Свободнопоршневой двигатель-насос

.МЪе-.,44 ф ЗОБРЕТЕНИ НИ АТЕ Н(5 б) Патент США М 3995427, кл. 55-595,оаубл, 1976.Авторское свидетельство СССРЪ 985363, кл. Е 02 В 71/00, 1982 (прототип).Авторское свидетельство СССРР 1574868, кл, Р 02 В 71/04, 1990,Авторское свидетельство СССРМ 672362, кл. Р 02 В 71/04, 1974,Авторское свидетельство СССРМ. 1017804, кл, Р 02 В 71/04, 1983,Авторское свидетельство СССРпо заявке Р 2878130, кл, Р 02 В 71/04, 1980,Авторское свидетельство СССРИ. 1000567, кл. Р 02 В 71/04, 1983,Патент ФРГ % 2049480, кл. Р 02 В 71/04,опубл, 1974,Двухходовой двигатель внутреннегосгорания имеет всего лишь одну подвижнуюдеталь, Журнал ИР,1 ч ГОГУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(54) СВОЕОДНОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ-НАСОС (57) Использование в качестве автономной силовой установки для энергетических, транспортных и других стационарных и самоходных средств, Сущность изобретения: свободнопоршневой двигатель-насос (СПДН) содержит разнесенные соосные ра-. бочие цилиндры 1, между которыми размещены гидронасос (ГН) и нагнетатель топливно-воздушной смеси (НТВС) двойного действия. СПДН работает по двухтактного циклу. Продувка рабочих цилиндров 1 обеспечивается сжатым в подпоршневых камерах 4 воздухом, а подачу рабочей смеси под давлением в цилиндр осуществляет НТВС, в котором центральный поршень 10 ф поочередно засасывает рабочую смесь иэ карбюратора 20 и нагнетает ее через кольцевой ресивер 16 и патрубок 17 в рабочий цилиндр 1.в тот момент, когда завершится продувка цилиндра воздухом ипоршень 3 ри обратном движении перекроет перепукные каналы 25 и выхлопные окна 24, что179419 В 10 часть имеет ограничение по быстроходнопределительной втулки, охватывающей. ци 30 . Целью изобретения является увеличесинхронизации тый за прототип, содержащий двигательную 35 40 полностью предотвращает потери топлива при продувке и позволяет снизить удельный расход топлива. НТВС обеспечивает гомогенизацию рабочей смеси и ее наддув, что повышает литровую мощность. ГН состоит из двух соединенных гидроцилиндров 7, жестко закрепленных на стыке с центральным поршнем 10 НТВС,. и выполнен в форме плавающего золотникового распределите-. ля, поочередно перемещаемого внутренней торцевой частью рабочих поршней 3, Плавающая конструкция ГН позволяет уменьшить Изобретение отйосится к двигателестроению, в частности к двухтактным двигателям внутреннего сгорания. Известны свободнопоршневые двигатели внутреннего сгорания с гидропередачей, содержащие оппозитно расположенные соосные рабочие цилиндры с установленными в них жестко связанными поршнями и гидронасос, выполненный в форме гидроцилиндров с размещенными в них плунжерами, .связанными с поршнями,причем рабочие цилиндры и гидроцилиндры установлены параллельно, или гидроцилиндры размещены между рабочими цилиндрами с взаимным перекрытием гидроцилиндров по их длине.Известны также подобные двигатели с гидропередачей, где две группы поршней объединены в единый узел при помощи раслиндры; или где в противолежащих цилиндрах; разделенных перегородкой, размещены поршни, связайные гидродвигателем, или где движение независимых поршней, связанных с плунжерами гидроцилиндров, синхронизируется за счет зубчатых реек и шестерен; или где поршневые группы связаны с плунжерами гидроцилиндров и имеют буферные полости и механизм Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является свободнопоршневой двигатель с гидропередачей (двигательно-насосное устройство), принячасть, выполненную в виде оппозитно-расположенных силовых цилиндров с установленными в них жестко связанными поршнями и насосную часть, выполненную ввиде гидроцилиндров с размещенными в них плунжерами, жестко связанными с поршнями, причем гидроцилиндры размещены .