Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания.
Свободнопоршневой двигатель, содержащий, по меньшей мере, один цилиндр, внутри которых расположены по два оппозитно установленных поршня со штоком, свечи зажигания, системы газораспределения на концах цилиндра, коллектор подачи топливовоздушной среды, коллектор выхлопных газов и систему управления, согласно изобретению каждый цилиндр оборудован зубчатой рейкой на штоке и двумя контактирующими с ней зубчатыми колесами, установленными на ведущих валах, которые соединены с обгонными муфтами, обеспечивающими противоположное вращение двух выходных валов, выходные валы соединены с входом в общий редуктор, имеющий вал нагрузки. Редуктор содержит две шестерни, установленные на выходных валах, и соединенную с ними ведомую шестерню, установленную при этом на валу нагрузки, при этом одна из шестерен соединена с ведомой непосредственно, а другая - через промежуточную шестерню. Каждая система газораспределения выполнена в виде подпружиненных впускного и выпускного клапанов, содержащих седло и шток и установленных в головках цилиндра, и гидротолкателей, установленных на торцах штоков клапанов, соединенных трубопроводами с гидрораспределителем. Система управления содержит блок управления и датчики положения поршней, установленные на обоих цилиндрах, при этом блок управления электрическими связями соединен с датчиками положения поршней, гидрораспределителем и свечами зажигания. К валу нагрузки присоединен электрогенератор. Каждый цилиндр выполнен с двумя коаксиальными стенками, образующими зазор для прохождения охлаждающей жидкости. Каждый цилиндр выполнен с двумя коаксиальными стенками, образующими зазор для прохождения охлаждающей жидкости. Изобретение обеспечивает увеличение КПД и надежности. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.
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.с. СССР № 985365, 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.с. СССР № 1733650, 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 71/34, опубл. 27.07.2002 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, не проработана система запуска ГТД.
Задача, стоящая перед изобретателями, заключалась в разработке свободнопоршневого двигателя с высоким КПД и надежностью.
Решение указанных задач достигнуто в свободнопоршневом двигателе, содержащем, по меньшей мере, один цилиндр, внутри которого расположены два оппозитно установленных поршня со штоком, свечи зажигания, системы газораспределения на концах цилиндра, коллектор подачи топливовоздушной среды, коллектор выхлопных газов и систему управления, тем, что согласно изобретению каждый цилиндр оборудован зубчатой рейкой на штоке и двумя контактирующими с ней зубчатыми колесами, установленными на ведущих валах, которые соединены с обгонными муфтами, обеспечивающими противоположное вращение двух выходных валов, выходные валы соединены с входом в редуктор, имеющий вал нагрузки. Редуктор может содержать две ведомые шестерни, установленные на выходных валах, и соединенную с ними промежуточную шестерню, установленную на валу нагрузки, при этом одна из шестерен соединена с ведомой непосредственно, а другая - через промежуточную шестерню.
Каждая система газораспределения может быть выполнена в виде подпружиненных впускного и выпускного клапанов, содержащих седло и шток и установленных в головках цилиндра, и гидротолкателей, установленных на торцах штоков клапанов соединенных трубопроводами с гидрораспределителем. Система управления может содержать блок управления и датчик положения поршней, при этом блок управления электрическими связями соединен с датчиком положения поршней, гидрораспределителем и свечами зажигания. К валу нагрузки может быть присоединен электрогенератор.
Каждый цилиндр может быть выполнен с двумя коаксиальными стенками, образующими зазор для прохождения охлаждающей жидкости.
3, где- на фиг.1 приведена схема двигателя, первый вариант,
- на фиг.2 приведена схема двигателя, второй вариант,
- на фиг.3 приведен свободнопоршневой двигатель с двумя цилиндрами.
Свободнопоршневой двигатель (фиг.1 3) 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. На торцах 6 установлены головки 7 цилиндров 1. Между торцами 6 цилиндра 1 и поршнями 2 образованы камеры сгорания 8, а между поршнями 2 - внутрипоршневая камера 9. Внутрипоршневая камера 9 частично заполнена смазывающей жидкостью.
Свободнопоршневой двигатель содержит трубопровод подачи топливовоздушной смеси 10 и трубопровод отвода выхлопных газов 11 и систему газораспределения 12.
Система газораспределения 12, в свою очередь (каждая), содержит головку 7, внутри которой выполнено две полости, впускная 13 и выпускная 14, и установлены впускной клапан 15 с головкой 16 и штоком 17, а в выпускной полости 14 - выпускной клапан 18 с головкой 19 и штоком 20. На головке 7 установлены пружины 21, которые в нормальном положении удерживают клапаны 15 и 18 в закрытом положении. На торцах штоков 17 и 20 всех клапанов 15 и 18 установлены гидротолкатели 22. Для обеспечения работы гидротолкателей 22 применена гидросистема, содержащая маслобак 23, трубопровод низкого давления 24, соединенный с гидронасосом 25, к выходу которого присоединен трубопровод высокого давления 26, гидрораспределитель 27, к выходам которого присоединены управляющие трубопроводы 28, соединенные с гидротолкателями 22. (Гидротолкатель - это гидроцилиндр с поршнем и штоком.)
В свободнопоршневом двигателе на штоках 5 каждого цилиндра 1 установлена зубчатая рейка 29, с которой контактируют два зубчатых колеса 30 и 31, установленные на ведущих валах 32 и 33 (фиг.1). Ведущие валы 32 и 33 соединены с муфтами обгона 34 и 35, имеющими возможность передавать вращение в противоположные стороны. Выходные валы 36 и 37 муфт обгона 34 и 35 соединены с входами в редуктор 38.
Наиболее предпочтительная схема редуктора 38 приведена на фиг.1. Этот редуктор может содержать шестерню 39, установленную на выходном валу 36, и шестерню 40, установленную на выходном валу 37. Шестерня 39 контактирует с ведомой шестерней 41 непосредственно, а шестерня 40 - через промежуточную шестерню 42 для изменения направления вращения. Ведомая шестерня 41 установлена на валу нагрузки 43. Каждый цилиндр 1 имеет по две свечи зажигания 44.
Кроме того, с зубчатой рейкой 29 контактирует зубчатое колесо 45, установленное на валу 46, на конце которого установлен датчик положения поршней 47.
Назначение муфт обгона 34 и 35 - обеспечение из-за переменного по направлению вращательного движения валов 32 и 33, попеременное снятие мощности при прямом и при обратном ходе поршней 2.
Применение валов 32 и 33 для съема энергии на одном цилиндре 1 обязательно, так как в противном случае не будет использоваться энергия, вырабатываемая при обратном ходе поршней 2, и КПД двигателя уменьшится в 2 раза.
Двигатель может быть оборудован блоком управления 48, который электрическими связями 49 соединен со свечами зажигания 44, гидрораспределителем 27, датчиком положения поршней 47 и насосом 25.
На фиг.2 приведен вариант исполнения двигателя с выводом механической энергии на генератор электроэнергии. Это обеспечит ряд преимуществ, например согласование работы нескольких цилиндров 1.
Система охлаждения состоит из двух стенок цилиндра 1, внешней 50 и внутренней 51 с зазором 52 между ними, и трубок подвода и отвода охладителя 53 и 54. Генератор электроэнергии 55 установлен на валу нагрузки 43.
Электрическая схема (фиг.2 и 3) содержит электрические провода 56, соединяющие генераторы электроэнергии 55 через присоединительные клеммы 57 и коммутатор 58 с электродвигателем 59. К коммутатору 58 также присоединен аккумулятор 60.
Блок управления 48 - это электронный блок, содержащий процессор и блок памяти (на фиг.1 3 электронная схема блока управления подробно не показана). Блок управления 48 должен обеспечивать своевременную подачу напряжения на свечи зажигания 44, своевременное открывание и закрывание клапанов 15 и 18 и контроль режима работы свободнопоршневого двигателя, например частоты перемещения поршней 2.
