Свободнопоршневой двигатель

(5 д 4 Г 02 В 71/О ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ВТОРСКОМУ СВИ ЬСТВУ 21) 3712263/25-0622) 26.03.8446) 30.01,89. Бюл75) Л.М,Жмудяк53) 621.432(088.8)56) Патент Германил. 46 а, 7, опублик 479546,929. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР 4) СВОБОДНОПОРШНЕВОИ ДВИГАТЕЛЬ(57) Изобретение позволяет улучшить качество продувки в свободнопоршневых двигателях, содержащих рабочий цилиндр, разделенный поршнем на две торцовые камеры сгорания. Для этого пневмоцилиндры 14, в которых установлены пневмопоршеньки 13 привода газораспределительных клапанов 8,снабжены по меньшей мере двумя управляющими каналами 16 и 17, один изкоторых подключен к рабочему цилиндру1 между его серединой (по ходу порш-ня 5) и первым каналом, размещенным в зоне соответствующей камерысгорания. При взаимном перемещениирабочего цилиндра 1 и поршня 5 относительно определенных точек подключения управляющих каналов 16 и 17 походу поршня оптимизируются фазы газораспределения и улучшается продувка. Приведены варианты размещенияуправляющих каналов и газораспределительных клапанов относительно другдруга, в том числе при разделениивыхлопа. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.б 3Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания.Целью изобретения является улуч 5 шение продувки н снижение потерь давления в газовыпускных трактах двигателя путем оптимизации фаз газораспределения.На фиг. 1 показан свободнопоршневой двигатель (СПД) с центральным расположением впускных окон и периферийным размещением выпускных отверстий, такт сжатия в верхней по чертежу полости: поршень движется вверх, выпускной клапан закрыт; на фиг. 2. - то же, такт расширения и выпуска в верхней полости: поршень движется вниз, выпускной клапан открыт; на фиг. 3 - свободнопоршневой двигатель, реализующий разделенный выпуск; на фиг. 4 - то же, с центральным расположением добавочных выпускных окон и периферийным размещением впускных окон в торцах рабоче го цилиндра; на фиг. 5 - газовый(воздушный) буфер пневмопоршенька.Свободнопоршневой двигатель (фиг. 1 и 2) содержит рабочий цилиндр1, впускные окна 2, голонка 3 и 4.Цилиндр пружинно укреплен на фундаменте. В цилиндре находится свободный поршень 5 двустороннего действия. Впускные окна 6 выполнены вблизи головок и выходят в выпускной коллектор7. Выпускные окна снабжены пружинными самодействующими клапанами 8. Клапан 8 скобой 9 соединен с пружиной10 и штоком 11 пневмопоршеньков 12и 13, размещенных в пневмоцилиндрах14 и 15,Пневмоцилиндр 14 соединен с цилиндром 1 управляющими каналами 16и 17. Канал 16 выходит в цилиндр 1между головкой и выпускным окном, а 45канал 17 - между каналом 16 и впускным окном 2. Расстояние (по образующей цилиндра) между этими кагаламибольше высоты поршня. Пружина 10 кре"пится к фундаменту, Система скомпонована так, что выпускной клапан открывается в направлении от головки тойполости, с которой он связан.Вход канала 17 в пневмоцилиндре14 удален от крьппки этого пневмоцилиндра на расстояние меньшее, чем высота пневмопоршенька 13, поэтомупневмопоршенек перекрывает в мертвойточке канал 17. Дополнительный канал 19 соединяет закрывающий пневмс цилиндр 15 с цилиндром 1, причем канал 18 выходит вблизи противоположной головки (4).Выпускной коллектор 7 связан с силовой турбиной (не показана).В варианте СПД с раздавленным выпуском (фиг, 3 и 4) впускные окна с клапанами 19 размещены в головках рабочего цилиндра 1. Окна 2 соединены с дополнительным выпускным трубопроводом, те. являются дополнительными выпускными окнами. Дополнительный выпускной трубопровод связан с атмосферой.Дополнительный управляющий канал 18 закрывающего пневмоцилиндра 15 выходит в рабочий цилиндр 1 между ос" новным 6 и дополнительным 2 выпускными окнами,Для повьппения показателей СПД на нем может быть установлен турбокомпрессор, турбина которого может быть расположена последовательно (по потоку газов) за силовой турбиной данного СПД, а компрессор соединен с впускным коллектором впускным клапаном СПД.В СПД с разделенным выпуском турбина турбокомпрессора может быть подключена к дополнительному выпускному коллектору.Для того, чтобы начало закрытия выпускного клапана точно соответствовало определенному положению поршня и не зависело от давления в цилиндре, закрывающий пневмоцилиндр может быть связан с цилиндром двумя каналами аналогичными двум каналам пневмоцилиндра,14.Для уменьшения колебаний пневмопоршеньков в пневмопоршеньке 13 может быть установлен самодействующий клапан, пропускающий газ в направлении канала 16, а в пневмопоршеньке 12 - в направлении канала 18.Выход штока из пневмоцилиндра 14 снабжен уплотнениями.