СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
FREE PISTON ENGINE

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания.
Известен свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором энергия сгорания топливной смеси преобразуется в возвратно-поступательные движения. [1]
Это решение имеет узкий круг применения, например, для привода компрессоров.
В современном уровне развития техники наибольшее развитие получили силовые установки, дающие потребителю энергию через вращательное движение. [2]
Данный свободнопоршневой двигательимеет агрегатный способ компоновки и оптимизирует набор мощности для потребителя. Он, как и существующие традиционные двигатели внутреннего сгорания не могут длительное время работать в условиях детонации топливной смеси. Устанавливаемые в шатунах подшипники скольжения не выдерживают длительных ударных нагрузок.
Известен свободнопоршневой двигатель по патенту РФ №2513076, прототип. [3]
Этот двигатель может комплектоваться несколькими цилиндрами и валами, зубчатыми передачами и обгонными муфтами, редуктором, генератором.
Техническое решение этого двигателя сложно в исполнении, обслуживании и эксплуатации.
Задача изобретения состоит в расширении области применения свободнопоршневого двигателя до уровня общепринятого двигателя внутреннего сгорания с классической схемой.
Технический результат достигается тем, что свободнопоршневой двигатель содержит, по меньшей мере, один агрегат двигателя с цилиндром, внутри которого расположены на одной оси два поршня повернутые один относительно другого на 180° со штоком, связанным с рейкой посредством соединительной планки с контактирующей с ней зубчатым сектором, который соединен с обгонной муфтой и валом с возможностью расположения на нем дополнительных агрегатов двигателя. Обеспечивают рабочий процесс системы: смазки, охлаждения, приготовления и подачи топливной смеси, выпуска отработанных газов, а так же нерасходная система высокого давления газа, которые содержат пневмораспределители, обратные клапана, насосы, переключатель, трубопроводы.
Агрегатный способ компоновки свободнопоршневого двигателя и их независимая работа позволяет набирать необходимую мощность для потребителя, при необходимости отключать их частично или полностью от работы.
Воспламенение топливной смеси происходит от сжатия. Изменение давления газов в системе высокого давления позволяет использовать различные виды топлива (жидкие и газообразные).
Агрегатный способ ремонта и обслуживания сокращает эксплуатационные затраты. При изготовлении свободнопоршневого двигателя применимы известные технологии и материалы.
Компоновка агрегатов может отличаться от предложенной (Фиг. 1), так как их расположение в пространстве не влияет на работу силового элемента (цилиндра) и служб обеспечения рабочего процесса.
Сущность изобретения поясняется рисунками на Фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.
Фиг. 1, позиция 1 показывает отдельный агрегат свободнопоршневого двигателя и место крепления других агрегатов двигателя. Они работают независимо друг от друга. Поддон 2 служит для закрепления свободнопоршневых двигателей, расположения систем обеспечения рабочего процесса, сборок и деталей.
Принцип действия двигателя поясняется на Фиг. 2, которая отображает рабочий ход в цилиндре двигателя, где позиции обозначают:
3 - головка цилиндра, 4 - цилиндр, 5а, 5б - поршни, 6 - крышка цилиндра, 7 - шток, 8 - планка соединительная, 9 - рейка, 10 - зубчатый сектор, 11 - обгонная муфта, 12 - вал, 13 - окно.
Топливная смесь, поступает через головку цилиндра 3 и сжимается в цилиндре 4 поршнями 5а, 5б до воспламенения от системы высокого давления газов, поданных через крышку цилиндра 6. Приводятся в движение в обратном направлении поршни 5а, 5б, шток 7, планка соединительная 8, рейка 9, зубчатый сектор 10, а обгонная муфта 11 передает вращение валу 12. Отработанные газы выходят через окно 13. Рабочий ход в цилиндре 4 возвращает газы через крышку цилиндра 6 в систему высокого давления.
На Фиг. 3 обозначено: 5а, 5б - поршни, 14 - палец, 7 - шток. Данная сборка обеспечивает рабочие процессы в цилиндре 4 (Фиг. 2). Поршни 5а, 5б на одной оси и повернуты один относительно другого на 180°, соединены пальцем 14 и штоком 7, от которого приводится в движение зубчатая передача, обгонная муфта 11 и вал 12 (Фиг. 2). Пространство между кольцами на поршнях 5а, 5б обеспечивается смазкой из системы смазки.
Система смазки предназначена для смазки подвижных деталей и узлов. Состоит из элементов, обозначенных на Фиг. 4: 15 - распределитель масла, 16 - обратный клапан 1, 17 - коллекторы охлаждения масла, 18 - насос, 19 - фильтр, 20 - обратный клапан 2 и трубопроводы.
Система работает следующим образом. Насос 18 закачивает масло через фильтр 19, обратный клапан 2 позиция 20 и подает в цилиндр 4 (Фиг. 2) для смазки и частичного охлаждения поршней 5 (Фиг. 2, 3) и через обратный клапан 1 позиция 16 выходит в коллекторы охлаждения масла 17 к радиатору. Охлажденное масло поступает к распределителю 15, от него по трубопроводам к другим точкам смазки.
Система выпуска отработанных газов.