Система съема нагрузки для двигателя с двумя цилиндрами 1 (фиг.3) выполнена в виде проводов 56 с присоединительными клеммами 57. Возможно применение нескольких (более 2-х) цилиндров 1. На фиг.3 приведена схема свободнопоршневого двигателя с двумя цилиндрами 1. В этом случае все генераторы электроэнергии 55 соединены с коммутатором 58.
Свободнопоршневой двигатель работает следующим образом (фиг.1 3).
Для запуска двигателя (фиг.1) он должен быть оборудован стартером (стартер на фиг.1 3 не показан). При запуске свободнопоршневого двигателя (фиг.2) генератор электроэнергии 55 работает в двигательном режиме. Для этого из аккумулятора 60 на генератор электроэнергии 55 через коммутатор 58 подается ток запуска обратной полярности, по отношению к току, вырабатываемому генераторами электроэнергии 55 в генераторном режиме. Ведущие валы 32 или 33 совместно с валом нагрузки 43 приводятся во вращение, вследствие чего шток 5 и поршни 2 приводятся в движение, совершая ход сжатия в одной из камер сгорания 8 цилиндра 1. При достижении определенной степени сжатия (при определенном положении поршня 2 фиксируемом датчиком положения поршней 47) топливо подается в трубопровод подачи топливовоздушной смеси 10 и поступает через открытый впускной клапан 15 в одну из камер сгорания 8. После чего с блока управления 48 подают напряжение на свечу зажигания 44 (фиг.1 3) 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 генератор электроэнергии 55 переключается в генераторный режим при помощи коммутатора 58 и электрический ток поступает на электродвигатель 59 и аккумулятор 60.
Возможна довольно длительная работа электродвигателя (электродвигателей) 59 от аккумулятора 60, например, в гараже или густонаселенном районе. Это необходимо в целях обеспечения экологии окружающей среды.
При работе свободнопоршневого 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.
Одновременно с работой двигателя происходит работа системы охлаждения. Для этого по трубопроводу 53 подают в зазор 52 охлаждающую жидкость, подогретая жидкость выходит по трубопроводу 54 и далее охлаждается в теплообменнике (не показано).
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 генераторы электроэнергии 55 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.3). Это позволит всем цилиндрам 1 работать практически на расчетном режиме, что повысит КПД двигателя. При этом неработающие цилиндры 1 могут быть предварительно прогреты. Это облегчит их запуск и повысит КПД.
Т.к. в процессе работы свободнопоршневого двигателя температура на обмотках генератора электроэнергии 55, 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 и открывания и закрывания впускных и выпускных клапанов и корректировать в зависимости от режима работы двигателя.
Улучшается экологичность работы двигателя, так как транспортное средство в густонаселенных районах может передвигаться с выключенным свободнопоршневым двигателем на аккумуляторе.
Муфты свободного хода обеспечивают оптимальную работу генераторов электроэнергии. При их отсутствии якорь генератора будет постоянно менять направление вращения, что приведет к большим ударным нагрузкам и снижению КПД генераторов электроэнергии. Применение любых других механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное значительно усложнит конструкцию двигателя и увеличит его вес.
Применение вместо линейного генератора массово выпускаемых генераторов с вращающимся якорем как переменного, так и постоянного тока облегчит проектирование и изготовление подобных двигателей.
1. Свободнопоршневой двигатель, содержащий, по меньшей мере, один цилиндр, внутри которого расположены два оппозитно установленных поршня со штоком, свечи зажигания, системы газораспределения на концах цилиндра, коллектор подачи топливовоздушной среды, коллектор выхлопных газов и систему управления, отличающийся тем, что каждый цилиндр оборудован зубчатой рейкой на штоке и двумя контактирующими с ней зубчатыми колесами, установленными на ведущих валах, которые соединены с обгонными муфтами, обеспечивающими противоположное вращение двух выходных валов, выходные валы соединены с входом в редуктор, имеющий вал нагрузки.
2. Свободнопоршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что редуктор содержит две шестерни, установленные на выходных валах, и соединенную с ними ведомую шестерню, установленную при этом на валу нагрузки, при этом одна из шестерен соединена с ведомой непосредственно, а другая - через промежуточную шестерню.
3. Свободнопоршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждая система газораспределения выполнена в виде подпружиненных впускного и выпускного клапанов, содержащих седло и шток и установленных в головках цилиндра, и гидротолкателей, установленных на торцах штоков клапанов, соединенных трубопроводами с гидрораспределителем.
4. Свободнопоршневой двигатель по п.3, отличающийся тем, что система управления содержит блок управления и датчик положения поршней, при этом блок управления электрическими связями соединен с датчиком положения поршней, гидрораспределителем и свечами зажигания.
5. Свободнопоршневой двигатель по любому из пп.1 4, отличающийся тем, что к валу нагрузки присоединен электрогенератор.
6. Свободнопоршневой двигатель по любому из пп.1 4, отличающийся тем, что каждый цилиндр выполнен с двумя коаксиальными стенками, образующими зазор для прохождения охлаждающей жидкости.
7. Свободнопоршневой двигатель по п.5, отличающийся тем, что каждый цилиндр выполнен с двумя коаксиальными стенками, образующими зазор для прохождения охлаждающей жидкости.
www.freepatent.ru
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. В свободнопоршневом двигателе, содержащем корпус двигателя, два оппозитно установленных цилиндра и поршневую группу, согласно изобретению поршневая группа выполнена в виде единого узла с двумя торцами и цилиндрическим пустотелым корпусом, в средней части которого радиально установлены постоянные магниты, корпус двигателя выполнен магнитопрозрачным с образованием зазора между ним и цилиндрическим корпусом, а вне его установлена, по меньшей мере, одна обмотка возбуждения. Полость внутри цилиндрического корпуса соединена отверстием с зазором между корпусами. Двигатель может содержать блок управления, а в каждом цилиндре установлен датчик давления, соединенный электрической связью с блоком управления. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции, увеличение надежности двигателя. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
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 АС СССР 985365, МКИ 5 F02В 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 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.
Известен свободнопоршневой двигатель по АС СССР №1733650, МКИ 5 F02В 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 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°С) 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 непосредственною 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 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. 27.07.2002 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 масла с топливом. Кроме того, не проработана система запуска ГТД.
Задача, стоящая перед изобретателями, заключалась в разработке свободнопоршневого двигателя с высоким кпд и надежности двигателя.
Решение указанных задач достигнуто в свободнопоршневом двигателе, содержащем корпус двигателя, два оппозитно установленных цилиндра и поршневую группу, тем, что согласно изобретению поршневая группа выполнена в виде единого узла с двумя торцами и цилиндрическим пустотелым корпусом, в средней части которого радиально установлены постоянные магниты, корпус двигателя выполнен магнитопрозрачным с образованием зазора между ним и цилиндрическим корпусом, а вне него установлена, по меньшей мере, одна обмотка возбуждения. Полость внутри цилиндрического корпуса соединена отверстием с зазором между корпусами. 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 фиг.1 и 2, где на фиг.1 представлена схема двигателя, на фиг.2 приведена электрическая схема двигателя.
Свободнопоршневой двигатель (фиг.1 и 2) содержит корпус двигателя 1, два оппозитно установленных цилиндра 2 и поршневую группу 3. При этом поршневая группа 3 выполнена в виде единого узла с двумя торцами 4 и 5 и цилиндрическим пустотелым корпусом 6, в средней части которого радиально установлены постоянные магниты 7.
Корпус двигателя 1 выполнен магнитопрозрачным (титан, нержавеющая сталь полимер, композиционный материал) с образованием зазора 8 между ним и цилиндрическим корпусом 3. Корпус двигателя 8 соединен с цилиндрами 2 фланцами 9, а вне него установлена по меньшей мере одна обмотка возбуждения 10. Обмотка возбуждения 10 и постоянные магниты 7 образуют линейный электрогенератор. Полость 11 внутри цилиндрического корпуса 3 соединена отверстием 12 с зазором 8 между корпусами 1 и 3.
С обеих сторон поршневая группа 3 имеет компрессионные и маслосьемные кольца, соответственно 13 и 14.
