ЧЕТЫРЕХЦИЛИНДРОВЫЙ СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
PLUNGER-FREE FOUR-CYLINDER ENGINE

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, конкретно - к свободнопоршневым двигателям.
Известен свободнопоршневой двигатель по АС СССР №985365, МКИ 5 F02В 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 АС 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°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 непосредственно 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 масла с топливом. Кроме того, не проработана система запуска ГТД.
Задачи создания изобретения: уменьшение вибронагрузок и увеличение мощности двигателя.
Решение указанных задач достигнуто в четырехцилиндровом свободнопоршневом двигателе, содержащем корпус двигателя, две пары оппозитно установленных цилиндров и две поршневые группы, тем, что согласно изобретению между цилиндрами установлена магнитопроницаемая вставка, каждая поршневая группа выполнена в виде единого узла с двумя торцами и цилиндрическим пустотелым корпусом, в средней части которого выполнена внутренняя магнитопроницаемая цилиндрическая вставка, а внутри радиально установлены постоянные магниты сегментной формы, корпус двигателя выполнен с образованием зазора между магнитопроницаемой цилиндрической вставкой и внутренней магнитопроницаемой цилиндрической вставкой, вне него установлена по меньшей мере одна обмотка возбуждения, а движение поршневых групп в противоположные стороны обеспечено механизмом согласования. Механизм согласования может быть выполнен в виде двуплечего рычага. Четырехцилиндровый свободнопоршневой двигатель может содержать блок управления, а в каждом цилиндре установлен датчик давления соединенный электрической связью с блоком управления.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1…4, 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 приведена электрическая схема двигателя.
Свободнопоршневой двигатель (фиг.1) содержит корпус двигателя 1, две пары оппозитно установленных цилиндров 2…5 и две поршневые группы 6 и 7. Между цилиндрами 2…5 установлена магнитопроницаемая вставка 8. Форма вставки 8 прямоугольная или прямоугольная со скругленными углами. При этом поршневые группы 6 и 7 выполнены в виде единого узла с двумя торцами 9 и 10 и цилиндрическим пустотелым корпусом 11, в средней части которого установлена внутренняя магнитопроницаемая вставка 12 и радиально установлены постоянные магниты 13. Корпус двигателя 1 выполнен с образованием полости 14 между магнитопроницаемой вставкой 8 и внутренней цилиндрической вставкой из магнитопроницаемого материала. Материал магнитопроницаемых вставок 8 и 12 - титан, нержавеющая сталь полимер, композиционный материал и др. материалы, проницаемые для магнитного поля. Корпус двигателя 1 соединен с цилиндрами 2…5 фланцами 15. Снаружи относительно магнитопроницаемой вставки 8 установлена по меньшей мере одна обмотка возбуждения 16. Обмотка возбуждения 16 является составной частью линейного электрогенератора.
С обеих сторон поршневая группа 6 имеет компрессионные и маслосъемные кольца соответственно 17 и 18 (фиг.2).
Особенностью предложенного четырехцилиндрового свободнопоршневого двигателя является то, что у него синхронизирована работа поршневых групп таким образом, что поршневые группы совершают движение в противоположные стороны. Синхронизация движения нескольких поршней в ДВС широко применяется и осуществляется коленчатым валом. В свободнопоршневых двигателях коленчатый вал отсутствует, и синхронизация работы поршневых групп - трудная техническая задача.
Механизм синхронизации 19 (фиг.1…3) выполнен в виде двуплечего рычага 20, установленного на оси 21, проходящей через отверстие 22, выполненное в средней части этого рычага. На концах двуплечего рычага 20 выполнены открытые прямоугольные пазы 23, через которые проходят пальцы 24, установленные в поршневых группах 6 и 7 по прессовой посадке во внутренних корпусах 25 поршневых групп 6 и 7 (фиг.3).
Кроме того, двигатель содержит всасывающие коллекторы 26 и общий всасывающий коллектор 27, а также выхлопные коллекторы 28 и общий выхлопной коллектор 29. Во всасывающих коллекторах 26 установлены топливные форсунки 30 и впускной клапан 31 с приводом 32. В выхлопных коллекторах 28 установлены выпускные клапаны 33 с приводами 34. В каждом цилиндре 2…5 имеется электросвеча 35.