На Фиг. 5 показаны: 4 - цилиндр, 21 - коллектор выпускной, 22 - труба выпускная. При рабочем ходе в агрегате двигателя отработанные газы через окно 13 (Фиг. 2) поступают в трубу выпускную 22 и в коллектор выпускной 21, который соединяется с трубой выпускной 22 хомутами. Далее отработанные газы идут в глушитель и в атмосферу.
Система низкого давления необходима для приготовления топливной смеси, продувки камеры сгорания цилиндра от остатков отработанных газов.
Система содержит Фиг. 6: 3 - головку цилиндра, 23 - пневмораспределитель низкого давления, 24 - пневмораспределитель продувки цилиндра, 25 - насос низкого давления, 26 - топливный смеситель, 4 - цилиндр.
В зависимости от расположения поршней 5а, 5б (Фиг. 2, 3) сжатый воздух из насоса низкого давления 25 поступает через головку цилиндра 3 в камеру сгорания и топливный смеситель 26 по соответствующим трубопроводам. Процесс регулируется пневмораспределителями 23 и 24. Обеспечивается подача топливной смеси и продувка в цилиндре 4.
Топливная система взаимосвязана с системой низкого давления и предназначена для приготовления смеси топлива с воздухом.
На Фиг. 7 обозначено: 3 - головка цилиндра, 26 - топливный смеситель, 27 - коллектор топливный. Топливо из топливного бака насосом подается в коллектор топливный 27 и поступает в топливный смеситель 26, где в соответствующих пропорциях смешивается с воздухом и по трубопроводу идет через головку цилиндра 3 в камеру сгорания. Приготовление и подача топливной смеси регулируется из системы низкого давления пневмораспределителем низкого давления 23 (Фиг. 6).
Система высокого давления не расходная и служит для сжатия поршнями (Фиг. 2, позиция 5а, 5б) топливной смеси до воспламенения, включает или отключает работу агрегатов двигателей в зависимости от требуемой мощности для потребителя или их полное отключение.
Система содержит Фиг. 8: 28 - бак высокого давления, 29 - обратный клапан 3, 30 - переключатель, 31 - пневмораспределитель высокого давления, 32 - насос ручной подкачки, 33 - манометр, 34 - предохранительный клапан, 35 - обратный клапан 4, 36 - штуцер для пиропатрона. Перемещение газа высокого давления осуществляется по трубопроводам.
Для каждого используемого вида топлива в свободнопоршневом двигателе в баке высокого давления 28 обеспечивается нужное давление газа от стороннего компрессора или от пиропатрона. При необходимости коррекция давления газа в баллоне высокого давления 28 осуществляется насосом ручной подкачки 32 или уменьшение давления газа с помощью предохранительного клапана 34 путем принудительного открытия клапана и выпуск некоторого количества газа в атмосферу. Предохранительный клапан 34 не допускает избыточного давления газов в баке высокого давления 28. Контроль давления газа осуществляется манометром 33.
Система работает следующим образом. Если переключатель 30 установлен на работу данного агрегата двигателя, то давление газов из бака высокого давления 28 через пневмораспределитель высокого давления 31 подходит к крышке цилиндра 6 (Фиг. 2) по соответствующему трубопроводу и перемещает поршни5а,5б (Фиг. 2), сжимая в камере сгорания топливную смесь до воспламенения. При рабочем ходе газы по трубопроводам возвращаются в бак высокого давления 28. Обратный клапан 3 позиция 29 и обратный клапан 4 позиция 35 обеспечивают одностороннее перемещение газов.
Система охлаждения жидкостная и состоит из Фиг. 9: 37 - рубашка цилиндра, 38 - коллектора охлаждения, 39 - обратный клапан 5, 40 - обратный клапан 6, 41 - насос охлаждающей жидкости. Система обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости с помощью насоса 41 по рубашке цилиндра 37. Охлажденная жидкость от радиатора через коллектора охлаждения 38 по трубопроводам поступает в рубашку цилиндра 37 и охлаждает детали цилиндра. Нагретая жидкость по трубопроводу отходит в коллектора охлаждения 38 и далее в радиатор на охлаждение. Направленный поток жидкости регулируется обратным клапаном 5 позиция 39 и обратным клапаном 6 позиция 40.
Недостатком в предложенном механизме является отсутствие электропитания (для работы двигателя в нем нет необходимости).
При потребности для потребителя в электроснабжении на вал свободнопоршневого двигателя устанавливается ременная передача для привода генератора.
К преимуществам относятся: простота конструкции, многотопливность, возможность работы при детонационном сгорании топливной смеси. Агрегатный способ обслуживания и ремонта, применение известных технологий и материалов при изготовлении свободнопоршневого двигателя. Отсутствие металлоемких, точных и сложных в исполнении деталей значительно сокращает затраты при изготовлении по сравнению с двигателем с классической схемой построения.
Источники информации.
1. Патент RU №2107831, кл. F02B 71/00, F03G 3/00, 1998 г..
2. Патент RU №2191905, кл. F02B 71/00, F03G 3/00, 2002 г..
3. Патент RU №2513076, кл. Р02В 71/04, 2014 г.
4. Под общей редакцией А.С. Орлин, М.Г. Круглов. Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигателей. Третье издание, М., 1985 г..