Кроме того, двигатель содержит всасывающие коллекторы 15 и выхлопные коллекторы 16. Во всасывающих коллекторах 15 установлены топливные форсунки 17 и впускной клапан 18 с приводом 19. В выхлопных коллекторах 16 установлены управляемые выпускные клапаны 20 с приводами 21. В каждом цилиндре 2 имеется электросвеча 22.
Двигатель может содержать блок управления 23, а в каждом цилиндре 2 установлен датчик давления 24, соединенный электрической связью 25 с блоком управления 23. Двигатель может содержать датчик положения поршней 26.
Обмотка возбуждения 10 соединена электрическими проводами 27 с коммутатором 28. Коммутатор 28 электрическими проводами 27 соединен с аккумулятором 29 и электродвигателем 30.
На корпусе двигателя 1 выполнено заправочное отверстие 31, соединенное проводом 32, содержащим кран 33 с маслобаком 34.
Топливная система двигателя содержит топливный бак 35, к которому присоединен топливопровод 36, содержащий топливный насос 37 соединенный с топливными форсунками 17.
Электрическая схема двигателя приведена на фиг 2.
Работа свободнопоршневого двигателя осуществляется следующим образом.
Для запуска напряжение с аккумулятора 29 через коммутатор 28 подается на обмотку возбуждения 10. В этом случае линейный электрогенератор работает как двигатель. Одновременно блок управления 23 включает топливный насос 37 и топливо из топливного бака подается в форсунки 17. Потом открывают впускной клапан 18 подачей сигнала с блока управления 23 на привод 19 и топливовоздушная смесь поступает в полость цилиндра 2. При работе свободнопоршневого двигателя (фиг.1 и 2) каждый ход поршневой группы 3 является рабочим ходом для одного из цилиндров 2, в то время как для противоположной части этот ход является процессом сжатия. При достижении необходимой степени сжатий, фиксируемой датчиком давления 24, блок управления подает напряжение на электросвечу 22. Поршневая группа совершает рабочий ход. Потом открывают выпускной клапан 20 подачей команды с блока управления 23 на привод 21. Происходит выхлоп.
Потом аналогичный цикл повторяется в другом цилиндре 2.
Температура поршневой группы 3 из-за его контакта с горячими отработанными газами составит на максимальном режиме не более 500-600°С.
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 генератор электроэнергии 55, может обеспечить движение поршней 3 в направлении, обратном настоящему направлению движения поршневой группы 3 для осуществления экстренного торможения.
Т.к. в процессе работы свободнопоршневого двигателя температура на обмотке 11 линейного электрогенератора, которая находятся вне цилиндра 2, составляет примерно +10-+20°С, 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.
Надежная система смазки позволяет увеличить ресурс работы двигателя до капитального ремонта, уменьшить износ трущихся частей и предотвратить перегрев.
Электронная система управления позволяет полностью автоматизировать процесс зажигания, открывания и закрывания спускных и выпускных клапанов и корректировать их открытие и закрытие в зависимости от режима работы двигателя.
Улучшается экологичность работы двигателя, так как транспортное средство в густонаселенных районах может передвигаться с выключенный свободнопоршневым двигателем на аккумуляторе.
Применение датчиков давления и положения поршней на обоих цилиндрах позволяет не только своевременно открывать и закрывать впускные и выпускные клапаны и подавать напряжение на электросвечи, но и контролировать аварийную ситуацию и при необходимости автоматически выключить двигатель.
1. Свободнопоршневой двигатель, содержащий корпус двигателя, два оппозитно установленных цилиндра и поршневую группу, отличающийся тем, что поршневая группа выполнена в виде единого узла с двумя торцами и цилиндрическим пустотелым корпусом, в средней части которого радиально установлены постоянные магниты, корпус двигателя выполнен магнитопрозрачным с образованием зазора между ним и цилиндрическим корпусом, а вне его установлена, по меньшей мере, одна обмотка возбуждения.
2. Свободнопоршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что полость внутри цилиндрического корпуса соединена отверстием с зазором между корпусами.
3. Свободнопоршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что он содержит блок управления, а в каждом цилиндре установлен датчик давления, соединенный электрической связью с блоком управления.
www.findpatent.ru
Cтраница 1
Свободнопоршневой двигатель, в котором перемещение вытеснителя зависит только от давления рабочего тела и вытеснитель не связан механически с другими элементами двигателя. [1]
Свободнопоршневые двигатели, содержание которой по своему характеру не соответствует общему назначению книги. Авторы главы даже не затрагивают важнейшего с точки зрения нефтепереработчика вопроса - влияния двигателей этого типа, в случае массового их внедрения, на структуру потребления нефтепродуктов и на требования к качеству топлив. [2]
Свободнопоршневые двигатели внутреннего сгорания в настоящее время все более широко применяются в качестве генераторов рабочего газа в газотурбинных силовых установках как стационарного, так и транспортного типов. В начальный период своего развития они использовались исключительно в качестве двигателей для привода компрессоров. [3]
В свободнопоршневых двигателях нет многих трудностей, связанных с уплотнениями, которые встречаются в двигателях с кривошипно-шатунным приводом. Так, например, нет проблемы уплотнения штоков, поскольку весь агрегат можно заключить в герметичный корпус, как это делается в линейных генераторах переменного тока и инерционных компрессорах. Однако остается проблема уплотнения поршня, хотя она и упрощается благодаря отсутствию значительных боковых сил и нагрузок на подшипники, поскольку нет механического привода, что позволяет применять в таких двигателях газовые подшипники. Применение газовых подшипников делает невозможным установку обычных эластичных колец, даже изготовленных из тефлона, поскольку микрочастицы, отделяющиеся при работе таких колец, выводят из строя эти подшипники. Поэтому в свободнопоршневых двигателях для уплотнения в цилиндре рабочего поршня и вытеснителя, а также уплотнения штока вытеснителя в рабочем поршне используют уплотнения за счет жестких допусков. Без сомнения, секрет успешной работы свободнопоршневых двигателей Стирлинга заключен в высоком качестве механической обработки. [5]
В обоих случаях свободнопоршневой двигатель представляет собой двухтактный дизель с прямоточной продувкой и двумя движущимися в противоположных направлениях поршнями. [7]
В этом случае свободнопоршневой двигатель является одним из элементов комбинированной теплосиловой установки, называемой газотурбинной установкой с СПГГ. [9]
Проблема уплотнений в свободнопоршневых двигателях будет подробно рассмотрена ниже. [10]
Таким образом, рабочий цикл свободнопоршневого двигателя Стирлинга почти полностью идентичен циклу двигателя, в котором рабочий и вытеснительный поршни механически связаны кривошипным механизмом обычного типа. Этот вывод не слишком неожидан. Конфигурация вытеснительный поршень - рабочий поршень в свободно-поршневом двигателе, по существу, является колебательной Системой масса - пружина, и эта система настраивается на работу с резонансной частотой, которая и является рабочей частотой двигателя. Однако необходимо заметить, что двигатель Била может работать и в таком режиме, при котором вытеснительный поршень будет совершать не простые гармонические ( синусоидальные) колебания, вызываемые резонансом, а колебания, график которых имеет более прямоугольную форму. В этом случае двигатель работает в так называемом режиме банг-банг. Это название, может, и не строго научное, очень наглядно отражает физическую природу работы двигателя. [11]
Двигатели Флюидайн имеют весьма низкий уровень шума, однако свободнопоршневые двигатели могут быть чрезвычайно шумными при некоторых режимах работы. [12]
Как и двигатель Стирлинга с обычным кривошипным приводом, свободнопоршневой двигатель Стирлинга имеет различные модификации, определяемые методами отбора мощности, развиваемой двигателем. [13]
Такое регулирование величины запальной дозы дизельного топлива осуществляется в системе топливоподачи газового свободнопоршневого двигателя, схема которой представлена на рис. 6.29 ( Авт. Система работает следующим образом. При достижении пускового давления перед клапаном 4 открывается клапан 26 ограничителя 25, стравливая избыток газа в атмосферу. При повороте тяги 17 и гильзы 15 в пусковое положение рейка 19 топливного насоса 1, связанная с тягой 17, устанавливает пусковую подачу жидкого топлива. Запуск двигателя сопровождается падением давления перед клапаном 4, в результате чего клапан 25 закрывается, обеспечивая стабилизацию давления газа. Замещение жидкого топлива газовым производится на режиме холостого хода поворотом тяги 17 вместе с гильзой 15 влево. Колебания давления газа в магистрали 6 вызывают перемещение поршня 28 корректора мощности и золотника 14, в результате чего подача газового топлива и мощность двигателя будут меняться в соответствии с изменением внешней нагрузки. [14]