Двигатель может содержать блок управления 36, а в каждом цилиндре 2…5 установлен датчик давления 37, соединенный электрической связью 38 с блоком управления 36. Двигатель может содержать, установленный на каждом цилиндре 2…5 датчик положения поршня 39, соединенный электрической связью 38 с блоком управления 36 (фиг.4).
Обмотка возбуждения 16 соединена электрическими проводами 40 с коммутатором 41. Коммутатор 41 электрическими проводами 40 соединен с аккумулятором 42 и электродвигателем 43.
На корпусе двигателя 1 выполнено заправочное отверстие 44, соединенное маслопроводом 45, содержащим кран 46 с маслобаком 47.
Топливная система двигателя содержит топливный бак 48, к которому присоединен топливопровод 49, содержащий топливный насос 50 соединенный с топливными форсунками 30. Электрическая схема двигателя приведена на фиг. 3 и 4.
Работа свободнопоршневого двигателя (фиг.1…4) осуществляется следующим образом.
Для запуска двигателя напряжение с аккумулятора 42 через коммутатор 41 подается в общую обмотку возбуждения 16. В этом случае линейный электрогенератор работает как двигатель. Одновременно блок управления 36 включает топливный насос 50 и топливо из топливного бака 48 подается в топливные форсунки 30. Потом открывают впускной клапан 31 одного из цилиндров 3 подачей сигнала с блока управления 36 на привод 32 и топливо-воздушная смесь поступает в полость одного из цилиндров 2 или 3. При работе свободнопоршневого двигателя (фиг.1…4) каждый ход поршневой группы 6 является рабочим ходом для одного из цилиндров 2…5, в то время как для противоположной части этот ход является процессом сжатия. При достижении необходимой степени сжатий, фиксируемой датчиком давления 37 и/или датчиком положения поршня 39, блок управления 36 подает напряжение на электросвечу 35. Поршневая группа 6 совершает рабочий ход. Поршневая группа 7 движется в противоположном направлении за счет механизма синхронизации 19. Потом открывают выпускной клапан 33 подачей команды с блока управления 36 на привод 34. Происходит выхлоп.
Потом аналогичный цикл повторяется в других цилиндрах 3…5.
Температура поршневой группы 6 и 7 из-за их контакта с горячими отработанными газами, составит на максимальном режиме не более 500-600°C.
При остановке двигателя вновь происходит переключение линейного генератора в режим двигателя и отключают подачу топлива (не показано). При этом для создания противодействия движению поршня ток остановки, подаваемый на линейный электрогенератор, может обеспечить движение поршневой группы 6 в направлении, обратном настоящему направлению движения поршневой группы 6, для осуществления экстренного торможения.
Т.к. в процессе работы свободнопоршневого двигателя температура в обмотке возбуждения 16 линейного электрогенератора, которая находится вне цилиндров 2...5, 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. Отсутствие токосъемников приводит к повышению пожаробезопасности работы, а отсутствие обмоток в зоне высоких температур повышает надежность двигателя.
Механизм синхронизации уменьшает вибронагрузки за счет противоположного движения поршневых групп и повышает мощность двигателя за счет более резкого изменения магнитного потока через обмотку возбуждения.
Надежная система смазки позволяет увеличить ресурс работы двигателя до капитального ремонта, уменьшить износ трущихся частей и предотвратить перегрев.
Электронная система управления позволяет полностью автоматизировать процесс зажигания и открывания и закрывания спускных и выпускных клапанов и корректировать их открытие и закрытие в зависимости от режима работы двигателя.
Улучшается экологичность работы двигателя, так как транспортное средство в густонаселенных районах может передвигаться с выключенным свободнопоршневым двигателем на аккумуляторе.
Применение датчиков давления и положения поршней на обоих цилиндрах позволяет не только своевременно открывать и закрывать впускные и выпускные клапаны и подавать напряжение на электросвечи, но и контролировать аварийную ситуацию и при необходимости автоматически выключить двигатель.
Изобретение позволяет расширить номенклатуру производства свободнопоршневых двигателей с одним или двумя и более блоками на базе одного разработанного и доведенного модуля.