух малых реек 30 взаимосвязана с шестерней 33 привода масляного насоса 34, которые автономно снабжена система смазки каждого блока 1 цилиндров двигателя. Вал 21 привода синхронизирующего ме5 ханизма установлен в двух подшипниковых опорах 35, закрепленных жестко в корпусе 20, и опирается соответственно на два самоустанавливающихся (сферических) подшипника 36 скольжения, служащих для

0 восприятия больших знакопеременных нагрузок, которые взаимодействуют с замкнутыми объемными (цилиндрическими) демпфирующими элементами 37 втулочного типа, изготовленными, например, из амор5 тизационной резины или полиуретана. Кроме того, вал 21 снабжен специальной разъемной муфтой 38, например, автоматической зубчатой, взаимодействующей с пусковым устройством двигателя (стартером)

0 возвратно-вращательного действия с усилителем крутящего момента (не показан), и кинематически взаимосвязан непосредственно с водяным насосом 39 системы охлаждения блоков 1 цилиндров и другими

5 вспомогательными механизмами (не показаны).

Для обеспечения возможности функционирования двигателя в двух режимах: СПДК или СПТГ - и его пуска все три реси0 верные полости (емкости) снабжены запор- но-клапанным механизмом. Этот механизм содержит в каждом из блоков 1 реверсивный трубопровод 40, сообщенный через запорный клапан 41 с продувочным

5 ресивером 13 и через трубопровод 14 - с компрессорной камерой 4, и запорный клапан 42, установленный в трубопроводе 14, через который сообщаются компрессорная камера 4 и рабочий ресивер 15, причем общий газовый ресивер 17 снабжен двумя выпусными трубопроводами 43, один из которых имеет запорный клапан 44, служащий для сообщения его рабочей полости с атмосферой, а второй трубопровод 43 через запорный клапан 45 сообщен с газовой турбиной (не показана)

Двигатель работает следующим образом.

Так как данная универсальная поршневая машина может функционировать в двух режимах: СПГГ и СПДК, работающих по принципу дизельных двухтактных двигателей с комбинированной прямоточнопетле- вой продувкой, то при работе двигателя в режиме СПГГ полностью перекрываются запорные клапаны 42 и 44 и, соответственно, открываются клапаны 41 и 45. В этом случае полностью прекращается сообщение между компрессорными камерами 4 и рабочим ресивером 15, который целиком отключается от всех коммуникаций пневмосистемы, а в газовом ресивере 17 полностью прекращается сообщение его рабочей полости через трубопровод 43 с атмосферой и обеспечивается ее прямое (непосредственное) сообщение через трубопровод 43 с рабочей полостью газовой турбины,

В стадии установившегося движения поршни 2 совершают в оппозитных блоках встречное эквидистантное возвратно-поступательное перемещение, то сближаясь, то расходясь, а в одноименных, оппозитно расположенных камерах 3 и 4, одновременно происходят и синхронно чередуются идентичные термодинамические процессы. В момент расположения поршней 2 в верхней мертвой точке две одноименные форсунки 5 одновременно распыляют жидкое топливо в горячий сжатый воздух, заключенный в камерах 3. Топливо при этом самовоспламеняется и сгорает, а давление в камерах 3 резко увеличивается. Под действием давления газов ступенчатые поршни 2 начинают расходиться, что соответствует их прямому ходу. По мере расхождения поршней 2 они открывают сначала выпускные окна 6, а затем и продувочные (впускные) окна 7 дизельных камер 3. Отработанные газы при этом через выпускные окна б поступают из камер 3 в газовый ресивер 17, а после открытия впускных окон 7 сжатый, предварительно охлажденный, воздух из продувочного ресивера 13 через трубопроводы 16 проходит в камеры 3. Ввиду избытка объема продувочного воздуха по сравнению с объемом камер 3 сгорания лишний воздух устремляется через выпускные окна 6 и газовый ресивер 17, перемешиваясь с продуктами сгорания и охлаждая их.