Работающий на воздухе двигатель, предложенный Билом [104], имеет больше шансов на успех в недалеком будущем, чем свободнопоршневой двигатель, только потому, что двигатель возвратно-поступательного действия лучше принимается публикой, так как его конструкция более привычна. Если этот двигатель будет по своей компоновке напоминать двигатели Хенричи или Райдера, то в таком случае под горячим цилиндром будет поддерживаться огонь в буквальном смысле слова, и двигатель, по своим размерам сопоставимый с домашней посудомоечной машиной и работающий при малых давлениях цикла, может вырабатывать достаточное количество энергии для электроснабжения помещения для одной семьи или сельской мастерской. [15]
Страницы: 1 2 3
www.ngpedia.ru
Cтраница 2
Здесь будут рассмотрены только методы регулирования: мощности двигателей с кривошипно-шатунным приводом, поскольку эти методы являются наиболее совершенными, и, кроме того, они в принципе применимы к свободнопоршневым двигателям Стирлинга. [16]
На основании этих результатов, полученных на опытных двигателях, для которых не предусматривалось специальных изменений конструкции для снижения шума, можно сделать уверенный вывод, что двигатель Стирлинга обладает низким уровнем шума. Свободнопоршневой двигатель Стирлинга может иметь существенно более высокий уровень шума при работе в режиме банг-банг, в то же время двигатель Флюи-дайн практически бесшумен. [18]
Уокер [7] составил перечень терминов и определений, и хотя этот перечень не полон, тем не менее он крайне полезен, поскольку из-за отсутствия общепринятых терминов наблюдаются многочисленные разногласия в применении терминов и определений. При этом необходимо учитывать, что в условиях быстрого совершенствования конструкции двигателей Стирлинга, особенно свободнопоршневых двигателей, по-настоящему полный перечень составить невозможно, однако в распоряжении исследователей уже имеется достаточный материал, чтобы сделать первый значительный шаг в этом направлении. В настоящей книге предпринята такая попытка, и, хотя было бы самонадеянным считать, что охвачены все термины и определения или что предлагаемые термины и определения станут общепринятыми, мы надеемся, что в конце концов придем к общепринятой терминологии и завершим дело, начатое Уокером. Преподаватели технических дисциплин могли бы внести заметный вклад в это дело, приняв из рекомендуемой терминологии то, что они найдут приемлемым. Знакомство с принятой терминологией и привычка к ее употреблению приведут к тому, что номенклатура стандартных терминов и определений будет распространяться и вытеснять неточную и неоднозначную терминологию из литературы. [19]
Измерение мгновенных температур газа или воздуха в рабочих полостях и системах СПГГ представляет собой одну из важных задач экспериментального исследования. Наличие опытных данных по значениям мгновенных температур газа в выхлопном патрубке и в продувочном ресивере СПГГ позволяет более полно исследовать факторы, влияющие на газообмен и наполнение цилиндра свободнопоршневого двигателя. Знание мгновенных температур воздуха в компрессоре дает возможность с достаточной полнотой исследовать факторы, влияющие на наполнение этого цилиндра. [20]
Со времени изобретения двигателя Стирлинга в 1815 - 1816 гг. построено множество двигателей различных конфигураций и еще большее число конфигураций было предложено. На протяжении многих лет все эти существующие и гипотетические двигатели имели кривошипный привод в том или ином виде, однако в период, примерно соответствующий последним десяти годам, с изобретением свободнопоршневых двигателей типа двигателя Била и харуэллской машины, а также двигателя Флюидайн к существующему списку конфигураций двигателя Стирлинга ( и так достаточно обширному) добавились новые формы. И до настоящего времени продолжают изобретать новые формы этого двигателя. Такое разнообразие форм двигателя Стирлинга существует скорее всего потому, что до сих пор не найдены оптимальная конфигурация двигателя или оптимальный режим работы, которые удовлетворяли бы всему разнообразию условий работы, и такой двигатель вряд ли возможен. Эта ситуация не является специфичной именно для двигателя Стирлинга. Она имеет место и в отношении к другим тепловым двигателям, однако двигатель Стирлинга отличается, пожалуй, наибольшим разнообразием форм. [21]
Во всех случаях рабочий цикл одинаков, однако динамика движущихся частей различна, что связано с различными модификациями системы масса - пружина. Попытаемся обойти эти затруднения двумя путями: во-первых, используя определение, которое просто констатирует, что свободнопоршне-вым двигателем Стирлинга называется двигатель, в котором отсутствует механическая связь между элементами, совершающими возвратно-поступательное движение; во-вторых, мы дадим краткое описание трех существующих модификаций свободнопоршневых двигателей. [23]
Флюидайн, двигатель Била и харуэллская машина также являются двигателями простого действия. Первый из них, особенно в мокрой модификации ( рис. 1.57) выглядит точно так же, как и на схеме рис. 1.38, в. Свободнопоршневые двигатели ( двигатель Била и харуэллская машина) в соответствии с требованиями техники безопасности помещаются в герметичные сосуды со сжатым газом. [25]
Это дает определенные преимущества с точки зрения рабочих характеристик, габаритов и удобства эксплуатации. Размеры перекачивающего насоса, выполненного совместно со свободнопоршневым двигателем, теоретически неограниченны, и если успешно работающий двигатель Била малой мощности удастся усовершенствовать и одновременно увеличить его размеры, то масштабы использования этого двигателя для орошения неизбежно расширятся. [26]
На рис. 1.42 показана газовая полость, названная буферной. Эта полость расположена под рабочим поршнем в основном корпусе двигателя. Газ в этой полости создает упругую силу, как и в буферной полости свободнопоршневого двигателя. Однако назначение буферной полости в данном случае несколько иное, чем в свободнопоршневом двигателе, поскольку здесь она используется для снижения нагрузок на механизм привода и для облегчения условий работы уплотнений рабочего поршня. Этот эффект достигается созданием в буферной полости давления, равного среднему давлению цикла в рабочих полостях. Объем буферной полости стремятся сделать как можно большим, чтобы уменьшить колебания давления в ней. [28]
На рис. 1.42 показана газовая полость, названная буферной. Эта полость расположена под рабочим поршнем в основном корпусе двигателя. Газ в этой полости создает упругую силу, как и в буферной полости свободнопоршневого двигателя. Однако назначение буферной полости в данном случае несколько иное, чем в свободнопоршневом двигателе, поскольку здесь она используется для снижения нагрузок на механизм привода и для облегчения условий работы уплотнений рабочего поршня. Этот эффект достигается созданием в буферной полости давления, равного среднему давлению цикла в рабочих полостях. Объем буферной полости стремятся сделать как можно большим, чтобы уменьшить колебания давления в ней. [29]
Системы с изотопными источниками энергии и двигателями Стирлинга можно использовать там, где требуются мощности в несколько ватт, например для питания осветительной аппаратуры навигационных морских буев. При таких нагрузках масса даже самых легких из имеющихся электрических батарей превышает 1000 кг. Низкая эффективность термоэлектрических преобразователей и большая масса систем с батареями делают систему с изотопным источником тепла и двигателем Стирлинга весьма привлекательной. В начальный период создания ТМГ был достигнут общий КПД, равный 13 % [15], а характеристики свободнопоршневого двигателя Стирлинга в то время практически не отличались от характеристик современных прототипов. [30]
Страницы: 1 2 3
www.ngpedia.ru
Изобретений относится к двигателям внутреннего сгорания. Свободнопоршневой двигатель выполнен из одного цилиндра с форсунками, внутри которого расположены два оппозитно установленных поршня со штоком, линейный генератор, содержащий обмотку статора, расположенных на цилиндре, впускные и выпускные окна на обеих концах цилиндра, при этом впускные и выпускные окна сообщены соответственно с впускными и выпускными коллекторами, к полостям которых присоединены управляемые впускные и выпускные клапаны, двигатель оборудован блоком управления, на боковой стенке цилиндра установлен датчик положения поршней, который электрическими связями соединен с блоком управления, с которым также соединены впускные и выпускные клапаны, а в средней части штока установлен вспомогательный поршень, на котором установлены постоянные магниты. Внутри цилиндра выполнены два радиальных ограничителя хода поршня. В торцах цилиндра установлены свечи зажигания. Цилиндр выполнен с двумя коаксиальными стенками, образующими зазор для прохождения охлаждающей жидкости. Изобретение обеспечивает повышение КПД и надежности. 3 з.п. ф-лы, 5 ил. 