между силовыми цилиндрами с взаимным относительный ход плунжеров 6 за счет значительного снижения .хода плунжера. Максимальная длина хода плунжера 6 ГН равна разнице между ходом рабочих поршней 3 и ходом централ ьного порш нк 1 ОНТВ С, Малый относительный ход плунжеров 6 ГН отодвигает рано наступающие явления кавитации, что позволяет увеличить быстроходность и подачу ГН и соответственно повысить удельную мощность СПДН, передаваемую гидравлическим путем исполнительному органу, например гидромотору, 4 з.п, ф-лы, 3 ил. перекрытием гидроцилиндров по их длине,а поршни силовых цилиндров связаны между собой штоком. Однако указанное двигательно-насосное устройство имеет недостаточную быстроходность и связанную с этим низкую подачу жидкости. Из-за большого относительного хода плунжеров и зависимых от него рано наступающих явлений кавитации насосная сти порядка 2-3 тысяч ход/мин. (Даже в авиационных короткоходных аксиальнопоршневых насосах быстроходность составляет 4 - 5 тысяч ход/мин), В то же время двигательная часть (свободнопоршневой двигатель в чистом виде) способен иметь быстроходность порядка 30 тысяч ход/мин т.е. двигатель может передать гидравлическим путем исполнительному органу, например черезтидромотор, менее половины своей потенциальной мощности.Кроме того, карбюраторный вариант двигательно-насосного устройства,. работающего по двухтактному циклу, имеет большой удельный расход топлива, связанный с потерями. при продувке цилиндров топлив.- но-воздушнойсмесью; а также недостаточную литровую мощность, с вяза н ную с отсутствием нагнетателя ние удельной мощности, передаваемой гидравличесКим путем за счет уменьшения относительного хода плунжеров гидронасоса, увеличения его быстроходности и подачи; а также снижение удельного расхода топлива и повышение литровой мощности вкарбюраторном варианте двигателя. Для достижения поставленной.цели в предлагаемом двигателе-насосе конструктивно обеспечено уменьшение относительного хода плунже ров гидронасосапримерно в 2 - 3 раза при сохранении его рабочего объема путем некоторого увеличе510 15 20 25 30 50 55 ния диаметра плунжеров, а абсолютный ход плунжеров снижен в 1,5-2 раза, хотя жесткое соединение плунжеров с рабочими поршнями сохранено. Для этого объединенные попарно гидроцилиндры установлены соос-. но рабочим цилиндрам и выполнены плавающими с возможностью прерывистого возвратно-поступательного перемещения под воздействием движения рабочих поршней и жестко соединены на стыке с короткоходным центральным поршнем нагнетателя двойного действия, цилиндр которого охватывает гидроцилиндры в районе стыка, образуя при этом кольцевую полость., а сами плунжеры гидроцилиндров соосно прикреплены к внутренним торцам соответствующих рабочих поршней и соединены между собой штоком, контактирующим при движении с цилиндрической поверхностью отверстия, выполненного в перегородке на стыке гидроцилиндров,. Для снижения удельного расхода топлива и повышения литровой мощности в карбюраторном варианте двухтактного двигателя продувка рабочих цилиндров осуществлена путем.перепуска сжатого в подпоршневых камерах воздуха, а наполнение цилиндров топливно-воздушной смесью с одновременным наддувом обеспеченонагнетателем через ресивер в тот момент, когда продувка цилиндра завершена и выхлопные окна перекрыты при обратном движении. поршня. Для этой цели кольцевая полость нагнетателя с каждой стороны связана отверстиями через клапаны с полостью карбюратора, при этом цилиндр нагнетате ля имеет наружную кольцевую камеру ресивера, поочередно соединяемую через обратные клапана с полостями нагнетателя, а через управляемые клапаны, например, электромагнитные - с тем рабочим цилиндром, где продувка завершена и выхлопные окна перекрыты поршнем. при обратном движении.