При максимальном расхождении поршней 2 они, достигая нижней мертвой точки, останавливаются противодавлением воздуха в противоположных полостях камер 3 и 4, и 5 при срабатывании форсунок 5 а оппозитных камерах 3 возвращаются обратно. По мере движения поршней 2 от нижней мертвой точки к верхней (сближение) сначала перекрываются продувочные окна 7, а затем вы0 пускные окна 6, осуществляя автоматически продувку и наддув полостей камер 3. После перекрытия окон 6 происходит сжатие воздуха в камерах 3, которое завершается в верхней мертвой точке, и цикл далее анало5 гично и непрерывно повторяется

Таким образом, в предлагаемом дизеле используется видоизмененная петлевая схема газообмена, которая благодаря уравнительным дизельным трубопроводам 18

0 позволяет частично реализовать положительные свойства прямоточно-щелевой схемы. Неизбежное отличие давлений в оппозитных дезельных полостях 3 цилиндров, в том числе и во время их продувки,

5 приведет к перетеканию сжатого воздуха, поступающего из продувочного ресивера 13 по уравнительным трубопроводам 18 из одной дизельной полости 3 в другую, что вызовет дополнительное его перемещение вдоль

0 осей цилиндров и будет способствовать улучшению продувки по сравнению с петлевой схемой газообмена, обеспечивая должную работоспособность, простоту конструкции и высокую надежность двига5 теля, снабженного окнами 6 и 7.

При движении поршней 2 от верхней мертвой точки к нижней в компрессорной части блоков 1 открываются впускные клапаны 8 и воздух через воздухофильтр 10 и

0 впускные трубопроводы 9 засасывается вг камеры 4. При обратном ходе поршней 2 происходит сжатие воздуха в рабочих полостях камер 4, при котором клапаны 8 закрываются, а по достижении определенного

5 давления открываются нагнетательные клапаны 11 и воздух через трубопроводы 12, 14 и 40 выталкивается в продувочный ресивер 13, в котором он охлаждается и выравнивает свое давление. Уравнительные ди0 зельные и компрессорные трубопроводы 18 и 19 надежно компенсируют незначительную существующую несогласованность протекания термодинамических процессов в одноименных камерах 3 и 4, некоторую

5 реальную несогласованность срабатывания одноименных форсунок 5 и одноименных компрессорных клапанов 8 и 11 и возможную эксплуатационную разность давления (компрессии) в оппозитных цилиндрах блоков 1, обеспечивая при этом равные сопротивления синхронно-оппозитному движению поршней 2, что в значительной мере способствует существенному снижению вредных динамических нагрузок на синхронизирующий механизм, обеспечивает его устойчивую равномерность, стабильную плавность и отличную податливость хода и надежно предохраняет его в аварийных ситуациях. Точная синхронность противоположного движения поршней 2 при работе двигателя обеспечивается синхронизирующим механизмом, в котором две большие зубчатые рейки 23 совершают оппозитное возвратно-поступательное движение в направляющих 24. а блокировка и эквиди- стантность их хода принудительно осуществляются через шестерню 22, совершающую при этом возвратно-вращательное движение вокруг неподвижной оси вала 21. Топливные насосы 32, кинематически взаи- мосвязанные с большими и малыми рейками 23 и 30, приводятся в движение последними через соответствующие передаточные и преобразующие механизмы и в нужный момент подают топливо под боль- шим давлением в форсунки 5, а синхронность срабатывания последних обеспечивается точной установкой и регулировкой их исполнительных механизмов. Режимы работы двигателя регулируются количеством пода- ваемого топлива в форсунки 5 или изменением момента впрыска топлива в форсунки 5 в зависимости от положения подвижного поршня 2 в блоке 1 цилиндров. Каждый из маслянных насосов 34 системы смазки ци- линдропоршневой группы и других механизмов приводится малой рейкой 30, совершающей возвратно-поступательное движение в направляющих 31, через шестерню 33, ведущий вал которого совершает при этом возвратно-вращательное движение, передающееся соответственно на исполнительный механизм перекачивания масла по каналам блока 1 и поршня 2 под большим давлением. Благодаря наличию в синхронизирующем механизме демпфирующих элементов 28 и 37, универсального сферического шарнира, обеспечивающего многоподвижную шарнирную связь реек 23 и 30 с поршнями 2, и сферических подшил- никое 36 в значительной мере повышается демпфирующая способность поршневой машины, что благоприятствует при ее работе существенному снижению уровня произ- водственных шумов и собственных вибраций и ощутимо гасит вредные ударно- динамические нагрузки на блоки 1, поршни 2 и другие подвижные элементы конструкции. Водяной насос 39 принудительной системы охлаждения блоков 1 приводится

непосредственно от вала 21 синхронизирующего механизма, совершающего возвратно-вращательное движение. Возможен также отбор мощности от вала 21 для привода многих других вспомогательных механизмов двигателя и компрессора.