Выход штока из пневмоцилиндра 15 может не уплотняться, обеспечивая соединение с атмосферой той полости пневмоцилиндра, в которую не выходит канал 18.Пневмоцилиндры, у которых каналы выходят в 1 орец или возле него, снабжаются воздушными буферами, предотвращающими удар о головку (торец) этого цилиндра (см. фиг. 5).3 14Для безударной посадки клапана 8может быть выполнен отдельный воздушный буФер.В упрощенном вариенте СПД закрывающие пневмоцилиндры могут отсутствовать, а штоки поршней открывающихпневмоцилиндров могут быть соединенымежду собой.Рабочий цилиндр 1 и поршень 5 могут быть выполнены из керамическогоматериала. При этом устанавливаютсяклапаны золотникового типа осесимметричной конструкции (чтобы не создавать момента сил), головки цплиндда выполняются в виде секторов сфер,форма поршня соответствует форме головкина цилиндр надет кожух, выполненный, например, в виде хомутовили намотанного на цилиндр каната,стягивающий. цилиндр и этим уменьшающий растягивающие напряжения вего стенках (включая головку), каналы пневмоцилиндров выведены черезкожух, к кожуху крепятся коллекторыи элементы выпускного трубопровода,имеющего компенсаторы температурного расширения.Такое сопряжение металла с керамикой ввиду невысоких температур наружной поверхности и наличия компенсатора расширения, а также сжимающиеусилия кожуха обеспечивают механическую прочность керамического цилиндра.Уплотнения между кожухом и цилиндром в районах окон достигается деформируемыми при зажиме прокладками,СПД работает следующим образом.При возвратно-поступательном движении поршня сжатие свежего зарядаосуществляется двидением поршня поинерции (на фиг. 1 изображен моментсжатия в. верхней полости, направле"ние движения поршня показано стрелкой), Сжимаемый свежий заряд черезканалы 16 и 17 воздействует на пневмопоршенек 13. Ввиду равенства давлений в этих каналах пневмопоршенекнеподвижен и клапан 8 остается закрытым. При дальнейшем движении поршня 5 он перекрывает канал 17,давление в канале 16 превышает давлейиев подпоршневой полости пневмоцилиндра 14 и канала 17, Вследствиеэтого пневмопоршенек 13 начинаетдвигаться (для клапана рассматриваемой полости цилиндра это движение 550091вниз по Фиг, 1 сжмая пружину 10,и перемещает клапан 8. Поршень 5 вэто время подходит к В 1 ГГ, перекрываетсвоей боковой поверхностью ныпускм.ное окно 6, нижняя кромка поршня 5открывает канал 17. Капал 17 сообща"ется с нижней полостью цилпндра, вкоторой в это время происходит всасывание и продувка прп давлешпт, близком к давлению наддувочного воздуха(несколько атмосфер). В верхней полости, над поршнем, .роисходит сгорание. Повышение давления (до сотен15 атмосфер) изменяет направленце движения поршня 5 и разгоняет и обратную сторону. Большое давление вканале 16 и низкое в канале 17 обеспечивают быстрое перемещение ппевмо 2 п поршенька 13 вниз, в результате чего открывается клапан 8. Ппевмопоршенек 13 садится на воздушный буфер внизу пневмоцилиндра 14 и перекрывает своей боковой поверхностью25 канал 17.Далее поршень 5, двигаясь вниз,открывает вход в окно 6. Продуктысгорания вытекают через это окно и.выпускной коллектор 7 в силовую турЗп бину илп к иному потребителю. Этотмомент изображен па Фиг. 2, где направление движения поршня показанострелкой.После того как поршень 5, двигаясь дальше, пройдет впускные окна 2,35ввиду наддува и истечении продуктовсгорания в выпускной коллектор поинерции происходит продувка цилиндра. В это время давление в верхней,40 надпоршневой, полости падает, уменьшается давление над ппевмопоршеньком 13 и слабого усилия пружины 10оказывается достаточно, чтобы началось движение пневмопоршенька и, соответственно закрытие выпускногоклапана 8,В нижней полости цилиндра происходят те же процессы, что и в верхней. После того как поршень миновал50впускные окна 2, в этой полости происходит сжатие. Возрастание давления в нижней полости (под поршнем)в конце сжатия и при сгорании передается через канал 18 пневмопоршеньку12. Последний, действуя через шток5511 и скобу 9, закрывает клапан 8.Поскольку цилиндр пружинно закреплен на неподвижном основании,придвижении поршня он перемещается. Поао закону сохранения импульса цилиндр и поршень перемещаются в противофазе,Таким образом, при движении поршня вниз, в моменты, соответствующие открыванию выпускного клапана, цнлиндр движется вверх, клапан открывается в сторону, противоположную головке (вниз по чертежу), поэтому увеличивается скорость открывания 10 клапана. Закрытие клапана 8 происходит после длительной продувки при обратном движении поршня. При этом цилиндр движется вниз и одевается на клапан. 