Кроме того, для упрощения конструкции двигателя-насоса гидроцилиндры выполнены в форме цилиндрических золотниковых распределителей с размещением в стенках гидроцилиндров продольных каналов, сообщающихся через внутренние радиальные отверстия у перегородки с полостью гидроцилиндра, а через наружные радиальные впускные и выпускные окна - с соответствующими окнами корпуса цилиндров, поочередно совмещаемыми.при перемещении гидроцилиндров под воздействием движения поршней, при этом впускные окна корпуса по сравнению с выпускными размещены ближе к центру на величину перемещения гидроцилиндров, равную ходу центрального поршня нагнетателя; а максимальная длина хода плунжеров гидроцилиндров равна разнице между ходом рабочих поршней и ходом центрального поршня нагнетателя,С целью осуществления реверсивного движения жидкости в гидросистеме, а также обеспечения работы двигателя на холостом ходу в период его запуска каждый вход и выход гидронасоса снабжен двумя отверстиями, поочередно перекрываемыми заслонками в форме ползунов при. обеспечении реверса или одновременно открываемыми при запуске двигателя для обеспечения холостого хода. Для упрощения конструкции рабочие поршни и плунжеры гидроцилиндров выполнены как одно целое.Предлагаемый двухтактный свободно-. поршневой двигатель-насос может. быть выполнен как в карбюраторном исполнении,так и в дизельном варианте,На фиг.1 изображен карбюраторныйдвигатель с гидропередачей, продольный разрез; на фиг,2 - поперечный разрез двигателя по гидронасосу; на фиг,З - поперечный разрез двигателя по впускным и выхлопным окнам, перепускным каналам. Двигатель-насос содержит рабочие цилиндры 1 с головками 2 цилиндров. В цилиндрах 1 размещены поршни 3 с образованием подпоршневых (насосных) камер 4 и камер 5 сгорания, Поршни 3 выполнены как одно целое с плунжерами 6; установленными в спаренных гидроцилиндрах 7. В средней части размещен нагнетатель двойного действия, содержащий цилиндр 8 с кольцевой полостью 9, в которой. размещен центральный поршень 10, жестко закрепленный на стыке гидроцилиндров 7 с образованием перегородки 11, разделяющей по-: лости 12 и 13 цилиндров 7 и несущей отверстие 14, в котором плотно размещен с возможностью возвратно-поступательного движения шток 15, жестко соединяющий между собой рабочие поршни 3 через плунжеры 6, образуя блок поршней.Цилиндр 8 нагнетателя снабжен наружной кольцевой камерой 16 (ресивером), соединенной патрубками 17 с рабочими цилиндрами 1 через клапаны, например электромагнитные(не показаны). В средней части двигателя-насоса установлен кольцевой коллектор 18, охватывающий цилиндр 8 нагнетателя. Полость коллектора 18 сообщается через отверстие 19 с карбюратором 20. Каждая из рабочих полостей 9 нагнетателя связана с полостью коллектора 18 через отверстия 21 с клапанами (не показаны и соединена с кольцевой камерой 16 через отверстия 22 с клапанами (не показаны), Ра10 15 20 25 40 45 50 55 бочие цилиндры 1 снабжены впускными окнами 23, соединяющими подпоршневые камеры 4 с атмосферой; выхлопными окнами 24, соединяющими полость камеры 5 сгорания с выхлопным коллектором (не показан); перепускными каналами 25, соединяющими между собой подпоршневые камеры 4 с полостью камеры 5 сгорания во время продувки. цилиндров 1. Гидроцилиндры 7 имеют продольные каналы 26, связанные с одной . стороны внутренним отверстиями 27 с полостями 13 и 14 гидроцилиндров, а с другой стороны соединены с наружными отверстиями 