СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Техническое решение относится к двигателестроению, а в частности к двухтактному свободнопоршневому двигателю внутреннего сгорания (СПДВС), преобразующему механическую энергию в электрическую, и может быть использовано в различных транспортных средствах, в том числе в составе беспилотных аппаратов наземного назначения.
Конструкция СПДВС позволяет снизить потери в узлах трения по сравнению с классическим двигателем внутреннего сгорания, оснащенным кривошипно-шатунным механизмом, что обеспечивается за счет снижения количества пар трения и узлов, преобразующих энергию. Применение в составе СПДВС двух управляемых пневматических пружин позволяет преобразовывать часть энергии сгорания топлива в энергию сжатого газа пневматической пружины. Эта энергия используется для выполнения последующего такта сжатия и выработки электроэнергии на этом такте.
Такое техническое решение обеспечивает выработку электроэнергии на каждом рабочем такте (т.е. дважды за рабочий цикл), что позволяет использовать линейную электрическую машину меньшей мощности, а это, в свою очередь, снижает массу движущихся частей. В итоге увеличивается электрическая мощность СПДВС за счет повышения рабочей частоты и эффективности.
Из уровня техники известны различные варианты исполнения свободнопоршневых двигателей внутреннего сгорания.
В патенте на изобретение (DE 102010008226, МПК: F02B 71/00, опубликован 08.05.2014) предложен СПДВС с камерой теплообмена, расположенной между стенками рабочего цилиндра и головкой блока цилиндра, которая связана с камерой сгорания посредством впускного клапана. Двигатель имеет камеру теплообмена, которая позволяет увеличить эффективность двигатель за счет более полного использования энергии сгорания топлива, и два рабочих цилиндра, поршни которых соединены единым штоком электрической машины.
Однако реализация описанного решения не затрагивает такие аспекты, как неуравновешенность, которая будет выражена повышенным уровнем вибрации, что влечет за собой снижение эффективности работы энергетической установки.
Более близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является линейный СПДВС, рассмотренный в патенте на изобретение (US 8662029, МПК: F02B 71/00, опубликован 04.03.2014). Двигатель состоит из цилиндра, имеющего камеру сгорания в центральной части, двух поршневых узлов, включающих в себя поршень, шток пружины и электрической машины, и двух линейных электрических машин. Поршень имеет уплотнение, чтобы предотвратить прорыв газов из камеры сгорания в камеру пневматической пружины. Двигатель имеет систему непосредственного впрыска топлива в цилиндр. Применение пневматической пружины позволяет вырабатывать электрическую энергию, как на такте сжатия, так и на такте расширения. Двигатель внутреннего сгорания может работать как по 2-х тактному циклу, так и по 4-х тактному. Степень сжатия двигателя достигает значений 50:1, степень расширения 75:1. В рассматриваемом изобретении органы выпуска расположены в центре камеры сгорания, рядом с узлом впрыска топлива (в случае дизельного двигателя), органы впуска расположены в цилиндре в области нижней мертвой точки и служат для впуска чистого воздуха или топливовоздушной смеси.
Преимуществом представленной конструкции является уравновешенность двигателя от сил инерции, возможность получения электрической энергии на обоих тактах рабочего хода, способность работы на двухтактном или четырехтактном рабочем цикле, его многотопливность за счет изменяемой степени сжатия, а также возможность воспламенения от свечей зажигания или от сжатия.
Однако представленная конструкция имеет ряд существенных недостатков. Поскольку в представленной конструкции диаметры рабочего цилиндра и пневматической пружины равны, то это способно привести к повышению максимальной температуры рабочего тела в пневматической пружине, а это усложнит условия работы уплотнений.
Недостатком двигателя также является полное отсутствие системы смазки и системы охлаждения, что сужает рабочий диапазон двигателя и ограничивает его удельную мощность.
Еще одним недостатком рассмотренной конструкции является конструкция системы газообмена. Заявленная авторами высокая степень сжатия (50 ед.) говорит о большой длине рабочего цилиндра, что впоследствии приведет к снижению эффективности газообмена на высокой частоте работы двигателя и повышению коэффициента остаточных газов.
При работе на топливовоздушной смеси возможен выброс топлива в выпускную систему или обратное движение продуктов сгорания в цилиндр, что приведет к повышению количества остаточных газов в цилиндре.
Задача, поставленная в полезной модели, заключается в повышении эффективности и надежности СПДВС благодаря улучшению газообмена в двигателе и применения систем смазки и охлаждения.
Технический результат заключается в повышении эффективности работы СПДВС за счет одновременного использования непосредственного впрыска топлива в цилиндр и улучшения газообмена в цилиндре двигателя.
