Свободнопоршневой двухтактный двигатель-электрогенератор с противоположно движущимися поршнями

 

В корпусе 1 двигателя-электрогенератора соосно размещены поршни 5, соединенные попарно при помощи штоков 6 с образованием двух наружных и одной внутренней камер сгорания. На корпусе размещены статорные обмотки 2 линейного электрогенератора, а на штоках - роторы 8 одновременно выполняющие функции поршней продувочного компрессора. 2 ил

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 F 02 B 71/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

° Ь

О

4 Э

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4833144/06 (22) 31.05.90 (46) 15.06,92, Бюл, N. 22 (72) А.Ф.Андреев (53) 621,432(088.8) (56) Патент ГДР N 22203. кл. Н 02 К 35/00, 1961, . Ж» 1740727 А1 (54) СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ-ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР

С ПРОТИВОПОЛОЖНО ДВИЖУЩИМИСЯ

ПОРШНЯМИ (57) B корпусе 1 двигателя-электрогенератора соосно размещены поршни 5, соединенные попарно при помощи штоков 6 с образованием двух наружных и одной внутренней камер сгорания. На корпусе размещены статорные обмотки 2 линейного электрогенератора, а на штоках — роторы 8, одновременно выполняющие функции поршней продувочного компрессора. 2 ил.

1740727

Изобретение относится к малогабаритным электроустановкам и может использоваться в качестве вспомогательных силовых установок летательных аппаратов и судов, а также в качестве передвижных или переносных электростанций, электросварочных агрегатов и др.

Известны энергоустановки комбинирования свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и приводимого им электрогенератора с возвратно-поступательным движением рабочего органа (линейного электрогенератора), представляющие сборку одноцилиндрового двухтактного ДВС с возвратно-петлевой продувкой цилиндра и линейного электрогенератора, в котором его подвижный рабочий орган движется под действием поршня ДВС в одну сторону (при рабочем ходе поршня) и под действием упругого элемента буферного устройства, накапливающим энергию при рабочем ходе поршня,— в другую.

Недостатками известных энергоустановок являются неизбежные механические потери энергии в буферном устройстве, потери вырабатываемой генератором электроэнергии в спектре высокочастотных гармоник из-за несинусоидального закона изменения вырабатываемой ЭДС в силу различия характера движения рабочего органа генератора при рабочем и подготовительном ходе поршня, а также неизбежная вибрация генератора, как реакция колебательных движений подвижных частей установки.

Известно также комбинирование двухцилиндрового свободнопоршневого ДВС с принудительным наддувом цилиндров от внешнего компрессора и линейного электрогенератора, где поршни, жестко соединенные между собой и с подвижным рабочим органом генератора. движутся в оппозитно расположенных цилиндрах, и рабочий ход одного поршня обеспечивает подготовительный ход другого, смежного с ним.

Недостатками данного варианта установки являются вибрация всей конструкции при работе, как реакция колебательного движения подвижных частей, и необходимость внешнего компрессора для наддува цилиндров ДВС.

Известен также вариант спаренной энергоустановки, каждая секция которой состоит из линейного электрогенератора и двухцилиндрового ДВС без буферного устройства с принудительным наддувом цилиндров от внешнего компрессора, где с целью синхронизации работы секций цилиндры на стыке секций объединены в одну общую для обеих секций камеру сгорания.

Недостатком данного варианта установки является необходимость внешнего компрессора для наддува цилиндров ДВС.

Известен также вариант энергоустановки без внешнего компрессора, включающий одноцилиндровый двухтактный ДВС с двумя встречно движущимися в одном цилиндре поршнями, двухсекционный линейный генератор, подвижные органы каждой секции которого жестко соединены каждый со своим поршнем, а продувка (вентиляция) цилиндра осуществляется за счет вытеснения воздуха из подпоршневых полостей в конце рабочего хода поршня, где поршни

ДВС выполняют также функции золотников. перекрывая своими краями продувочные и выхлопные окна на стенках цилиндра, Подготовительный ход поршней при работе установки обеспечивается в начале хода за счет упругости сжатого в подпоршневых полостях газа и далее по инерции, в результате чего образуется разрежение внутри подпоршневых полостей и они заполняются через свободный обратный клапан свежей порцией воздуха или топливно-воздушной смеси.

Недостатком описанной установки является потеря вырабатываемой линейным электрогенератором энергии в спектре высокочастотных гармоник в силу различия характера движения поршней при рабочем и подготовительном ходе, ДВС всех описанных вариантов энергоустановок могут быть карбюраторными (с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием от запальной свечи), дизельными (с самовоспламенением топлива от сжатия при впрыске его в цилиндры под высоким давлением специальными форсунками) или комбинированными, т,е. карбюраторными при запуске, для облегчения запуска с последующим переходом на самовоспламенение от сжатия, т.е, на цикл работы дизельного ДВС.

