СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ЛИНЕЙНЫМ ГЕНЕРАТОРОМ
FREE-PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH LINEAR GENERATOR

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 двигатель внутреннего сгорания (патент РФ на изобретение №2451803, опубл. 27.05.2012, бюл. №5), который содержит рабочий цилиндр с элементом, совершающим возвратно-поступательное движение, и механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение, выполненный в виде вращающегося основного барабана с направляющей, кинематически связанной с элементом, движущимся возвратно-поступательно. Механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение снабжен дополнительным вращающимся барабаном и синхронизирующим элементом. Дополнительный барабан снабжен направляющей, кинематически связанной с элементом, движущимся возвратно-поступательно, а синхронизирующий элемент кинематически связан с обоими барабанами.
Недостатком известного двигателя является сложность его конструкции и кинематических связей между элементам, которые приводят к низкой надежности двигателя.
Известен свободнопоршневой двигатель, принятый за прототип (патент РФ на изобретение №2500906, опубл. 10.12.2013, бюл. №34), выполненный, по меньшей мере, из одного цилиндра, внутри которого расположены два оппозитно установленных поршня со штоком, содержащий свечи зажигания, линейный генератор, обмотку статора, расположенную на цилиндре, системы (механизм) газораспределения на концах цилиндра, коллектор подачи топливовоздушной среды и коллектор выхлопных газов. Каждая система газораспределения выполнена в виде пустотелого корпуса, установленного на торце цилиндра, внутри которого размещена втулка с впускными и выпускными окнами топливовоздушной 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 установлен прерыватель, соединенный с электрической свечой. Двигатель оборудован блоком управления, на валу ведущего колеса установлен датчик положения поршней.
С существенными признаками изобретения совпадает следующая совокупность признаков прототипа: цилиндр, внутри которого расположены поршни со штоком, свечи зажигания, линейный генератор, обмотку статора, механизм газораспределения на концах цилиндра, коллектор подачи топливовоздушной среды и коллектор выхлопных газов.
Недостатками прототипа являются необходимость электронной системы управления, которая должна осуществлять контроль движения поршней для обеспечения оптимального термодинамического цикла, а также позиционирование поршней, предотвращая их соударение с головками цилиндров, а также сложность конструкции и кинематических связей между элементами, это в свою очередь снижает надежность двигателя.
Изобретение направлено на повышение надежности двигателя.
Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания с линейным генератором включает свечи зажигания, линейный генератор, содержащий, обмотку статора, механизм газораспределения на концах цилиндра, коллектор подачи топливовоздушной среды и коллектор выхлопных газов. Предложенное решение включает четыре цилиндра, в головках которых установлены клапаны механизма газораспределения и контакт зажигания, с двумя парами соосных поршней жестко соединенных штоками с трубой. На внешней стороне трубы закреплены постоянные магниты. На внутренней поверхности трубы установлены сферические тела и проходит вал, установленный с помощью подшипников на корпусе. При этом на боковой поверхности вала выполнена непрерывная канавка синусоидного профиля. На торцах вала закреплены диски механизма газораспределения с выступами управления клапанами и контактом зажигания.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 - продольный разрез двигателя; фиг. 2 - разрез А-А (диск с выступами газораспределения и зажигания); фиг. 3 - разрез Б-Б; фиг. 4 - разрез В-В (головке цилиндра полостей системы газораспределения); фиг. 5 - центральная часть вала с непрерывной канавкой синусоидного профиля; фиг. 6 - разрез Т-Г, фиг. 7 - циклограмма работы двигателя.
Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания с линейным генератором содержит корпус 1, внутри которого установлены четыре цилиндра 2, 3, 4, 5 с соответствующими поршнями 6, 7, 8, 9, образующие две пары соосных поршней 6, 7 и 8, 9. Поршни 6, 7, 8, 9 жестко соединены соответствующими штоками 10, 11, 12, 13 с трубой 14. На внешней стороне трубы 14 закреплены постоянные магниты 15, расположенные внутри статора 16 с обмоткой 17, образую линейный генератор.
В предлагаемом двигателе роль позиционирования поршней выполняет проходящий внутри трубы 14 вал 18, установленный на подшипниках 19 на корпусе. На боковой поверхности вала 18 выполнена непрерывная канавка 20 синусоидного профиля - два выступа и две впадины. По канавке 20 во время работы двигателя прокатываются сферические тела, например шары 21, 22, установленные на внутренней поверхности трубы 14, ограничивая ход поршней 6, 7, 8, 9 верхней и нижней мертвыми точками. При этом сам вал 18 приобретает вращательное движение (один оборот за четыре такта в каждом цилиндре). Механизм газораспределения включает диски 23 и 24, закрепленные на торцах вала 18. Диск 23 имеет выступы управления клапанами: впуска 25 и выпуска 26, а также контакт зажигания 27. Диск 24 имеет выступы управления клапанами: впуска 28, выпуска 29, а также контакт зажигания 30.