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 985365, МКИ 5 F02В 71/04, опубл. 30.12.82 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, при чем 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, МКИ 5 F02В 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 непосредственною 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, а, 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 ввдены 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, не 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 с форсунками, внутри которого расположены два оппозитно установленных поршня со штоком, линейный генератор, содержащий обмотку статора, расположенных на цилиндре, впускные и выпускные окна на обеих концах цилиндра, отличающийся тем, что впускные и выпускные окна сообщены соответственно с впускными и выпускными коллекторами, к полостям которых присоединены управляемые впускные и выпускные клапаны, двигатель оборудован блоком управления, на боковой стенке цилиндра установлен, по меньшей мере один датчик положения поршней, который электрическими связями соединен с блоком управления, с которым также соединены впускные и выпускные клапаны, а в средней части штока установлен вспомогательный поршень, на котором установлены постоянные магниты. Внутри цилиндра могут быть выполнены два радиальных ограничителя хода поршня. В торцах цилиндра могут быть установлены свечи зажигания. Цилиндр может быть выполнен с двумя коаксиальными стенками, образующими зазор для прохождения охлаждающей жидкости.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1
5, где:
- на фиг.1 приведен карбюраторный вариант двигателя,
- на фиг.2 приведен дизельный вариант двигателя,
- на фиг.3 приведен свободнопоршневой двигатель с ограничителями хода,
- на фиг.4 приведен вид А,
- на фиг.5 приведена схема двигателя с несколькими (двумя) цилиндрами.
Свободнопоршневой двигатель (фиг.1 5) содержит, по меньшей мере, один цилиндр 1, внутри которого установлены оппозитно два поршня 2, на штоке 3. Между торцами 4 и поршнями 2 образованы камеры сгорания 5, а между поршнями 2 - внутрипоршневая камера 6.
Цилиндр 1 является остовом свободнопоршневого двигателя. Он выполнен с впускными 7 и выпускными окнами 8, расположенными в районе камер сгорания 5. Впускные окна 7 предназначены для подачи свежего заряда в камеру сгорания 5, а выпускные окна 8 для отведения из нее отработанных газов.
На боковой поверхности поршней 2 выполнены компрессионные 9 и маслосъемные 10 кольца.
Линейный генератор электроэнергии 11 состоит из обмотки 12, установленной снаружи в центральной части цилиндра 1 и постоянных магнитов 13, установленных на вспомогательном поршне 14. Вспомогательный поршень 14 жестко закреплен в средней части штока 3 и установлен в его средней части. Система съема нагрузки выполнена в виде проводов 15 с присоединительными клеммами 16.
Система подачи топливовоздушной смеси состоит из впускного коллектора 17 с полостью 18, магистрали подачи смеси 19, топливопровод 20 с форсункой 21 и входным управляемого клапана 22 размещенных у обеих торцов 4 цилиндра 1.
Система выхлопа содержит выхлопной коллектор 23 с полостью 24, к которой присоединен выхлопной патрубок 25 с выхлопным управляемым клапаном 26.
Система управления содержит блок управления 27 и, по меньшей мере, один датчик 28 положения поршней 2. Датчик 28 может быть любого типа, например электромагнитный и содержать катушку 29 и магнит 30, установленный в поршне 2. Блок управления 27 электрическими связями 31 соединен с датчиками 28 и с управляемыми клапанами 22 и 26.
Система охлаждения состоит из двух стенок цилиндра: внешней 32 и внутренней 33 с зазором 34 между ними, и трубок подвода и отвода охладителя 35 и 36.
Электрическая схема содержит электрические провода 56, соединяющие обмотку 12 через клеммы 16 и коммутатор 37 с электродвигателем 38. К коммутатору 37 присоединен аккумулятор 39. На торцах 4 установлены электрические свечи 40.
Возможно исполнение двигателя в виде дизеля (фиг.2).
В этом случае свечи 40 отсутствуют, а форсунки 21 установлены на торцах 4. Кроме того на топливопроводе 21 установлен насос высокого давления 41.
Возможна установка ограничителей хода 42 (фиг.3), которые выполнены в виде двух радиальных перегородок 43 внутри цилиндра 1 и двух подпружиненных пружинами 44 упоров 45. Ограничитель хода 42 предназначен для предотвращения поломки двигателя при сбое в работе электроники.
Блок управления 27 - это электронный блок, содержащий процессор и блок памяти. (На фиг.1 5 электронная схема блока управления подробно не показана.) Блок управления 27 должен обеспечивать своевременное открывание и закрывание клапанов 22 и 26 и подачи напряжения на электрические свечи 40.
Возможно применение нескольких цилиндров. На фиг.5 приведена схема свободнопоршневого двигателя с двумя поршнями 1. В этом случае обмотки 12 соединены с коммутатором 37.
Свободнопоршневой двигатель работает следующим образом (фиг.1 5).
При запуске свободнопоршневого двигателя линейный генератор работает в двигательном режиме. Для этого из аккумулятора 39 на обмотки 12 через коммутатор 37 подается ток запуска обратной полярности, по отношению к току, вырабатываемому обмоткой 12. Под действием магнитных сил, возбуждаемых обмоткой 12 и действующих на магниты 13, шток 3 и поршни 2 приводится в движение, совершая ход сжатия в одной из камер сгорания 5 цилиндра 1. При достижении определенной степени (при определенном положении поршня 2 фиксируемом датчиком 28) форсункой 21 подается топливо в магистраль подачи смеси 19 и одновременно открывается впускной управляемый клапан 22 (по команде с блока управления 27), далее топливовоздушная смесь поступает в одну из камер сгорания 5. После чего подают напряжение на свечу 40 (фиг.1) для карбюраторного двигателя и начинается процесс сгорания и расширения отработанных газов, происходящий в соответствии с циклом двухтактного или четырехтактного двигателя. Одновременно в противоположном конце цилиндра происходит процесс выхлопа и продувки. После запуска система линейного генератора переключается в генераторный режим при помощи коммутатора 37 и электрический ток поступает на электродвигатель 38 и аккумулятор 39.
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 13 совершают возвратнопоступательные движения и в обмотке 12 возникает электромагнитное поле и в них индуцируется электрический ток. Вырабатываемый ток передается потребителю через провода 15, клеммы 16 и коммутатор 37 ко всем потребителям системы съема нагрузки.
Одновременно с работой двигателя происходит работа системы охлаждения. Для этого по трубке подвода охладителя 35 подают в зазор 34 охлаждающую жидкость, погретая жидкость выходит по трубке отвода охладителя 36.
При остановке двигателя вновь происходит переключение линейного генератора в режим двигателя и отключаются форсунки подачи топлива 21. При этом, для создания противодействия движению поршня, ток остановки, подаваемый на обмотку 12 может обеспечить движение поршня в направлении, обратном настоящему направлению движения поршня 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.5).