Цель изобретения — энергоустановка в виде комбинирования свободнопоршневого ДВС с линейным электрогенератором, не подверженная вибрациям при работе, работающая без внешнего компрессора для наддува цилиндров, т.е. с упрощенной системой воздухоснабжения.

Поставленная цель обеспечивается объединением двух идентичных секций, подвижные части которых движутся при работе установки встречно по одной оси, где каждая секция состоит из двухцилиндрового двухтактного ДВС с возвратно-петлевой продувкой оппозитно расположенных цилиндров, и поршни которых жестко соединеныы между собой штоком. несущим в своей

1740727 средней части подвижный рабочий орган генератора (постоянный магнит или подвижную магнитную систему), являющийся одновременно компрессором двухстороннего действия, для чего подпоршневые полости ДВС разделены от генератора перегородками и сообщаются с полостями генератора через каналы в штоках, причем поршни ДВС выполняют функции золотников, перекрывая своими краями продувочные, всасывающие и выхлопные окна в стенках цилиндров.

Наличие в установке дополнительного компрессора для наддува цилиндров обеспечивает повышение механического КПД приводных ДВС.

Объединение двух идентичных секций обеспечивает динамическую балансировку установки при ее работе, а конструкция линейного генератора каждой секции с приводом от двухцилиндрового двухтактн ого ДВС с оппозитным расположением цилиндров обеспечивает движение его подвижного рабочего органа по закону, близкому к закону колебания маятника, т.е, снижение потерь вырабатываемой им электроэнергии в спектре высокочастотных гармоник.

С целью облегчения синхронизации работы секций цилиндры приводных ДВС на стыке секций объединены в одну камеру сгорания.

Таким образом, предлагаемая электроустановка представляет свободнопоршневой двухтактный двигатель-электрогенератор с противоположно движущимися поршнями, содержащий корпус с цилиндром ДВС и двумя разнесенными по оси цилиндра обмотками статора линейного электрогенератора, два блока поршней, снабженных в своей средней части рабочими элементами роторов линейного электрогенератора и размещенных в цилиндре двигателя с возможностью осевого перемещения и образования двух наружных и одной внутренней камеры сгорания с петлевой схемой газообмена, а также системы электрической синхронизации блоков поршней, воздухоснабжения и топливопитания, где с целью упрощения системы воздухоснабжения блоки поршней выполнены составными из трех частей, .жестко соединенных между собой при помощи штока, и разделены поперечными перегородками цилиндра с образованием компрессорных полостей, попарно сообщающихся между собой каналами, выполненными в штоке, при этом средние части блоков поршней несут на себе рабочие элементы роторов электрогенератора и образуют компрессор двухстороннего действия, а крайние их части выполняют функции рабочих поршней ДВС и компрессора одностороннего действия.

На фиг.1 показана энергоустановка, общий вид, разрез; на фиг.2 — то же, в момент нахождения блоков поршней при наибольшем и наименьшем удалении друг от друга соответственно.

Установка состоит из двух иден- ичных зеркально расположенных секций, включающих корпус генератора .1 с рабочей обмоткой 2, цилиндров ДВС 3, расположенных оппозитно, уплотнений штоков поршней 4, разделяющих полости генератора с подпоршневыми полостями (картерами) ДВС, по10

15 движных частей, включающих поршни ДВС

5, соединенные между собой штоками b, имеющих продольные каналы 7 для попарного объединения подпоршневых полостей

ДВС с полостями генератора, и подвижного рабочего органа генератора 8 (постоянный магнит или подвижная магнитная система).

Приводные ДВС выполнены двухтакт20

25 ными с возвратно-петлевой продувкой цилиндров, где поршни выполняют функции золотников газораспределительной системы, полностью открывая своими нижними краями всасывающие окна 9 на стенках цилиндров при крайнем верхнем положении, а верхними краями — выхлопные 10 и проду30 вочные 11 окна при крайнем нижнем положении.

Приводные ДВС могут быть выполнены карбюраторными или дизельными, что не влечет изменения их конструкции, за исключением того, что в карбюраторных ДВС в головки цилиндров вворачиваются свечи 12

35 образом.

При верхнем положении поршня 5 в подпоршневой полости этого цилиндра и в сообщающейся с ней через каналы 7 полости нагнетателя, образуемого рабочим органом генератора 8 и уплотнением 4 смежного с ним цилиндра, возникает разре45 жение, куда всасывается горючая смесь от карбюратора (для карбюраторного варианта ДВС) или воздух(для дизельного варианта ДВС) по патрубку через всасывающее окно 9 в стенке цилиндра. При обратном движении поршня 5 всасывающее окно 9 перекрывается нижним краем поршня и горючая смесь (или воздух в дизельных ДВС) сжимается одновременно в обеих камерах нагнетателя. В конце хода поршень 5 своим верхним краем открывает вначале выхлопное окно 10, затем продувочное окно 11, а горючая смесь (или воздух в дизельных

55 зажигания, а на дизельных ДВС в эти же гнезда вворачиваются топливные форсунки.