28, поочередно совмещаемых с одним из парных отверстий 29 корпуса, сообщающихся с входными 30 и вь 1 ходными 31 штуцерами гидросистемы. Парные отверстия 29 снабжены заслонками 32, выполненными, например, в форме ползуна. поочередно перекрывающего или полностью открывающего отверстия 29 при реверсе или холостом ходе двигателя. Для сокращения длины двигателя-насоса каждый поршень 3 выполнен с двумяпротиволежащими газораспределительными выступами 33 юбкиразмещаемыми придвижении к центру в карманах 34 рабочегоцилиндра 1,Двигатель-насос снабжен устройствомгидро- или пневмозапуска и системой зажигания, например, электронной.Двигатель работает известным образомкак двухтактный поршневой ДВС с подпоршневой (криаошипной) камерой и поэтомуне требует пояснения,Гидронасос и нагнетатель работают следующим образом. При движении блока поршней 3 вниз (фиг,1) подвоздействием рабочего хода в верх- нем рабочем цилиндре 1 плунжер 6 верхнего гидроцилиндра 7 сжимает жидкость вполости 12 и нагнетает ее через отверстие27. продольный канал 26 и совмещенныеотверстия 28 и 29 в левой части верхнегогидроцилиндра 7 в выходной штуцер 31 гидросистемы, В нижнем гидроцилиндре 7 приэтом происходит всасывание жидкости в полости 13 через правую часть совмещенныхотверстий и каналов из входного штуцера 30гидросистемы, В конце движения вниз верхний поршень 3 своей внутренней торцовойчастью окончательно перемещает спаренный гидроцилиндр 7 вниз, произведя приэтом переключение соответствующих отверстий на всасывание жидкости в верхнейполости 12 и сжатие ее в нижней полости 13 при последующем движении блока порш.ней 3 вверх,Реверсирование движения жидкости в гидросистеме обеспечивается путем одновременного синхронного перемещения ползунов 32 во всех входных и выходных отверстиях гидросистемы, При этом закрытые спаренные отверстия открываются и наоборот, Для обеспечения холостого хода при запуске двигателя все спаренные отверстия на входе и выходе открываются с помощью ползунов 32.При движении Ьлока поршней 3 вниз верхний плунжер 6 гидроцилиндра 7 через сжимаемую в полости 12 жидкость также перемещаег вниз центральный поршень 10 нагнетателя, При этом в.нижней полости 9 нагнетателя происходит сжатие поступившей из карбюратора топливно-воздушной смеси и вытеснение ее через клапанные отверстия 22 в кольцевую камеру 16 ресивера. В верхней полости 9 нагнетателя под воздействием разрежения происходит всасывание топливно-воздушной .смеси из карбюратора 20 через коллектор 18.На фиг,1. изображен момент продувки нижнего рабочего цилиндра 1 воздухом,сжатым в подпоршневой камере 4 и перепускаемым через каналы 25, При закрытии перепускных каналов 25 и выхлоггных окон 24 движущимся вниз поршнем 3 открываются на боковой стенке рабочего цилиндра 1 электромагнитные клапаны, через которые топливно-воздушная смесь под большим давлением по патрубкам 17 нагнетается в рабочий цилиндр из кольцевой камеры 16реси вера,Предложенная конструкция системы питания позволяет сократить удельный расход топлива до уровня четырехтактных двигателей и ниже за счет полного исключения потерь топлива при продувке, а также существенно повысить литровую мощность двухтактных свбоднопоршневых двигателей за счет нагнетания гомогенизированной рабочей смеси, более полного ее сгорания при снижении содержания токсичных компонентов в выхлопных газах,Применение плавающейконструкции гидроцилиндров, выполненных в форме золотниковых распределителей, позволяет также упростить конструкцию двигателянасосэ, существенно повысить его удеЛьную мощность, передаваемую гидравлическим путем за счет уменьшения относительного хода плунжеров в гидроцилиндрах и связанного с этим