Сущность полезной модели состоит в том, что СПДВС, работающий по двухтактному циклу, содержит цилиндропоршевую группу, включающую в себя два цилиндра, установленных в блоках цилиндров и снабженных впускным и выпускным окнами, камеру сгорания, расположенную между блоками цилиндров и объединяющую их в один общий рабочий цилиндр, два поршня рабочего цилиндра, оппозитно расположенных внутри цилиндров, каждый из которых оснащен соединительным узлом, при этом каждый поршень соединен со штоком, форсунки и свечи зажигания, установленные в камере сгорания; линейные электрические машины с постоянными магнитами, расположенные за цилиндропоршневой группой, пневматические пружины, располагающиеся после линейных электрических машин, каждая из которых содержит цилиндр и поршень, при этом поршни цилиндропоршевой группы имеют штоки, в центральной части которых размещен соответствующий транслятор линейной электрической машины с постоянными магнитами, и на противолежащем конце штока поршни пневматической пружины.
Кроме того, еще отличия состоят в том, что СПДВС снабжен узлами блокировки штока от поворота, каждый из которых установлен на соответствующем штоке и представляет собой стержень, размещенный в радиальном отверстии штока, оба цилиндра цилиндропоршневой группы установлены в соответствующем блоке цилиндров, которые объединены камерой сгорания, так, что внешняя боковая поверхность каждого из цилиндров и внутренняя полость блока цилиндров и камеры сгорания образуют общую герметичную рубашку охлаждения, с возможностью жидкостного охлаждения, в запоршневом пространстве цилиндропоршневой группы, которое заключено между поршнем и линейной электрической машиной, установлены масляные жиклеры, при этом каждый поршень снабжен маслосъемным кольцом, перед линейными электрическими машинами имеются дренажные отверстия с возможностью слива масла, каждая пневматическая пружина имеет корпус, выполненный с передним и задним фланцем и штуцерами, и цилиндр пневматической пружины установлен в корпусе таким образом, что внешняя боковая поверхность цилиндра и корпус пневматической пружины образуют герметичную рубашку охлаждения, при этом в цилиндре пневматической пружины напротив рабочего поршня располагается регулирующий поршень, который фиксируется посредством заднего фланца с возможностью регулировочного перемещения, между каждой линейной электрической машиной и передним фланцем пневматической пружины установлен датчик положения штока, при этом для обеспечения перемещения штока в корпусе линейной электрической машины и пневматической пружины имеются линейные направляющие.
Реализация технических решений в СПДВС согласной предложенной полезной модели позволяет достичь высоких экологических характеристик за счет комплексного использования прямоточно-щелевой продувки и непосредственного впрыска топлива, а также специальной системы смазки, исключающей попадание масла в область горения.
Возможность использования жидкостного охлаждения СПДВС, в том числе пневматических пружин, обеспечивает работу двигателя в оптимальном температурном диапазоне и выравнивает температурное поле различных деталей, что повышает ресурс и надежность двигателя.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых представлены: схема СПДВС (фиг. 1) с двумя видам двигателя - сверху и сбоку; продольный разрез центральной части двигателя (фиг. 2).
Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания состоит из
двух цилиндров 1, каждый из которых снабжен впускным 2 и выпускным 3 окнами на боковой поверхности, установленных в блоках цилиндров 4,
камеры сгорания 5, расположенной между блоками цилиндров 4 и объединяющей их в один общий рабочий цилиндр двигателя (позиция на чертежах не показана),
общей рубашки охлаждения 6 блока цилиндров 4 и камеры сгорания 5, образованной внешней боковой поверхностью цилиндров 1 и внутренней полостью блока цилиндров 4 и камеры сгорания 5,
поршней 7, оппозитно расположенных внутри цилиндров 1 и снабженных компрессионными 8 и маслосъемными 9 кольцами, предназначенными для герметизации поршней 7 в цилиндрах 1 и удаления излишнего масла с их поверхности,
причем каждый поршень 7 оснащен соединительным узлом 10, состоящим из поршневого пальца 11 со штоком 12,
двух поршней 13 пневматической пружины с уплотнительными элементами 14, закрепленных на штоке 12 и расположенных внутри цилиндра 15 пневматической пружины, имеющей передний 16 и задний 17 фланец, причем цилиндр 15 снабжен корпусом 18 со штуцерами 19 для подачи и отвода охлаждающей жидкости, а пространство между цилиндром 15 и корпусом 18 образует рубашку охлаждения 20, герметичность которой обеспечивается уплотнительными элементами 21,
регулирующего поршня 22 с уплотнительными элементами 23, входящего в состав пневматической пружины и расположенного в цилиндре 15 напротив поршня 13, причем поршень 22 посредством заднего фланца 17, регулирующего болта 24 и гайки 25 фиксируется в заданном положении внутри цилиндра 15,
линейных направляющих 26, установленных в переднем фланце 16 и в корпусе линейной электрической машины 27, в которых происходит перемещение штока 12,
узла блокировки поворота штока 28, представляющего собой стержень, размещенный в радиальном отверстии штока 12,
масляных жиклеров 29 для смазки внутренней поверхности рабочего цилиндра двигателя, установленных в запоршневом пространстве каждого поршня 7,
дренажных отверстий (на чертежах не показаны), расположенных в корпусе линейных электрических машин 27, через которые происходит отвод излишнего масла из рабочего цилиндра,
форсунок 30 для непосредственного впрыска топлива в рабочий цилиндр двигателя, закрепленных в камере сгорания 5 посредством прижимов 31,
свечей зажигания 32 для воспламенения топливовоздушной смеси, размещенных в камере сгорания 5,
датчика положения 33 штока 12, расположенного между линейной электрической машиной 27 и передним фланцем 16.
Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.
Пуск СПДВС начинается с принудительного и симметричного колебания поршней 7 внутри рабочего цилиндра, которое обеспечивается работой линейных электрических машин 27 в режиме электродвигателя. За счет переменной электромагнитной силы и сил давления внутри рабочего цилиндр и пневматической пружине происходит колебание поршней 7 с нарастающей амплитудой. Когда амплитуда колебаний достигает величины расчетного рабочего хода, включается внешний продувочный узел (на чертежах не показан) и начинается продувка рабочего цилиндр в тот момент, когда поршни 7 открывают впускные 2 и выпускные 3 окна.
При встречном движении поршней 7 в определенной точке окна 2 и 3 закрываются и в рабочем цилиндре начинается сжатие воздуха. При достижении поршнями 7 заданного положения, которое определяет требуемую степень сжатия, с помощью форсунок 30 производится впрыск топлива. Далее происходит воспламенение топливовоздушной смеси посредством свечей зажигания 32. После этого процесс пуска считается завершенным и СПДВС входит в рабочий режим.
Во время работы СПДВС линейные электрические машины 27 работают в режиме генерации электроэнергии. После воспламенения топливовоздушной смеси под действием давления газов в рабочем цилиндре происходит противоположное движение поршней 6. Причем треть кинетической энергии идет на выработку электрической энергии, а оставшаяся часть преобразуется во внутреннюю энергию сжатого газа в пневматической пружине, которая используется для обеспечения следующего такта сжатия и выработки электрической энергии на нем.
Поршни 7 двигаются в противоположном направлении до тех пор, пока не достигают точки открытия выпускного окна 3, после чего за счет перепада давления в рабочем цилиндре и на выходе из выпускного окна 3 начинается процесс выпуска.
При дальнейшем движении поршней 7 открываются впускные окна 2, через которые подается свежий воздух и осуществляется продувка рабочего цилиндра, которая продолжается до начала встречного движения поршней 7, при котором окна 2 и 3 закрываются и повторяется такт сжатия.
Во время работы СПДВС выделяется большое количество теплоты, которое отводится через систему охлаждения двигателя (на чертежах не показана). Охлаждающая жидкость циркулирует внутри общей рубашки охлаждения 6 блока цилиндров 4 и камеры сгорания 5.
Во время работы СПДВС на такте расширения, когда поршни 7 движутся в противоположные стороны, происходит увеличение давления газа в цилиндрах 15 пневматических пружин. Это вызвано движением поршней 13 пневматических пружин, жестко связанных штоками 12 с поршнями 7, которое приводит к сжатию газа в пневматической пружине. При этом температура газа увеличивается и для сохранения установленных характеристик пневматических пружин применяется жидкостное охлаждение. Для этого выполняется принудительная циркуляция охлаждающей жидкости в рубашке охлаждения 20 цилиндра 15 пневматической пружины. Подвод и отвод охлаждающей жидкости производится через штуцеры 19.
Смазка цилиндропоршневой группы свободнопоршневого двигателя осуществляется за счет масляных жиклеров 29, через которые масло подается на внутреннюю поверхность каждого поршня 7 и образующийся при этом масляный туман обеспечивает смазку рабочего цилиндра. Маслосъемные кольца 9 не допускают попадание масла в область горения топлива, а излишки масла удаляются из цилиндра через дренажные отверстия.
Контроль перемещения поршней 7 обеспечивается за счет использования датчиков положения 33, которые определяют непосредственное перемещение штока 12.
Во время работы может потребоваться регулировка характеристик пневматических пружин, которая заключается в изменении внутреннего объема пружины, приводящем к изменению ее жесткости и частотных характеристик. Изменение внутреннего объема пневматической пружины происходит посредством перемещения регулирующего поршня 22 при вращении регулирующего болта 24. При достижении требуемого положения поршня 22 затягивается гайка 25, исключающая поворот и ослабление болта 24.
Также в случае необходимости может быть изменено давление газа внутри пневматической пружины, которое осуществляется с помощью сквозного отверстия в регулирующем болте 24 пневматической пружины.