СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
FREE-PISTON ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к свободнопоршневым двигателям. И может быть использовано как в транспорте (автомобильном, ж/дорожном, водном и даже воздушном), так и в стационарной электроэнергетике (малые и, как вар., мобильные электростанции).
Известные свободнопоршневые двигатели для отбора механической энергии, приобретенной поршнем от тепловой энергии сгоревшего топлива, обычно предполагают использование гидравлических или газовых турбин (патент RU №2445479), либо линейных электрогенераторов (патент RU №2539906). Использование для этой цели турбин как гидравлических, так и газовых снижает их топливную экономичность до уровня обычных газотурбинных двигателей и лишает их таким образом главного достоинства - потенциально высокого КПД. Использование же для этой цели линейных генераторов, при всей кажущейся привлекательности этой идеи - практически нереализуемо (большая масса подвижных частей и как следствие - недопустимые инерционные нагрузки).
Цель изобретения - произвести отбор механической энергии, приобретенной поршнем двигателя от тепловой энергии сгоревшего топлива, с максимальной эффективностью и предельно простыми средствами, а это может обеспечить лишь механическая система отбора мощности.
Технически результат достигается тем, что в свободнопоршневом двигателе, содержащем размещенный в цилиндре поршень, одним торцом взаимодействующий с камерой сгорания, а другим - с демпферной камерой, систему клапанов и устройство подачи топлива в камеру сгорания, по изобретению отбор механической энергии, приобретенной поршнем от тепловой энергии сгоревшего топлива, производится в демпферной камере с помощью дополнительного поршня, кинематически связанного с кривошипом, вращающим генератор электрической энергии. При этом диаметр цилиндра демпферной камеры по крайней мере вдвое меньше диаметра цилиндра камеры сгорания. А среднее давление воздуха в картере кривошипа под дополнительным поршнем примерно вдвое меньше среднего давления воздуха в демпферной камере.
На чертеже изображен свободнопоршневой двигатель в продольном разрезе.
Свободнопоршневой двигатель содержит сдвоенный поршень 1, помещенный в два соосно расположенных цилиндра: рабочий 2 и демпферный 3. Одним торцом поршень 1 взаимодействует с камерой сгорания «С», а другим - с демпферной камерой «Д». В демпферной камере «Д», перекрывая выходное отверстие, располагается дополнительный поршень 4, кинематически связанный с кривошипом 5, находящимся в картере 6. При этом цилиндр 3 и картер 6 совместно образуют герметичную камеру «К». Посредством корданной передачи 7 (вар.) выходной вал кривошипа 5 соединяется с генератором электрической энергии 8. Для гашения продольных вибрационных нагрузок используются пружинные (вар.) амортизаторы 9. Рабочий процесс обеспечивают установленные в камере сгорания «С» клапана: приточные 10 и выхлопные 11, а также устройство подачи топлива (вар. форсунка) 12. Для запуска двигателя в работу используется генератор «гремучей смеси» (Н+0) - электролизер 13 и электроискровая свеча 14.
Предлагаемый свободнопоршневой двигатель работает следующим образом. В камеру сгорания «С» электролизером 13 подается порция «гремучей смеси» и воспламеняется свечой 14. В результате взрыва «гремучей смеси» поршень 1 начинает ускоренно перемещаться в сторону демпферной камеры «Д», повышая давление находящегося там воздуха и приводя в движение дополнительный поршень 4. После остановки поршня 1 в крайнем нижнем положении он под воздействием этого возросшего давления в демпферной камере «Д» начинает двигаться обратно, освобождая камеру сгорания «С» от продуктов сгорания «гремучей смеси» через клапаны 11. В момент перекрытия поршнем 1 продувочных каналов клапанов 11 в камеру сгорания «К» через клапаны 10 под давлением от компрессора (не показан) подается порция атмосферного воздуха. Продолжая движение по инерции, поршень 1 сжимает находящийся в камере сгорания «С» воздух до получения температуры, обеспечивающей самовоспламенение топлива впрыскиваемого через форсунку 12 (дизельный цикл). После этого поршень 1 возобновляет движение в сторону демпферной камеры «Д», повторяя описанный выше процесс. При этом дополнительный поршень 4, вращая кривошип 5, одну половину его оборота осуществляет за счет избыточного давления в демпферной камере «Д», а вторую по инерции и с использованием давления воздуха в камере картера «К» (т.е. под днищем поршня 4). На штоке сдвоенного поршня 1 и на выходном валу кривошипа 5 имеются магнитные «метки» для обеспечения синхронизации их движения электроникой двигателя. Эта же электроника управляет работой клапанов 10, 11 и форсункой 12.
Использование принципа механического отбора мощности позволяет реализовать термодинамическую схему с полным расширением горючей смеси, а это снижает среднюю температуру цикла настолько, что делает ненужной систему охлаждения. И это не только предельно упрощает конструкцию двигателя, но делает реально достижимым термодинамическое КПД 78÷82%.