В головках цилиндров 2, 3, 4, 5 установлены соответственно клапаны механизма газораспределения, а именно впускные 31, 32, 33, 34 и выпускные 35, 36, 37, 38 клапаны со штоками 39. На торцах штоков 39 установлены ролики 40 и свечи зажигания 41, 42, 43, 44 соответственно для цилиндров 2, 3, 4, 5. В головках цилиндров 2, 3, 4, 5 выполнены коллектор 45 для прохода горючей смеси и коллектор 46 для выхода отработанных газов с соответствующими отверстиями для прохода горючей смеси 47 и для выхода отработанных газов 48. В головках цилиндров 2, 3, 4, 5 выполнены отверстия 49 для свечи зажигания и контакт зажигания 50.
Двигатель работает следующим образом.
Пуск двигателя. На обмотку 17 статора 16 подается напряжение и генератор, работая в режиме линейного электродвигателя, перемещает трубу 14, на которой закреплены постоянные магниты 15 и установлены шары 21, 22, вместе с поршнями 6, 7, 8, 9 и штоками 10, 11, 12, 13 направо. При этом шары 21, 22, двигаясь по канавке 20, поворачивают вал 18, установленный на корпусе 1 на подшипнике 19, против часовой стрелки (если смотреть со стороны левого торца двигателя). Вместе с валом 18 поворачивается диск 23, который выступом впуска 25 наезжает на ролик 40 штока 39 впускного клапана 31 цилиндра 2. Начинается такт впуска. Так до тех пор, пока выступ впуска 25 не сойдет с ролика 40 штока 39 и не закроется впускной клапан 31. При подаче напряжение другой полярности на обмотку 17 статора 16 труба 14 вместе с поршнями 6, 7, 8, 9 перемещается налево и в поршне 6 начинается такт сжатия до тех пор, пока выступ зажигания 27 диска 23 не замкнет контакт зажигания 50 и не будет подано напряжение на свечу зажигания 41. Начинается такт рабочего хода. Двигатель запущен.
Циклограмма работы двигателя (фиг. 7).
Движение поршней 6, 7, 8, 9 цилиндров 2, 3, 4, 5 слева направо (фиг. 7 а, б). Шары 21, 22, двигаясь по канавке 20, поворачивают вал 18 против часовой стрелки (если смотреть с левого торца двигателя) от 0° до 90°.
Цилиндр 2. Диск 23 наезжает выступом впуска 25 на ролик 40 штока 39 впускного клапана 31 цилиндра 2. Начинается такт ВПУСКА. Так до тех пор, пока выступ впуска 25 не сойдет с ролика 40 штока 39 и не закроется впускной клапан 31.
Цилиндр 3. Все клапаны цилиндра 3 закрыты. Идет такт СЖАТИЯ.
Цилиндр 4. Все клапаны цилиндра 4 закрыты. Диск 23 наезжает выступом зажигания 27 на контакт зажигания 50. Подается напряжение на свечу зажигания 43, установленную в отверстие 49. Начинается такт РАБОЧИЙ ХОД.
Цилиндр 5. Диск 24 наезжает выступом выпуска 29 на ролик 40 штока 39 выпускного клапана 38 цилиндра 5. Начинается такт ВЫПУСКА. Так до тех пор, пока выступ выпуска 29 не сойдет с ролика 40 штока 39 и не закроется выпускной клапан 38.
Движение поршней 6, 7, 8, 9 цилиндров 2, 3, 4, 5 справа налево (фиг. 7 в, г). Шары 21, 22, двигаясь по канавке 20, поворачивают вал 18 против часовой стрелки (если смотреть с левого торца двигателя) от 90° до 180°.
Цилиндр 2. Все клапаны цилиндра 2 закрыты. Идет такт СЖАТИЯ.
Цилиндр 3. Все клапаны цилиндра 3 закрыты. Диск 24 наезжает выступом зажигания 30 на контакт зажигания 50. Подается напряжение на свечу зажигания 42, установленную в отверстие 49. Начинается такт РАБОЧИЙ ХОД.
Цилиндр 4. Диск 23 наезжает выступом выпуска 26 на ролик 40 штока 39 выпускного клапана 37 цилиндра 4. Начинается такт ВЫПУСКА. Так до тех пор, пока выступ выпуска 26 не сойдет с ролика 40 штока 39 и не закроется выпускной клапан 37.
Цилиндр 5. Диск 24 наезжает выступом впуска 28 на ролик 40 штока 39 впускного клапана 34 цилиндра 5. Начинается такт ВПУСКА. Так до тех пор, пока выступ впуска 28 не сойдет с ролика 40 штока 39 и не закроется впускной клапан 34.
Движение поршней 6, 7, 8, 9 цилиндров 2, 3, 4, 5 слева направо (фиг. 7 д, е). Шары 21, 22, двигаясь по канавке 20, поворачивают вал 18 против часовой стрелки (если смотреть с левого торца двигателя) от 180° до 270°.