повышения быстроходности и подачи гидронасоса,Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я вую камеру ресивера, поочередно соединя 1, Свободнопоршневой двигатель-на- емую через обратные клапаныс полостямисос с гидравлической передачей мощности, нагнетателя, а через управляемые клапаны,содержащий оппозитно расположенные со- например электромагнитные - с камерамиосные рабочие цилиндры с установленными 5 рабочих цилиндров в момент завершенияв них поршнями, жестко связанными между процесса продувки и закрытия поршнем высобой штоком, периферийные головки ци- хлопных окон,линдров с камерами сгорания, размещен-. 3, Двигатель-насос по пп. 1 и 2, о тл иный в средней части двигателя гидронасос, ч а ю щ и й с я тем, что, с целью упрощениявыполненный в форме гидроцилиндров с 10 конструкции, гидроцилиндры выполнены внаходящимися в них плунжерами, жестко форме цилиндрических золотниковых рассвязанными с поршнями, и исполнительный пределителей с размещением в стенках гидоргэн, например гидромотор, связанный че- роцилиндров продольных каналов,рез магистрали высокого и низкого давле- сообщающихсячерез внутренние радиаль. ния с гидронасосом, от л и ч а,ю щи й с я 15 ные отверстия у перегородки с полостьютем, что, с целью увеличения удельной мощ- гидроцилиндра, а через наружные радиальности, передаваемой гидравлическим путем ные впускные и выпускные окна - с соответза счет уменьшения относительного хода ствующими окнами корпуса цилиндров,плунжеров гидронасоса, увеличения его бы- поочередно совмещэемыми при перемеще. строходности и подачи, объединенные по нии гидроцилиндров под воздействием двипарно гидроцилиндры установлены соосно жения поршней, при этом впускные окнас рабочими цилиндрами и выполнены пла- корпуса по сравнению с выпускными размевающими с возможностью прерывистого щены ближе к центру на величину перемевозвратно-поступательного перемещения щения гидроцилиндров, равную ходупод воздействием движения рабочих порш центрального поршня нагнетателя, а максиней и жестко соединены на стыке с коротко- мальная длийа хода плунжеров гидроцилинходным центральным поршнем нагнетателя дров равна разнице между ходом рабочихдвойного действия, цилиндр которого охва- поршней и ходом центрального поршня натывает гидроцилиндры в районе стыка, об- гнетателя,разуя при этом кольцевую полость, а сами 30плунжеры гидроцилиндров соосно прикреп, Двигатель-насос по пп,1 - 3, о т л и ч а юлены к внутренним торцам соответствую- щ и й с я тем, что, с целью осуществлениящих рабочих поршней и соединены между реверсивного движения жидкости в гидрособой штоком, контактирующим с цилинд- системе, а также обеспечения работы двигарической поверхностью отверстия, разме теля нэ холостом ходу в период его запуска,щенного в перегородке на стыке каждый вход и выход гидронасоса снабженгидроцилиндров, двумя отверстиями, поочередно перекрыва 2, Двигатель-насос по п.1, в карбюра- емыми заслонками в форме ползунов приторном исполнении, о т л и ч а ю щ и й с я обеспечении реверса или одновременно оттем, что, с целью снижения удельного рас крываемыми при запуске двигателя дляхода топлива и повышения литровой мощ- обеспечения холостого хода,ности; кольцевая полость нагнетателя с 5.Двигатель-насоспопп,1 - 4,отличаюкаждой стороны связана через отверстия с щ и й с я тем; что, с целю упрощения констклэпанами с полостью карбюратора, а ци- рукции, рабочие поршни и плунжеры гидро.линдр нагнетателя имеет наружную кольце цилиндров выполнены как одно целое., ул,Гагарина,Со Те эказ 530 Тир ВНИИПИ Государственного 113035, витель Л,Пэль д М,Моргентал митета по изоб сква. Ж, Рау зо з,Подписноениям и открытиям при ГКНТ ССя наб 4/5