СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
FREE-PISTON ENGINE

Изобретение относится к энергетическим установкам и может быть использовано в автомобилестроении, тяжелом машиностроении и малой энергетике, в частности в виде вспомогательных двигателей транспортных механизмов на передвижных или переносных электростанциях, электросварочных агрегатах и др.
Известен свободнопоршневой двигатель по а.св. СССР А.с. 985365 СССР, МКИ 5 F02B 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°C их магнитные свойства снижаются, что также понижает кпд двигателя.
Известен свободнопоршневой двигатель по а. св. 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 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 №2166231, 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 масло с топливом. Кроме того, на проработана система запуска ГТД.
Задача, стоящая перед изобретателями, заключалась в разработке свободнопоршневого двигателя с высоким кпд и надежности.
Решение указанных задач достигнуто в свободнопоршневом двигателе, выполненном по меньшей мере из одного цилиндра, внутри которого расположены два оппозитно установленных поршня со штоком, содержащий свечи зажигания, линейный генератор, содержащий, в свою очередь, обмотку статора, расположенную на цилиндре, системы газораспределения на концах цилиндра и коллектор подачи топливовоздушной среды и коллектор выхлопных газов, тем, что согласно изобретению каждая система газораспределения выполнена в виде пустотелого корпуса, установленного на торце цилиндра, внутри которого размещена втулка с впускными и выпускными окнами топлововоздушной смеси и выхлопных газов, имеющими возможность сообщаться соответственно с впускными и выпускными коллекторами, на оси втулки выполнено ведомое колесо гибкой передачи, а на штоке выполнена зубчатая рейка, с которой контактирует зубчатое колесо с ведущим валом, на внешнем конце которого установлено ведущее колесо гибкой передачи. На ведущем валу может быть установлен прерыватель, соединенный с электрической свечой. Свободнопоршневой двигатель может быть оборудован блоком управления, на валу ведущего колеса установлен, по меньшей мере, один датчик положения поршней, который электрическими связями соединен с блоком управления. Цилиндр может быть выполнен с двумя коаксиальными стенками, образующими зазор для прохождения охлаждающей жидкости.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1…4, где:
- на фиг.1 приведен карбюраторный вариант двигателя,
- на фиг.2 приведена схема свободнопоршневого двигателя с блоком управления,
- на фиг.3 приведен вид А,
- на фиг.4 приведена схема двигателя с несколькими (двумя) цилиндрами.
Свободнопоршневой двигатель (фиг.1…4) содержит, по меньшей мере, один цилиндр 1, внутри которого установлены оппозитно два поршня 2. Поршни 2 имеют компрессионные и маслосъемные кольца соответственно 3 и 4. Поршни 2 оппозитно закреплены на штоке 5. Между торцами 6 цилиндра 1 и поршнями 2 образованы камеры сгорания 7, а между поршнями 2 - внутрипоршневая камера 8. Внутрипоршневая полость частично заполнена смазывающей жидкостью.
Свободнопоршневой двигатель содержит трубопровод подачи топливовоздушной смеси 9 и трубопровод отвода выхлопных газов 10 и систему газораспределения 11.
Система газораспределения 11 (каждая), в свою очередь, содержит пустотелый корпус 12, внутри которого установлена втулка 13, имеющая радиальную перегородку 14, которая формирует две полости 15 и 16. На пустотелом корпусе 12 выполнены соответственно коллекторы подачи топливовоздушной смеси 17 и коллектор отвода выхлопных газов 18. На торцах 6 цилиндра 1, на боковых поверхностях пустотелого корпуса 12 и втулке 13 выполнены соответственно первое-четвертое впускные отверстия топливовоздушной смеси 19…22 и первое-четвертое выпускные отверстия выхлопных газов 23…26 для сообщения внутренней полости цилиндра 1 (точнее камеры сгорания 7 с уоллектором подачи топливовоздушной смеси 17 и коллектором отвода выхлопных газов 18).
Система газораспределения 11, кроме пустотелого корпуса 12 и втулки 13 с отверстиями 19…26, содержит ведомый вал 27, один конец которого соединен с втулкой 13, а на другом установлено ведомое колесо 28, контактирующее с гибкой связью (ремень или цепь). Кроме того, в систему газораспределения входят ведущее колесо 30, контактирующее с гибкой связью, которое установлено на ведущем валу 31, на другом конце которого установлено зубчатое колесо 32, контактирующее с зубчатой рейкой 33, выполненной на штоке 5.
Линейный генератор электроэнергии 34 состоит из статорной обмотки 35, установленной снаружи в центральной части цилиндра 1 и постоянных магнитов 36, установленных на промежуточном поршне 37, установленном в средней части штока 5 с относительно большим зазором. Система съема нагрузки выполнена в виде проводов 38 с присоединительными клеммами 39. Цилиндр 1 оборудован двумя свечами зажигания 40 и прерывателем 41, установленным на ведущем валу 31. Свечи зажигания 40 и прерыватель 41 соединены электрическими связями 42.