40 Знергоустановка работает следующим

1740727

ДВС) вытесняет продукты сгорания и заполняет цилиндр, т.е, происходит продувка цилиндра. Описанный процесс периодически повторяется в обоих цилиндрах каждой секции со сдвигом на полцикла относительно друг друга; при рабочем ходе в одном цилиндре происходит такт сжатия с одновременным наполнением нагнетателя смежного с ним цилиндра, и наоборот.

Синхронизация работы секций при запуске обеспечивается одновременной подачей питания на обмотки генераторов каждой секции с изменением полярности в такт колебательным движениям блоков поршня, Подача питания на обмотки генератора, работающего при запуске установки как линейный электродвигатель, может осуществляться специальным электронным блоком, который меняет полярность питания в зависимости от направления движения роторов и жестко связанных с ними поршней ДВС, при этом направление движения может определяться, например, индукционными датчиками, которые можно использовать в качестве генераторов задающих импульсов для электронного блока управления запу= ком, При раскачке блоков поршней до определенной амплитуды, когда поршни начнут открывать и закрывать всасывающие 9, выхлопные 10 и продувные 11 окна и начнется вентиляция всех цилиндров, карбюраторные ДВС можно запустить, причем воспламенение смеси следует производить первоначально в средней камере сгорания, а при воспламенении смеси, т,е. при ".cxsaтывании" двигателя, что приборно можно определить с помощью индукционных датчиков, включить зажигание в крайних цилиндрах установки, после чего установка перейдет на устойчивый режим работы.

Для запуска дизельных ДВС необходимо "раскачать" поршни до такой степени, чтобы оказалось возможным самовоспламенение топлива от сжатия. Это возможно.осуществить, например. более длительной

"раскачкой" поршней одновременно с пере,крытием всасывающих и выхлопных каналов, в результате чего упругость сжимаемого в замкнутых цилиндрах воздуха будет способствовать более интенсивной

"раскачке" поршней. Впрыск топлива первоначально также следует производить в центральную камеру сгорания.

Синхронизация работы секций энергоустановки после запуска может обеспечиваться за счет полной идентичности секций и рядом других конструктивных и смежных решений, Например. в карбюраторных ДВС

55 синхронизация работы крайних цилиндров секции можетдополнительно обеспечиваться увеличением подаваемого на свечи зажигания напряжения с целью гарантированного воспламенения смеси, причем с целью одновременного искрообразования на обеих свечах их запитка может осуществляться от одной катушки.

Синхронизация работы крайних цилиндров энергоустановки с дизельным ДВС обеспечивается точной дозировкой BfipI. скиваемого в цилиндры топлива при безусловной одновременности его подачи, т.е, идентичностью топливных форсунок и подачей топлива на обе форсунки от одной плунжерной пары топливного насоса.

Незначительная несогласованность s работе крайних цилиндров секций устраняется самостоятельно, что упрощает синхронизацию их работы, Это поясняется следующим примером, При неполном ходе поршня в каком-либо из цилиндров ДВС по любым причинам продувка его будет неполной, в результате обратный ход поршня произойдет с большей интенсивностью, так как уменьшится противодействие, что вызовет более интенсивное наполнение полостей нагнетателя.

Это, s свою очередь, вызовет более полную вентиляцию цилиндра и его наполнение при следующем ходе поршня, в результате чего следующий рабочий ход этого поршня будет более интенсивным, Формула изобретения

Свободнопоршневой двухтактный двигатель-электрогенератор с противоположно движущимися поршнями, содержащий корпус с цилиндром двигателя внутренне-о сгорания и двумя разнесенными по оси цилиндра обмотками статора линейного электрогенератора, два блока поршней, снабженных в своей средней части рабочими элементами роторов линейного электрогенератора и размещенных в цилиндре двигателя с возможностью осевого перемещения и образования двух наружных и одной внутренней камер сгорания с петлевой схемой газообмена, а также системы электрической синхронизации движения блоков поршней, воздухоснабжения и топливопитания, отличающийся тем, что, с целью упрощения системы воздухоснабжения, блоки поршней выполнены составными из трех частей. жестко соединенных между собой при помощи штока, и разделены поперечными перегородками цилиндра с образованием компрессорных полостей, попарно сообщенных между собой каналами, выполненными в штоке, при этом средние части блоков поршней несут на себе

1740727

10 горлгией с;мл"ьм

Д IГ

35

45

Составитель В. Лобанов

Редактор М. Келемеш Техред М.Моргентал Корректор Н. Ревская

Заказ 2066 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент". г. Ужгород. ул,Гагарина, 101

:г - рабочие элементы роторов электрогенератора и образуют компрессор двухстороннего действия, а крайние их части выполняют функцию рабочих поршней двигателя внутреннего сгорания.и компрессора одностороннего действия.