15СПД с разделенным выпуском (фиг.3 И 4), у которого турбокомпрессор подключен турбиной к выходу основной турбины, связанной с основным выпускяым коллектором 7, а компрессором - 20 к впускному коллектору, связанному с впускным клапаном 19, работает следующим образом.Окна 2 соединены дополнительным Выпускным коллектором с атмосферой. 25Процессы сжатия (фиг. 3), сгорания и начала расширения у рассматриваемого СПД не отличаются от этих проЦессов у СПД, изображенного на фиг.1 и 2. 30При расширении (см. Фиг. 4), посЛе того как поршень проходит мимо канала 17, давление по обе стороны пневмопоршенька 13 выравнивается и под действием пружины 10 клапан 8 начинает закрыватьсяВ это время в выпускной коллектор выходит только часть продуктов сгорания, обладающая высокими давлением и температуРой. Эта часть продуктов сгорания из коллектора попадает в силовую турбину работающую на потребителя, а затем в турбину турбокомпрессора. Продвигаясь далее, поршень 5 открывает вьход канала 18 в верхнюю полость цилиндра 1, Продукты сгорания, обладающие еще достаточно высоким давлением (десятки атмосфер), воздействуют через канал 18 на пневмопоршенек 12, в результате чего клапан 8 закрывается.При дальнейшем движении поршень проходит мимо окон 2, которые соединены с дополнительными выпускным коллектором (фиг. 3 и 4). Оставшиеся55 продукты сгорания выходят в окна 2, давление в цилиндре падает почти до давления за этими окнами, т.е, до давления окружающей среды. Ввиду падения давления в верхней полости цилиндра и значительного несколько избыточных атмосфер) давления надду-. ночного воздуха во впускном коллекторе открывается самодействующийвпускной клапан 19 и воздух поступает в цилиндр. Поршень в это время находится в нижнем положении и вследствие сгорания в нижней полости начинает двигаться вверх. При этом про" дукты сгорания, находившиеся между поршнем и дополнительными выпускными окнами 2, выталкиваются в эти окна вместе с частью свежего воздуха. Когда поршень, продвигаясь вверх, перекрывает окна 2, продувка оканчивается, идет процесс сжатия и т.д.Система газораспределения, реализующая разделенный выпуск, позволяет организовать эффективные выпуск и продувку, а также хорошее наполнение цилиндра даже при свойственной СПД данного типа очень высокой цикличности. Это в совокупности с оптимальными Фазами газораспределения, реализуемыми данной системой газораспределения, снижает потери давления и повышает экономичность машины.Формула изобретения1, Свободнопоршневой двигатель, содержащий цилиндр с головками, впускными окнами, выпускными окнами, снабженными пружинными самодействующими клапанами, соединенными со што" ками пневмопоршеньков, размещенных в пневмоцилиндрах, управляющие каналы привода пневмопоршеньков, подключенные к рабочему цилиндру, рабочий поршень двухстороннено действия и выпускные коллекторы, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью улучшения продувки и снижения потерь давления, пневмоцилиндры снабжены по меньшей мере двумя каналами, второй из которых поключен к цилиндру между первым и серединой цилиндра.2. Двигатель по п. 1, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что расстояние между выходами каналов больше высоты поршня, выпускные окна расположены на боковой поверхности цилиндра, а их длина меньше высоты поршня.3, Двигатель по пп. 1 и 2, о т -л и ч а ю щ и й с я тем, что впчск/ 1455009р очему ные окна размещены по центру цилинд" равляющий канал подключен к рабочем ра, расстояние от головки до выхода цилиндру на участке между основными одного канала меньше расстояния до каналами и дополнительным выпускным впускных окон, а выход второго ка- окном, основные выпускные окна соенала расположен между впускными и динены выпускным коллектором с турвыпускными окнами. биной, а дополнительные выпускные ок 4, Двигатель пл пп. 1-3, о т л и- на - с дополнительным выпускным колнч а ю щ и и с я тем, что снабжен лектором, причем двигатель снабжен дополнительным управляющим каналом, о турбокомпрессором, подключенным.к рабочему цилиндру 6. Двигатель по пп. 1-5, о т л и- вблизи противоположной головки. ч а ю щ и й с я тем, что пневмо 5. Двигатель по пп. 1, 2 и 4, поршеньки соединены общим штоком. о т л и ч а ю щ и й с я тем, что 7. Двигатель по пп. 1-6, о т л идля разделенного выпуска в середине 1 Ь ч а ю щ и й с я тем, что цилиндр и цилиндра выполнены дополнительные поршень выполнены из керамического выпускные окна, дополнительный уп- материала.1455009Составитель В.Ткаченко едактор Л,Веселовская Техред М.Ходанич Корректор Г.Решетн аказ 7426/38 Тираж 482 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5роизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4