ВОСЬМИЦИЛИНДРОВЫЙ СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
EIGHT-CYLINDER PLUNGER-FREE ENGINE

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, конкретно - к свободнопоршневым двигателям.
Известен свободнопоршневой двигатель по а.с. СССР 985365 СССР, МКИ 5 F02B 71/04, опубл. 30.12.1982 г., 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°C их магнитные свойства снижаются, что также понижает кпд двигателя.
Известен свободнопоршневой двигатель по а.с.СССР №1733650 СССР, МКИ 5 F02B 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°C) 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°C. 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°C.
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 непосредственного контакта охлаждающей среды с обмоткой якоря, расположенной внутри поршня, приводит к недостаточному охлаждению обмотки. Температура обмотки снижается только до 250-300°C. При этом потери электромагнитного поля на медных обмотках на 50% больше, чем потери электромагнитного поля при температуре в 20°C.
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, системы съема нагрузки и системы 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, проработана система запуска ГТД.
Задачи создания изобретения: упрощение конструкции и увеличение надежности двигателя.
Решение указанных задач достигнуто в восьмицилиндровом свободнопоршневом двигателе, содержащем корпус двигателя, две пары оппозитно установленных цилиндров и четыре поршневые группы, согласно изобретению каждая поршневая группа выполнена в виде единого узла с двумя торцами и цилиндрическим пустотелым корпусом, в средней части которого выполнена зубчатая рейка, корпус двигателя выполнен с образованием полости между ним и поршневыми группами. Двигатель содержит механизм синхронизации, выполненный в виде главного вала, проходящего сквозь корпус, и двух шестерен, установленных на нем и контактирующих с зубчатыми рейками, на концах главного вала установлены муфты обгона, выходные валы которых соединены с валами генераторов. Двигатель может содержать блок управления, а в каждом цилиндре установлен датчик давления, соединенный электрической связью с блоком управления. Двигатель может содержать установленный в каждом цилиндре датчик давления, соединенный электрической связью с блоком управления.
Сущность изобретения поясняется на чертежах, 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 - фрагмент поперечного разреза,
- на фиг.5 приведена электрическая схема двигателя.
Свободнопоршневой двигатель (фиг.1-6) содержит корпус двигателя 1, четыре пары оппозитно установленных цилиндров 2-9 и четыре поршневых группы 10-13. При этом поршневые группы 10-13 выполнены в виде единого узла с двумя торцами 14 и 15 и цилиндрическим пустотелым корпусом 16, в средней части которого выполнены зубчатые рейки 17. Корпус двигателя 1 выполнен с образованием полости 18 между ним и поршневыми группами 10-13. Корпус двигателя 1 соединен с цилиндрами 2-9 фланцами 19. С обеих сторон поршневая группа 10-13 имеет компрессионные и маслосъемные кольца соответственно 20 и 21.
Особенностью предложенного четырехцилиндрового свободнопоршневого двигателя является то, что у него синхронизирована работа поршневых групп. Синхронизация в ДВС широко применяется и осуществляется коленчатым валом. В свободнопоршневых двигателях коленчатый вал отсутствует.
Механизм синхронизации 22 (фиг.1-6) выполнен в виде двух шестерен 23 и 24, жестко связанных с главным валом 25, установленным на подшипниках 26, установленных в приливах 27 корпуса 1 и уплотненных уплотнениями 28. Шестерни 23 и 24 взаимодействуют с зубчатыми рейками 17, выполненными на всех поршневых группах 10-13 в средней части.
Концы главного вала 25 соединены с муфтами обгона 29 и 30, выходные валы 31 и 32 которых соединены с валами 33 и 34 генераторов 35 и 36. На торцах выходных валов 31 и 32 установлены датчики измерения угла поворота 37 и 38 и датчики скорости вращения 39 и 40.
Кроме того, двигатель содержит всасывающие коллекторы 41 и общий всасывающий коллектор 42, а также выхлопные коллекторы 43 и общий выхлопной коллектор 44. Во всасывающих коллекторах 41 установлены топливные форсунки 45 и впускной клапан 46 с приводом 47. В выхлопных коллекторах 43 установлены выпускные клапаны 48 с приводами 49. В каждом цилиндре 2-9 имеется электросвеча 50.
Двигатель может содержать блок управления 51, а в каждом цилиндре 2-9 установлен датчик давления 52, соединенный электрической связью 53 с блоком управления 51. Двигатель может содержать установленные на каждом цилиндре 2-9 генераторы 35 и 36, которые соединены электрическими проводами 54 с коммутатором 55. Коммутатор 55 электрическими проводами 54 соединен с аккумулятором 56 и электродвигателем 57.
На корпусе двигателя 1 выполнено заправочное отверстие 58, выходящее в полость 18 и соединенное маслопроводом 59, содержащим кран 60 с маслобаком 61.
Топливная система двигателя содержит топливный бак 62, к которому присоединен топливопровод 63, содержащий топливный насос 64 с приводом 65, соединенный с топливными форсунками 45.
Для обеспечения запуска двигателя предусмотрена система запуска. Система запуска содержит редуктор 68, установленный на главном валу 25, вал 69, преобразователь 66 и привод 67. Преобразователь 66 преобразует вращательное движение вала привода 67 в колебательное (фиг.3).
Электрическая схема двигателя приведена на фиг. 5 и 6.
Работа двигателя осуществляется следующим образом.
Для запуска двигателя подается сигнал с блока управления 51 на коммутатор 55, который включает привод 67. Привод 67 передает вращательное движение на преобразователь 66 и далее через вал 69 и редуктор 68 - на главный вал 25. Поршневые группы 10-13 приходят в движение, при этом открывается соответствующий впускной клапан 46 (какой клапан необходимо открыть, определяет блок управления, используя показания датчиков угла поворота 37 и 30). Одновременно включается привод 65, и топливо насосом 64 подается в соответствующую топливную форсунку 45 и далее - во всасывающий коллектор 41. Потом подается напряжение на электросвечу 50 соответствующего цилиндра и происходит воспламенение топливовоздушной смеси в этом цилиндре.
После запуска двигателя блок управления 51 переключает коммутатор 55 и отключает привод 67. Идет зарядка аккумулятора 56 и при необходимости включают электродвигатель 57.
Так как электродвигатель 57 может работать от аккумулятора 56 длительное время, это обеспечивает сохранение окружающей среды, например, при работе двигателя на автомобиле в черте города.
Применение изобретения позволит:
- повысить кпд двигателя за счет применения механизма активации,
- повысить мощность,
- снизить вибронагрузки за счет применения механизма синхронизации.