Т.к. в процессе работы свободнопоршневого двигателя температура на обмотках 12, 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. Осутствие токосъемников приводит к повышению пожаробезопасности работы а отсутствие обмоток в зоне высоких температур повышает надежность двигателя.
Электронная система управления позволяет полностью автоматизировать процесс работы клапанов и зажигания.
Возможно изгтовление двух вариантов двигателя: карбюраторного и дизельного на базе одних и тех же основных комплектующих.
Улучшается экологичность работы двигателя, так как транспортное средство в густонаселенных районах может передвигаться с выключенный свободнопоршневым двигателем на аккумуляторе.
1. Свободнопоршневой двигатель, выполненный по меньшей мере из одного цилиндра с форсунками, внутри которого расположены два оппозитно установленных поршня со штоком, линейный генератор, содержащий обмотку статора, расположенные на цилиндре, впускные и выпускные окна на обоих концах цилиндра, отличающийся тем, что впускные и выпускные окна сообщены соответственно с впускными и выпускными коллекторами, к полостям которых присоединены управляемые впускные и выпускные клапаны, двигатель оборудован блоком управления, на боковой стенке цилиндра установлен по меньшей мере один датчик положения поршней, который электрическими связями соединен с блоком управления, с которым также соединены впускные и выпускные клапаны, а в средней части штока установлен вспомогательный поршень, на котором установлены постоянные магниты.
2. Свободнопоршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что внутри цилиндра выполнены два радиальных ограничителя хода поршня.
3. Свободнопоршневой двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что в торцах цилиндра установлены свечи зажигания.
4. Свободнопоршневой двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что цилиндр выполнен с двумя коаксиальными стенками, образующими зазор для прохождения охлаждающей жидкости.
www.freepatent.ru
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. Изобретение позволяет путем обеспечения при работе двигателя температуры обмотки якоря в пределах +20 - -20oС снизить потери магнитного поля на 30-50%, что, в свою очередь, приводит к повышению кпд. Свободнопоршневой 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 в поршне и контактирующей с системой возбуждения, состоящей из щеток с проводами подвода возбуждения, систему съема нагрузки и систему охлаждения. В двигатель введены два отсекательных кольца, закрепленных на штоке между обмоткой якоря и торцевыми частями поршня, и охлаждающие трубки, соединенные с внутрипоршневой камерой. Обмотка якоря расположена на штоке поршня. Каждое отсекательное кольцо установлено между обмоткой и торцевыми частями поршня, а щетки установлены в теле цилиндра. При этом каждое отсекательное кольцо выполнено полым, имеющим клапан для контакта с трубкой подвода охладителя. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
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 [1], 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, при чем 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 500-600oС их магнитные свойства снижаются, что также понижает кпд двигателя. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является свободнопоршневой двигатель [2], состоящий из дизельного двигателя внутреннего сгорания, линейного генератора, системы подачи топлива и системы охлаждения. 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 (600-800oС) 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 100-200oС. 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 250-300oС. 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 непосредственною контакта охлаждающей среды с обмоткой якоря, расположенной внутри поршня, приводит к недостаточному охлаждению обмотки. Температура обмотки снижается только до 250-300oС. При этом потери электромагнитного поля на медных обмотках на 50% больше, чем потери электромагнитного поля при температуре в 20oС. 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. Задача, стоящая перед изобретателем, заключалась в разработке свободнопоршневого двигателя, с высоким кпд за счет минимизации потерь магнитного поля путем обеспечения температуры обмотки якоря, сопоставимой с температурой обмотки статора (т.е. окружающей среды). Для решения поставленной задачи в известный свободнопоршневой двигатель, содержащий 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. Кроме того каждое отсекательное кольцо выполнено полым, имеющим клапан для контакта с трубкой подвода охладителя. Благодаря отличительным признакам (отсекательные кольца, охлаждающие трубки, соединенные с внутрипоршневой камерой и расположение обмоток на штоке поршня, а не внутри его) кпд двигателя повышается благодаря уменьшению потерь электромагнитного поля на нагрев обмоток на 30-50%. Это обусловлено тем, что отсекательные кольца отделяют внутрипоршневую камеру от камер сгорания. При этом температура в камерах сгорания достигает 600-800oС, а во внутрипоршневой камере обеспечивается температура, сопоставимая с температурой обмоток статора. Температура во внутрипоршневой камере, и на обмотке якоря зависит только от того, какая охлаждающая жидкость, или газ подается по трубкам в отсекательные кольца и в саму внутрипоршневую камеру. Кроме того, снижение температуры во внутрипоршневой камере до температуры окружающей среды позволяет упростить конструкцию якоря вынесением обмотки якоря на внешнюю поверхность поршня. Это, в свою очередь, приводит к технологичности и ремонтолегкости конструкции. Пример конкретного варианта электродвигателя. Нa фигуре 1 изображена схема свободнопоршневого двигателя. На фигуре 2 изображена схема системы охлаждения свободнопоршневого двигателя. Свободнопоршневой двигатель состоит из двухтактного свободнопоршневого дизельного двигателя внутреннего сгорания, линейного генератора, системы подачи топлива и системы охлаждения. Дизельный двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, поршень 2, камеры сгорания 3 и внутрипоршневую камеру 4. Цилиндр 1 является остовом свободнопоршневого двигателя. Он выполнен с впускными и выпускными окнами 5, расположенными в районе камер сгорания 3. Окна 5 предназначены для подачи свежего заряда в камеру сгорания 3 и отведения из нес отработанных газов. Поршень 2 выполнен из двух одинаковых поршневых секций 6, соединенных штоком 7. На боковой поверхности секций 6 выполнены компрессионные 8 и маслосъемные 9 кольца. Пространство между поршневыми секциями 6 представляет собой внутрипоршневую камеру 4, а пространство между торцевыми частями цилиндра 1 и торцевыми частями поршневых секций является камерой сгорания 3. Линейный генератор электроэнергии состоит из статора, якоря, систем возбуждения и съема нагрузки. Якорь выполнен в виде обмотки поршня 10, уложенной в центральной части штока 7. Расчетные размеры обмотки 10 зависят от мощности двигателя и материала обмоток. Обмотка 10 отделена от поршневых секций воздушным промежутком 11. Размеры промежутка определяются тепловым расчетом и зависят от типа и температуры охладителя. На обмотке 10 закреплена медная пластина 12, соединенная с ее выводами. Статор линейного генератора выполнен в виде обмоток 13, закрепленных симметрично относительно центральной линии на внешней поверхности цилиндра 1 в районе внутрипоршневой камеры 4. Система возбуждения выполнена из щеток 14 и проводов подвода возбуждения 15. Щетки 14 неподвижно установлены на центральной линии в теле цилиндра 1. Они являются неподвижной частью контакта, при помощи которого система возбуждения соединена с якорем. Подвижной частью контакта является пластина 12. Система съема нагрузки выполнена в виде проводов 16 с присоединительными клеммами 17. Система подачи топлива состоит из двух электрофорсунок 18, расположенных в торцевых частях цилиндра. Система охлаждения состоит из двух отсекательных колец 19 и трубок подвода охладителя 20. Отсекательные кольца 19 выполнены в виде полых дисков, жестко закрепленных на штоке 7 и расположенных между обмоткой якоря 10 и поршневыми секциями 6. В теле отсекательных колец выполнены отверстия, закрытые клапанами 21. Клапаны представляют собой металлические шарики, подпружиненные пружинами 22. Клапаны расположены так, чтобы они могли взаимодействовать с трубками подвода охладителя. Кольца 19 выполняют функцию разделителя, отделяя внутрипоршневую камеру 4 от камер сгорания 3. По трубкам 20 в отсекательные кольца и внутрипоршневую камеру подводится охладитель. Трубки 20 закреплены