Цилиндр 2. Все клапаны цилиндра 2 закрыты. Диск 23 наезжает выступом зажигания 27 на контакт зажигания 50. Подается напряжение на свечу зажигания 41. Начинается такт РАБОЧИЙ ХОД.
Цилиндр 3. Диск 24 наезжает выступом выпуска 29 на ролик 40 штока 39 выпускного клапана 36 цилиндра 3. Начинается такт ВЫПУСКА. Так до тех пор, пока выступ выпуска 29 не сойдет с ролика 40 штока 39 и не закроется выпускной клапан 36.
Цилиндр 4. Диск 23 наезжает выступом впуска 25 на ролик 40 штока 39 впускного клапана 33 цилиндра 4. Начинается такт ВПУСКА. Так до тех пор, пока выступ впуска 25 не сойдет с ролика 40 штока 39 и не закроется впускной клапан 33.
Цилиндр 5. Все клапаны цилиндра 5 закрыты. Идет такт СЖАТИЯ.
Движение поршней 6, 7, 8, 9 цилиндров 2, 3, 4, 5 справа налево (фиг. 7 ж, з). Шары 21, 22, двигаясь по канавке 20, поворачивают вал 18 против часовой стрелки (если смотреть с левого торца двигателя) от 270° до 360°.
Цилиндр 2. Диск 23 наезжает выступом выпуска 26 на ролик 40 штока 39 выпускного клапана 35 цилиндра 2. Начинается такт ВЫПУСКА. Так до тех пор, пока выступ выпуска 26 не сойдет с ролика 40 штока 39 и не закроется выпускной клапан 35.
Цилиндр 3. Диск 24 наезжает выступом впуска 28 на ролик 40 штока 39 впускного клапана 32 цилиндра 3. Начинается такт ВПУСКА, и так до тех пор, пока выступ впуска 28 не сойдет с ролика 40 штока 39 и не закроется впускной клапан 32.
Цилиндр 4. Все клапаны цилиндра 4 закрыты. Идет такт СЖАТИЯ.
Цилиндр 5. Все клапаны цилиндра 5 закрыты. Диск 24 наезжает выступом зажигания 30 на контакт зажигания 50. Подается напряжение на свечу зажигания 44. Начинается такт РАБОЧИЙ ХОД. После завершения рабочего хода двигатель возвращается в исходное положение.
Горючая смесь поступает в двигатель через отверстие 47 и коллектор 45, а отработанные газы удаляются через коллектор 46 и отверстие 48.
Циклически повторяющееся давление газов в процессе сгорания топлива сообщает поршневой группе возвратно-поступательное движение. При возвратно-поступательном движении поршней со штоками и трубой с закрепленными на ней постоянными магнитами, расположенными внутри статора и взаимодействия с обмотками статора наводит в них электродвижущую силу. В сущности это и есть принцип действия линейного генератора со свободным поршнем, производящим электроэнергию непосредственно из линейного движения поршня без промежуточных механических звеньев. Верхняя мертвая точка траектории зависит от степени сжатия и скорости сгорания топливного заряда. Фактически торможение поршня происходит за счет создания критического давления в камере и последующего самопроизвольного возгорания смеси. В обычном двигателе внутреннего сгорания каждый последующий цикл является аналогом предыдущего, благодаря жестким механическим связям между поршнями и коленвалом. В линейных же двигателях длительность тактов и верхняя мертвая точка - плавающие величины. Малейшая неточность в дозировке топливного заряда или нестабильность режима сгорания вызывают остановку поршня или удар в одну из боковых стенок. Электронная система управления должна осуществлять контроль движения поршней для обеспечения оптимального термодинамического цикла, а также позиционирование поршней, предотвращая их соударение с головками цилиндров. В предлагаемом двигателе роль позиционирования поршней выполняет вал, установленный на подшипниках, проходящий внутри трубы с постоянными магнитами, на боковой поверхности которого выполнена непрерывная канавка синусоидного профиля - два выступа и две впадины, по которой во время работы двигателя прокатываются сферические тела, установленные на внутренней поверхности трубы, ограничивая ход поршней верхней и нижней мертвыми точками. При этом сам вал приобретает вращательное движение (один оборот за четыре такта в каждом цилиндре), что дает возможность установить на концах вала диски, которые выполняют роль механизма газораспределения. Для чего на нем выполнены выступы с покатыми въездами и съездами с них роликов штоков впускных, выпускных клапанов и контакта зажигания. В любой момент времени в одном из противоположных цилиндров проходит такт рабочего хода, обеспечивая возвратно-поступательное движение трубы с постоянными магнитами внутри обмотки статора. В результате позиционирования поршней, предотвращается их соударение с головками цилиндров, уменьшается трение между движущими частями, что в целом повышает надежность двигателя.
Помимо повышения надежности использование предложенного двигателя приводит к упрощению его конструкции и повышению эффективности работы.