При работе двигателя в режиме СПДК полностью перекрываются запорные клапаны 41 и 45 и, соответственно, открываются клапаны 42 и 44. Таким образом, обеспечивается сообщение между компрессорными камерами 4 и рабочим ресивером 15, а в газовом ресивере 17 обеспечивается сообщение его рабочей полости через трубопровод 43, выполняющий функции глушителя, с атмосферой. В этом случае сжатый воздух из внешних (крайних) камер 4 подается в продувочный ресивер 13, а из средних (внутренних) камер 4 перекачивается непосредственно в рабочий ресивер 15, из которого он затем отбирается потребителями. При полностью и одновременно открытых клапанах 41 и 42 можно перекачивать избыточный воздух из рабочего ресивера 15 в продувочный ресивер 13 в момент возникновения производственной необходимости вынужденной подпитки последнего. Пуск двигателя-компрессора производится при помощи пускового устройства возвратно- вращательного действия, движение от которого передается через автоматическую разъемную муфту 38 на вал 21 привода шестерни 22 синхронизирующего механизма и далее на поршни 2. Непосредственно пусковой механизм системы пуска двигателя может иметь, например, любой из приводов: пневматический, электромагнитный, гидравлический, электростартерный, пусковой двигатель внутреннего сгорания и прочие. Для облегчения запуска камеры 4 компрессорных полостей сообщаются постоянно с атмосферой при помощи специальных декомпрессоров (отключаются), в форсунки 5 может предварительно i подаваться легковоспламеняющееся топливо, а подпитка продувочного ресивера 13 в этот момент осуществляется от рабочего ресивера 15, в котором сосредоточен определенный резервный запас сжатого воздуха. Рабочие нагрузки при этом от поршневой машины полностью отключаются. Возможен также вариант пневматического пуска двигателя, при котором сжатый воздух из рабочего ресивера 15 через специальный воздухораспределитель подается попеременно соответственно в одноименные крайние и средние полости камер 4 и сообщает поршням 2 оппозитное возвратно-поступательное перемещение при полностью за- j pbiTbtx компрессорных клапанах 8 и 11.

Стрелками на чертежах показаны направления движения воздуха и газов в трубопроводах 9, 12, 14, 16, 40, 18 и 19 и направление перемещения поршней 2.

Формула изобретения 1. Свободнопоршневой двухтактный двигатель, содержащий цилиндровый блок с трехступенчатым симметричным поршнем, образующими дизельные и компрес- сорные полости двухстороннего действия с петлевой схемой продувки и автоматически действующими клапанами, систему возду- хоснабжения с продувочным, рабочим ком- прессорным и газовым ресиверами, систему топливопитания с форсункой, топливным насосом и приводом последнего, систему смазки с масляным насосом и его приводом, систему охлаждения блока цилиндров с водяным насосом и его приводом и пусковое устройство, отличаю щий- с я тем, что, с целью улучшения динамических характеристик и расширения функциональных возможностей, он снабжен дополнительным цилиндровым блоком, идентичным первому и размещенным соос- но с ним, при этом поршни цилиндровых блоков связаны между собой при помощи реечно-шестеренчатого механизма синхронизации с возможностью встречно-проти- воположного движения, продувочный, рабочий компрессорный и газовый ресиверы выполнены в виде выносных блоков и снабжены двухрежимной запорно-клапан- ной арматурой, продувочный ресивер снаб-

жен радиатором-холодильником, а одноименные оппозитно размещенные дизельные и компрессорные полости сообщены между собой при помощи уравнительных трубопроводов.

2.Двигатель по п.1, отличающий- с я тем, что соединение реек механизма синхронизации с поршнями осуществляется при помощи сферических шарниров и упру- годемпфирующих элементов, а вал шестерни механизма синхронизации размещен в опорах, снабженных самоустанавливающимися сферическими подшипниками скольжения и упругодемпфирующими элементами.

3.Двигатель поп,1,отличающий- с я тем, что привод топливного насоса для каждой дизельной полости осуществляется индивидуально от реек механизма синхронизации и двух дополнительных реек, установленных диаметрально противоположно рейкам механизма синхронизации на внешней крайней ступени каждого из поршней,

4.Двигатель поп.1,отличающий- с я тем, что привод масляного насоса для каждого цилиндрового блока осуществляется индивидуально от шестерни, взаимодействующей с дополнительными рейками.

5.Двигатель поп.1,отличающий- с я тем, что привод водяного насоса осуществляется от вала шестерни механизма синхронизации, а пусковое устройство связано Суказанным валом при помощи автоматически действующей разъемной муфты,

зг

г

JJ

ъ

Ъ. ел со ю ся J

С

/

/7

ГР

)

L Л1

|

/S

Фиг. 5