в теле цилиндра 1 в районе внутрипошневой камеры на расчетном расстоянии от торцевых частей цилиндра 1. Это расстояние зависит от длины перемещения поршня. Свободнопоршневой двигатель работает следующим образом. При запуске свободнопоршневой двигатель линейного генератора работает в двигательном режиме. Для этого на обмотки 13 подается ток запуска, на обмотку 10 через провода 15, щетки 14 и медную пластину 12, подается ток, обратной полярности, по отношению к току, подаваемому на обмотки 13. Под действием магнитных сил, создаваемых обмотками, поршень 2 приводится в движение, совершая ход сжатия в одной части цилиндра. При достижении определенной степени сжатия форсункой 17 в камеру сгорания 3 впрыскивается порция топлива, после чего начинается процесс сгорания и расширения отработанных газов, происходящий в соответствии с циклом двухтактного двигателя. Одновременно в противоположном конце цилиндра происходит процесс сжатия воздуха. После запуска система линейного генератора переключается в генераторный режим. При работе двигателя внутреннего сгорания каждый ход поршня является рабочим ходом для одной из частей цилиндра, в то время, как для противоположной части этот ход является процессом сжатия. Температура поршня, из-за его контакта с горячими отработанными газами, составит 500-600oС. Параллельно с работой дизельного двигателя, через щетки 14 и пластину 12 на обмотку якоря 10 подается ток возбуждения. При этом в обмотке якоря 10 возникает электромагнитное поле, и при пересечении этим полем неподвижных обмоток статора 13, в них индуцируется электрический ток. Вырабатываемый ток передается потребителю через провода 16 и клеммы 17 системы съема нагрузки. Одновременно с работой двигателя происходит работа системы охлаждения. Для этого по трубкам 20 во внутрипошневую камеру 4 и кольца 19 подается охладитель, (например хлодон). Кольца 19 препятствуют пропуску горячего воздуха от камер сгорания 3 во внутрипоршневую камеру 4. Температура в камере 4 будет зависеть от температуры охладителя. При использовании в системе охлаждения газа хлодон она может доводится до +10 - +20oС. При большом расходе газа на охлаждение внутрипоршневой камеры температура в пей доводится до -10 - -20oС. Сообщение колец 19 с трубками 20 происходит следующим образом. При ходе поршня отсекательное кольцо 19 подходит к трубке подачи охладителя 20. При этом трубка 20 опускает клапан 21 внутрь полости 23. Тем самым полость 23 кольца охлаждения 19 сообщается с трубкой подвода охладителя 20 и, подающийся в трубку 20 под давлением охладитель, проникает в отсекательное кольцо 19, охлаждая его. При дальнейшем перемещении поршня кольцо 19 отходит от трубки 20 и пружина 22 садит клапан на место, запирая полость 23. При остановке двигателя вновь происходит переключение линейного генератора в режим двигателя и отключаются форсунки 18. При этом, для создания противодействия движению поршня, ток остановки, подаваемый на обмотки 7 и 9, обеспечивает движение поршня в направлении, обратном настоящему направлению движения поршня. Т.к. в процессе работы свободнопоршневого двигателя температура на обмотках якоря и статора составляет примерно +10 - +20oС, 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. Источники информации, принятые во внимание 1. А.с. 985365 СССР, МКИ 5 F 02 В 71/04. Свободнопоршневой двигатель /В. А. Долгушин/ (СССР) - 3239479/25-06; Заявлено 21.01.81; Опубл. 30.12.82, Бюл. 48. - 2с. 2. А. с. 1733650 СССР, МКИ 5 F 02 B 71/04. Способ работы свободнопоршневого двигателя-электрогенератора /В.И. Краля/ (СССР). - 4816030/06; Заявлено 16.02.90; Опубл. 15.05.92, Бюл 18. - 3с.Формула изобретения
1. Свободнопоршневой двигатель, содержащий 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, отличающийся тем, что 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. 2. Свободнопоршневой двигатель по п. 1, отличающийся тем, что каждое отсекательное кольцо выполнено полым, имеющим клапан для контакта с трубкой подвода охладителя.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2www.findpatent.ru
Использование: энергомашиностроение. Сущность изобретения: двигатель содержит рабочие цилиндры 1 и 2 и паро-газовую турбину 3. Поршни 4 цилиндра 1 жестко связаны между собой штоком 5. Выпускные каналы 18 цилиндра 1 сообщены патрубками 19 с крышками 21 цилиндра 2 и размещенными в них клапанами 29 и водяными амортизаторами-форсунками 24. Выпускной патрубок 27 цилиндра 2 сообщается с пустотелой осью 28 парогазовой турбины 3, снабженной валом отбора мощности 34 с ротором диностартера на нем 35. На цилиндрах 1 и 2 размещены обмотки 36. В двигателе механическая энергия движения поршней 4 и 25 и вращения диностартера 35 преобразуется в электрическую энергию. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к свободнопоршневым двигателям, и может быть использовано на транспорте.
Известен двигатель ДВС свободнопоршневого типа /см. книгу Б.Н. Бирюкова "От водяного колеса до квантового ускорителя", из-во "Машиностроение", г. Москва, 1990 г. стр.62/. Двигатель состоит из цилиндра со свободно размещенными в нем двумя поршнями, выполненными из ферромагнитного материала и амортизаторами на торцовых крышках цилиндра. На цилиндре с обоих его концов намотаны обмотки. Подавая постоянный ток на которые при движении поршней будет вырабатываться переменный электрический ток. Недостатком этого двигателя является то, что рабочее тело используется однократно. Известен также свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания /см. заявку ФРГ N 2355728/, выбранный в качестве прототипа, который содержит рабочий цилиндр с соосно размещенными в нем поршнями и впускными и выпускными клапанами. На цилиндре ДВС размещены обмотки. Поршни установлены на жестком стальном штоке и выполнены из ферромагнитного материала. Недостатком двигателя является однократное использование рабочего тела, вследствие чего низкий КПД. Заявляемое изобретение обеспечивает создание экономичных с высоким КПД малошумных, экологически чистых свободнопоршневых ДВС путем многократного использования газов с введением в них под давлением нагретой воды. Указанный результат достигается тем, что свободнопоршневой ДВС содержит основной рабочий цилиндр с соосно размещенными в нем поршнями и впускным и выпускным каналами, с размещенными на цилиндре обмотками и с поршнями, выполненными из ферромагнитного материала и жестко связанными между собой стальным штоком, снабжен дополнительным рабочим цилиндром и безлопаточной парогазовой радиально-осевой турбиной, газовые полости которых патрубками последовательно сообщены между собой и через невозвратные клапаны с выпускными каналами основного рабочего цилиндра, при этом стальной шток основного рабочего цилиндра установлен с возможностью перемещения сквозь центральное отверстие соленоида, а дополнительный рабочий цилиндр снабжен обмотками и единственным поршнем, выполненным также из ферромагнитного материала, причем на торцевых крышках его установлены регулируемые водяные амортизаторы-форсунки, взаимодействующие с поршнем. При этом безлопаточная парогазовая турбина снабжена валом отбора мощности с ротором диностартера и выполнена в виде пустотелого цилиндрического ротора с размещенными по периметру реактивными соплами, оси которых направлены наклонно в сторону, противоположную вращению ротора, установленного в корпусе с возможностью вращения вокруг центральной пустотелой оси, и неподвижного газоподводящего диска, размещенного внутри ротора и снабженного реактивными соплами, оси которых направлены наклонно на внутреннюю поверхность ротора. На чертеже представлен свободнопоршневой двигатель. Свободнопоршневой двигатель состоит из основного рабочего цилиндра 1, дополнительного рабочего цилиндра 2, парогазовой турбины 3, последовательно сообщенных. В рабочем цилиндре 1 соосно размещены поршни 4, выполненные из ферромагнитного материала и жестко связанные между собой стальным штоком 5, проходящим сквозь центральное отверстие 6 пускового соленоида 7, размещенного в центральном отсеке 8 с впускным патрубком 9 и переборками 10 с впускными клапанами 11 для поступления воздуха в подпоршневые пространства 12. Поршни 4 пустотелые и снабжены перепускными клапанами 13. В торцовых крышках 13 цилиндра 1 выполнена расточка для свободного размещения в ней перепускных клапанов 15, камеры сгорания и отверстия для размещения форсунок подачи топлива или свечей зажигания. С торцов обеих переборок 10 закреплены кольцевые аварийные амортизаторы 17 для предотвращения ударов поршней о их торцы. Газовые полости цилиндра 1 