ЧЕТЫРЕХЦИЛИНДРОВЫЙ СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
PLUNGER-FREE FOUR-CYLINDER ENGINE

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, конкретно - к свободнопоршневым двигателям.
5
Известен свободнопоршневой двигатель по АС СССР 985365, МКИ 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°С их магнитные свойства снижаются, что также понижает кпд двигателя.
5
Известен свободнопоршневой двигатель по АС СССР №1733650, МКИ 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°С. 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°С.
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°С. При этом потери электромагнитного поля на медных обмотках на 50% больше, чем потери электромагнитного поля при температуре в 20°С.
Кроме того, подача охлаждающей жидкости в камеру сгорания приводит к резким перепадам температуры, а 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, 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.
Задачи создания изобретения: упрощение конструкции и увеличение мощности и КПД двигателя.
Решение указанных задач достигнуто в четырехцилиндровом свободнопоршневом двигателе, содержащем корпус двигателя, две пары оппозитно установленных цилиндров и две поршневых группы, тем, что каждая поршневая группа выполнена в виде единого узла с двумя торцами и цилиндрическим пустотелым корпусом, который выполнен из магнитопроницаемого материала с образованием зазора между ним и поршневыми группами, поршневые группы связаны между собой механизмом синхронизации имеющим вал, проходящий сквозь корпус в обе стороны и шестерню, жестко связанную с валом и с зубчатыми рейками на поршневых группах, внутри корпуса выполнен механизм активации, содержащий выполненные коаксиально поршневым группам втулки с чередованием магнитороницаемых и немагнитопроницаемых участков, при этом каждая втулка соединена двуплечим рычагом, установленным с возможностью поворота на валу, с соседней поршневой группой, а вне корпуса установлена по меньшей мере, одна обмотка возбуждения. Четырехцилиндровый свободнопоршневой двигатель может содержать блок управления, а в каждом цилиндре может быть установлен датчик давления соединенный электрической связью с блоком управления. Четырехцилиндровый двигатель внутреннего сгорания может содержать, по меньшей мере, один датчик скорости вращения вала, соединенные электрической связью с блоком управления.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1…5, 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 приведена втулка,
- на фиг.5 приведена поршневая группа.
Свободнопоршневой двигатель (фиг.1…5) содержит корпус двигателя 1, выполненный из магнитопроницаемого материала, две пары оппозитно установленных цилиндров 2…5 и две поршневых группы 6 и 7. При этом поршневые группы 6 и 7 выполнены в виде единого узла с двумя торцами 8 и 9 и цилиндрическим пустотелым корпусом 10, в средней части которого выполнены зубчатые рейки 11. Корпус двигателя 1 выполнен с образованием полости 12 между ним и поршневыми группами 6 и 7. Корпус двигателя 1 соединен с цилиндрами 2…5 фланцами 13. С обеих сторон поршневая группа 6 и 7 имеет компрессионные и маслосъемные кольца, соответственно 14 и 15.
Между корпусом 1 и поршневыми группами 6 и 7 установлены коаксиально поршневым группам 6 и 7 (по скользящей посадке) втулки 16 и 17 (фиг.3 и 4). Втулки 16 и 17 содержат чередующиеся магнитопроницаемые 18 и магнитонепропроницаемые участки 19, кронштейны 20 с отверстиями 21 для монтажа цилиндрических шарниров 22 (фиг.3).
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 23 (фиг.1…3) выполнен в виде шестерни 24, жестко связанной с валом 25, установленным на подшипниках 26, установленных в приливах 27 корпуса 1. Подшипники 25 уплотнены уплотнениями 28. Шестерня 24 взаимодействует с зубчатыми рейками 11 обеих поршневых групп 6 и 7.
На торцах валов 25 установлены датчики измерения угла поворота 29 и датчики скорости вращения 30.
Второй особенностью двигателя является применение линейного генератора 31, в состав которого входят постоянные магниты 32 и по меньшей мере одна обмотка возбуждения 33. Постоянные магниты 32 установлены в средней части поршневых групп в несколько рядов 34 (фиг.5). Обмотка (обмотки) возбуждения 33 установлена вне корпуса 1.
Второй особенностью двигателя является применение механизма активации 35. Механизм активации 35 предназначен для увеличения скорости изменения магнитного потока, проходящего через обмотки возбуждения 33, и, как следствие, для увеличения КПД и мощности двигателя.
Механизм активации 35 может быть выполнен любой конструкции. Для примера приведен вариант механизма активации 35, который содержит два двуплечих рычага 36 и 37, ось поворота которого совпадает с осью вала 25 и который соединяет поршневые группы 6 и 7 соответственно с втулками 16 и 17, установленными на других поршневых группах 7 и 6. Это необходимо, чтобы обеспечить противоположное движение втулок 16 и 17 и соответствующих им поршневых групп 6 и 7.
Кроме того, двигатель содержит всасывающие коллекторы 38 и общий всасывающий коллектор 39, а также выхлопные коллекторы 40 и общий выхлопной коллектор 41. Во всасывающих коллекторах 38 установлены топливные форсунки 42 и впускной клапан 43 с приводом 44. В выхлопных коллекторах 40 установлены выпускные клапаны 45 с приводами 46. В каждом цилиндре 2…5 имеется электросвеча 47.
Двигатель может содержать блок управления 48, а в каждом цилиндре 2…5 установлен датчик давления 49, соединенный электрической связью 50 с блоком управления 48. Обмотки возбуждения 33 соединены электрическими проводами 51 с коммутатором 52. Коммутатор 52 электрическими проводами 51 соединен с аккумулятором 53 и электродвигателем 54.
На корпусе двигателя 1 выполнено заправочное отверстие 55, выходящее в полость 12 и соединенное маслопроводом 56, содержащим кран 57 с маслобаком 58.
Топливная система двигателя содержит топливный бак 59, к которому присоединен топливопровод 60, содержащий топливный насос 61 с приводом 62, соединенный с топливными форсунками 42.
Работа двигателя осуществляется следующим образом.
Для запуска двигателя подается сигнал с блока управления 48 на коммутатор 52, который переключает линейный генератор 31 в режим двигателя, путем подачи электроэнергии с аккумулятора 53 на обмотку (обмотки) возбуждения 31. Поршневые группы 6 и 7 приходят в движение, при этом открывается соответствующий впускной клапан 43 (какой клапан необходимо открыть определяет блок управления, используя показания датчика угла поворота 28). Одновременно включается привод 62 и топливо подается в соответствующую пару топливных форсунок 42 и далее в два всасывающих коллектора 38. Потом подается напряжение на электросвечу 47 соответствующего цилиндра (точнее пары цилиндров) и происходит воспламенение топливо-воздушной смеси в этих цилиндрах.
После запуска двигателя блок управления 48 переключает коммутатор 52 в режим работы линейного генератора 31 по прямому назначению. Идет зарядка аккумулятора 54 и при необходимости включают электродвигатель 55.
Так как электродвигатель 54 может работать от аккумулятора 53 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.