Система управления (фиг.2) может содержать блок управления 43 и, по меньшей мере, один датчик 44 положения поршней 2, соединенный электрической связью 42 с блоком управления 43. Датчик 44 может быть любого типа, например измерять угол "поворота ведущего вала 31. Для этого он должен быть установлен на ведущем валу 31.
Система охлаждения состоит из двух стенок цилиндра 1: внешней 45 и внутренней 46 с зазором 47 между ними, и трубок подвода и отвода охладителя 48 и 49.
Электрическая схема содержит электрические провода 38, соединяющие статорную обмотку 35 через клеммы 39 и коммутатор 50 с электродвигателем 51. К коммутатору 50 присоединен аккумулятор 52.
Блок управления 43 - это электронный блок, содержащий процессор и блок памяти. (На фиг.1…4 электронная схема блока управления подробно не показана). Блок управления 43 должен обеспечивать своевременное своевременную подачу напряжения на электрические свечи 40 и контроль режима работы свободнопоршневого двигателя, например частоты перемещения поршней 2.
Возможно применение нескольких цилиндров. На фиг.4 приведена схема свободнопоршневого двигателя с двумя цилиндрами 1. В этом случае статорные обмотки 35 соединены с коммутатором 50.
Свободнопоршневой двигатель работает следующим образом (фиг.1…4).
При запуске свободнопоршневого двигателя линейный генератор 34 работает в двигательном режиме. Для этого из аккумулятора 52 на статорные обмотки 35 через коммутатор 50 подается ток запуска обратной полярности, по отношению к току, вырабатываемому статорной обмоткой 35. Под действием магнитных сил, возбуждаемых статорной обмоткой 35 и действующих на магниты 36, шток 5 и поршни 2 приводится в движение, совершая ход сжатия в одной из камер сгорания 7 цилиндра 1. При достижении определенной степени (при определенном положении поршня 2, фиксируемом датчиком 44) топливо подается в трубопровод подачи топливовоздушной смеси 9 и одновременно совмещаются впускные отверстия 19 и 20, а также 21 и 22, далее топливовоздушная смесь поступает в одну из камер сгорания 7. После чего с прерывателя 41 подают напряжение на свечу 40 (фиг.1) и начинается процесс сгорания и расширения отработанных газов, происходящий в соответствии с циклом четырехтактного двигателя. Одновременно в противоположном конце цилиндра 1 происходит процесс выхлопа и продувки. После запуска система линейного генератора 34 переключается в генераторный режим при помощи коммутатора 50 и электрический ток поступает на электродвигатель 51 и аккумулятор 52.
Возможна довольно длительная работа электродвигателя (двигателей) 51 от аккумулятора 52, например, в гараже или густонаселенном районе. Это необходимо в целях обеспечения экологи окружающей среды.
При работе свободнопоршевого двигателя каждый ход поршней 2 является рабочим ходом для одной из частей цилиндра 1, в то время как для противоположной части этот ход является процессом сжатия. Температура поршня 2 из-за его контакта с горячими отработанными газами составит 500-600°C.
При работе двигателя постоянные магниты 36 совершают возвратно-поступательные движения и в статорной обмотке 35 возникает электромагнитное поле и в них индуцируется электрический ток. Вырабатываемый ток передается потребителю через провода 38, клеммы 39 и коммутатор 50 ко всем потребителям системы съема нагрузки, например, кроме электродвигателя (электродвигателей) 51 к приборам внешнего освещения (не показано).
Одновременно с работой двигателя происходит работа системы охлаждения. Для этого по трубопроводу 48 подают в зазор 47 охлаждающую жидкость, подогретая жидкость выходит по трубопроводу 49 и далее охлаждается в теплообменнике (не позазано).
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 статорную обмотку 35, может обеспечить движение поршня 2 в направлении, обратном настоящему направлению движения поршня 2 для экстренного торможения.
При работе свободнопоршневого двигателя с несколькими цилиндрами 1 сначала запускают один цилиндр 1 и по мере увеличения нагрузки запускают второй, третий и т.д. цилиндры 1 (фиг.4). Это поволит всем цилиндрам работать практически на расчетном режиме, что повысит КПД двигателя. При этом неработающие цилиндры могут быть предварительно прогреты. Это облегчит их запуск и повысит КПД.
Т.к. в процессе работы свободнопоршневого двигателя температура на статорных обмотках 35, которые находятся вне цилиндра 1, 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.
Электронная система управления позволяет полностью автоматизировать процесс зажигания.
Улучшается экологичность работы двигателя, так как транспортное средство в густонаселенных районах может передвигаться с выключенный свободнопоршневым двигателем на аккумуляторе.