через выпускные каналы 18, при помощи патрубков 19, сообщены через невозвратные клапаны 20 с дополнительным цилиндром 2 через его торцовые крышки 21, снабженные декомпрессорами 22. В центральной части внутренних проницаемых переборок 23 установлены регулируемые водяные амортизаторы-форсунки 24, взаимодействующие с поршнем 25, выполненным из ферромагнитного материала, размещенным в цилиндре 2 с возможностью поступательного движения. В средней части вспомогательного цилиндра 2 выполнены каналы 26, сообщающиеся с патрубком 27 центральной пустотелой осью 28 с неподвижным газоподводящим диском 29, размещенным внутри пустотелого цилиндрического ротора 30 турбины 3, с размещенными по периметру реактивными соплами 31, установленного в корпусе 32 турбины 3. Неподвижный газопроводящий диск 29 снабжен реактивными соплами 33, оси которых направлены наклонно на внутреннюю поверхность ротора 30 в сторону его возможного вращения. Ротор 30 снабжен валом отбора мощности 34 с ротором диностартера 35. На цилиндрах 1 и 2 размещены обмотки 36. При подаче напряжения на соленоид 7 он втягивает в себя стальной шток 5, заставляя одновременно передвигаться поршни 4. При движении поршня 4 от переборки 10 через впускной открывшийся клапан 11 в подпоршневое пространство всасывается воздух. В это время в пространстве над поршнем воздух сжимается и при достижении поршнем верхней мертвой точки (ВМТ) в камеру сгорания впрыскивается форсункой топливо, горячие газы, расширяясь, заставляют поршень 4 двигаться к переборке 10. В это время в пространстве под поршнем воздух сжимается, впускной клапан 11 закрыт. При открытии поршнем выпускного канала 18 отработавшие газы с большой скоростью через патрубок 19 и открывшийся невозвратный клапан 20 поступают в цилиндр 2, в поршне 4 открывается перепускной клапан 15 и происходит продувка, отработавшие газы заставляют поршень 25 перемещаться к переборке 23. Войдя во взаимодействие с регулируемым водяным амортизатором-форсункой 24, поршень 25 сжимает его, при этом через отверстия, выполненные по периметру у торца подвижной части амортизатора, в цилиндр под давлением и высокой температурой впрыскивается вода, которая, смешиваясь с раскаленными газами, превращается в пар. В это время через открывшиеся выпускные каналы 26 отработавшая парогазовая смесь через патрубок 27, пустотелую ось 28, неподвижный газопроводящий диск 29, реактивные сопла 33 устремляется на внутреннюю поверхность ротора 30 в сторону его вращения. В это время в противоположном конце рабочего цилиндра 1 происходят обратные процессы. Далее рабочий цикл повторяется. Из струй парогазовой смеси на внутренней поверхности ротора формируется плоский водяной поток, сдвигающее усилие которого преобразуется в силу вращения ротора. Реактивные сопла 31 преобразуют поток в высокоскоростные струи, направление движения которых противоположно направлению вращения ротора. Отработавшая парогазовая смесь направляется в очиститель, а из очистителя, пройдя глушитель, в атмосферу. Если на обмотки 36 подавать постоянное напряжение, то при движении поршней индуктивность обмоток будет меняться и в них будет вырабатываться электрический ток. Для раскручивания ротора 30 турбины 3 на диностартер 35 подается ток, при вращении ротора 30 от парогазовой смеси или по инерции династартер вырабатывает ток. Двигатель может работать в трех режимах: 1. При подаче топлива работают оба цилиндра и турбина одновременно для зарядки аккумуляторных батарей (АБ) и движения транспортного средства. 2. При неработающих цилиндрах и вращающемся роторе турбины (маховика), за счет подачи электроэнергии от аккумуляторных батарей на династартер. 3. Движение за счет раскрученного ротора турбины (маховика). На всех режимах работы двигатель экологически чист, малошумен и экономичен. В двигателе механическая энергия движения поршней и вращения маховика (безлопаточной парогазовой радиально-осевой турбины) сразу преобразуется в электрическую энергию. Металлоемкость данного двигателя по сравнению с существующими дизель-генераторами такой же мощности уменьшается почти в два раза. Технологичность, простота конструкции и обслуживания очевидны.Формула изобретения
1. Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий основной рабочий цилиндр с соосно размещенными в нем поршнями и впускными и выпускными каналами, причем на цилиндре размещены обмотки, а поршни выполнены из ферромагнитного материала и жестко связаны между собой стальным штоком, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным рабочим цилиндром и безлопаточной парогазовой радиально-осевой турбиной, газовые полости которых последовательно сообщены при помощи патрубков между собой и через невозвратные клапаны с выпускными каналами основного рабочего цилиндра, при этом шток поршней основного рабочего цилиндра проходит сквозь центральное отверстие соленоида, дополнительный рабочий цилиндр снабжен обмотками и единственным поршнем, выполненным из ферромагнитного материала, а на торцевых крышках его установлены регулируемые водяные амортизаторы-форсунки, взаимодействующие с поршнем. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что парогазовая турбина снабжена валом отбора мощности с ротором династартера и выполнена в виде пустотелого цилиндрического ротора с размещенными по периметру реактивными соплами, установленного в корпусе с возможностью вращения вокруг центральной пустотелой оси и неподвижного газоподводящего диска, размещенного внутри ротора и снабженного реактивными соплами, оси которых направлены наклонно на внутреннюю поверхность ротора.РИСУНКИ
Рисунок 1Похожие патенты:
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания
Изобретение относится к водному транспорту и может использоваться в качестве силовой установки судов глиссирующих и на подводных крыльях
Изобретение относится к автомобильному транспорту и предназначено для использования в качестве силовой установки автомобилей
Изобретение относится к транспортной, сельскохозяйственной и другим отраслям промышленности, где имеются движущиеся средства передвижения и перемещения и, в частности, используется для привода в движение самоходных машин и механизмов, в т.ч
Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в качестве двигателя для различных транспортных средств и механизмов
Изобретение относится к тепловым двигателям и может быть использовано при создании двигателей внутреннего сгорания объемного сжатия и расширения транспортного и стационарного назначения
Изобретение относится к теплосиловым установкам, в частности к способам преобразования термохимической энергии топлива в работу, и может быть использовано при создании систем транспортного и стационарного назначения
Изобретение относится к теплосиловым установкам, в частности к способам преобразования термохимической энергии топлива в работу, и может быть использовано при создании систем транспортного и стационарного назначения
Изобретение относится к машиностроению преобразователям энергии: тепловой в гидравлическую или гидравлической в механическую
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с гидравлическим механизмом преобразования движения поршней во вращательное движение вала и позволяет увеличить коэффициент полезного действия и надежность при небольших габаритах
Изобретение относится к энергомашиностроению и позволяет повысить экономичность стационарных и транспортных машин
Изобретение относится к двигателестроению и предназначено для повышения эффективности транспортных средств с электроприводом движителя (гребной винт, электрические моторы и т.п.)
Изобретение относится к области машиностроения и позволяет повысить экономичность автомобиля
Изобретение относится к отрасли двигателестроения и позволяет повысить удельную мощность, надежность, топливную экономичность двигателя, а также обеспечить компактность его конструкции, двигатель содержит корпус с компрессионными камерами, две противолежащие ступенчатые цилиндровые группы, соединенные штоками и цилиндром гидронасоса, и два рабочих цилиндра с продувочными и выпускными окнами, установленные с возможностью возвратно-поступательного движения
Изобретение относится к свободно-поршневым двигателям внутреннего сгорания, комбинированным с двигателями другого типа, в данном случае с паровой машиной, и приводным устройством - обратимой электрической машиной
Изобретение относится к транспортным средствам и может использоваться в электромобилях
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к свободнопоршневым двигателям, и может быть использовано на транспорте
www.findpatent.ru
