Свободнопоршневой двигатель-насос

 

Использование: в качестве автономной силовой установки для энергетических, транспортных и других стационарных и самоходных средств. Сущность изобретения: свободнопоршневой двигатель-насо:с (СПДН) содержит разнесенные соосные рабочие 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 поочередно засасывает рабочую смесь из карбюратора 20 и нагнетает ее. через кольцевой ресивер 16 и патрубок 17 в рабочий цилиндр 1 в тот момент, когда завершится продувка цилиндра воздухом и поршень 3 при обратном движении перекроет перепускные каналы 25 и выхлопные окна 24, что ел с

СОЮЗ СОВЕ ГСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 F 02 В 71/04

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

/У

-Ф гг и

0д (21) 4927411/06 (22) 17.04,91 (46) 07,02.93. Бюл. N 5 (7б) Л,Il.Ïàëüöåâ (5б) Патент США N 3995427, кл. 55-595, опубл. 1976.

Авторское свидетельство СССР

¹ 985363, кл. F 02 В 71/ОО, 1982 (прототип).

Авторское свидетельство СССР

N 1574868, кл, F 02 В 71/04, 1990.

Авторское свидетельство СССР

N 672362, кл. F 02 В 71/04, 1974, Авторское свидетельство СССР

N 1017804, кл, F 02 В 71/04, 1983, Авторское свидетельство СССР по заявке ¹ 2878130, кл, F 02 В 71/04, 1980, Авторское свидетельство СССР

И 1000567, кл. F 02 В 71/04, 1983.

Патент Ф Р Г M 2049480, кл. F 02 В 71/04, опубл, 1974, Двухходовой двигатель внутреннего сгорания имеет всего лишь одну подвижную деталь, Журнал ИР-90,N

„„Я „„1794198 А3 (54) СВОЕОДНОПОРШН ЕВОЙ 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 рабочие цилиндры 1, между которыми размещены гидронасос (ГН) и нагнетатель топливно-воздушной смеси (НТВС) двойно Го 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 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 и поршень 3 ри обратном движении перекроет перепукные каналы 25 и выхлопные окна 24, что

1794198

10 часть имеет ограничение по быстроходнопределительной втулки, охватывающей. ци- 20

30 . Целью изобретения является увеличесинхронизации тый за прототип, содержащий двигательную 35

1 полностью предотвращает потери топлива при продувке и позволяет снизить удельный расход топлива. HTBC 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 гидроцилиндрав 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 в виде гидроцилиндров с размещенными в них плунжерами, жестко связанными с пор. шнями, 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 ходомцентрального поршнк1О НТВС,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-воздушной смесью; 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 в карбюраторном варианте двигателя.

Для достижения поставленной .цели в предлагаемом двигателе-насосе конструктивно обеспечено уменьшение относительного:хода плунжеров гидронасоса примерно в 2 — 3 раза при сохранении его рабочего объема путем некоторого увеличе51794198

10

20

30

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 соответст вующих 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 обеспечено нагнетателем 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 карбюраторный двигатель с гидропередачей, продольный разрез; на фиг,2 — поперечный разрез двигателя по гидронасосу; на фиг.3 — 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 цилиндров7 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), Ра1 194198

20

55 бачив 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 выходными

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 двумя противолежащими газораспределительными выступами 33 юбки„размещаемыми при движении к центру в карманах 34 рабочего цилиндра 1, Двигатель-насос снабжен устройством гидро- или пневмазапуска и системой зажигания, например, электронной.

Двигатель работает известным образом как двухтактный поршневой ДВС с подпоршневай (кривошипной) камерой и поэтому не требует пояснения, Гидронасос и нагнетатель работают следующим образом. При движении блока поршней 3 вниз (фиг,1) под воздействием рабочего хода в верх- нем рабочем цилиндре 1 плунжер 6 верхнего гидроцилиндра 7 сжимает жидкость в полости 12 и нагнетает ее через отверстие

27. продольный канал 26 и совмещенные отверстия 28 и 29 в левой части верхнего гидроцилиндра 7 в выходной штуцер 31 гидросистемы. В нижнем гидроцилиндре 7 при этом происходит всасывание жидкости в полости 13 через правую часть совмещенных отверстий и каналов из входного штуцера 30 гидросистемы, В конце движения вниз верхний поршень 3 своей внутренней торцовой частью окончательно перемещает спаренный гидроцилиндр 7 вниз, произведя при этом переключение соответствующих отверстий на всасывание жидкости в верхней полости 12 и сжатие ее в нижней полости 13 при последующем движении блока поршней 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 перемещае г 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 16 ресивера.

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 плавающей конструкции гидроцилиндров, выполненных в форме золатникавых распределителей, позволяет также упростить конструкцию двигателянасосэ, существенно повысить его удеЛьную мощность, передаваемую гидравлическим путем за счет уменьшения относительного хода плунжеров в гидрацилиндрах и связанного с этим повышения быстроходности и подачи гидронасоса, 1794198

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я вую камеру ресивера, поочередно соединя1, Свободнопоршневой двигатель-íà- емую через обратные клапаны с полостями сос с гидравлической передачей мощности, нагнетателя, а через управляемые клапаны, содержащий оппозитно расположенные со- например электромагнитные — с камерами осные рабочие цилиндры с установленными 5 рабочих цилиндров в момент завершения в 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 шийся тем, что, с целью упрощения выполненный в форме гидроцилиндров с 10 конструкции, гидроцилиндры выполнены в находящимися 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- сообщающихся через внутренние радиаль. ния с гидронасосом, от л и ч а,ю шийся 15 ные отверстия у перегородки с полостью тем, что, с целью увеличения удельной мощ- гидроцилиндра, а через наружные радиальности, передаваемой гидравлическим путем ные впускные и выпускные окна — c соответза счет уменьшения относительного хода ствующими окнами корпуса цилиндров, плунжеров гидронасоса, увеличения его бы- поочередно совмещэемыми при перемеще. строходности и подачи, объединенные по- 20 нии гидроцилиндров под воздействием двипарно гидроцилиндры установлены соосно жения поршней, при этом впускные окна с рабочими цилиндрами и выполнены пла- корпуса по сравнению с выпускными размевающими с возможностью прерывистого щены ближе к центру на величину переме возвратно-поступательного перемещения щения гидроцилиндров, равную ходу под воздействием движения рабочих порш- 25 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 рабочих двойного действия, цилиндр которого охва- поршней in ходом центрального поршня натывает гидроцилиндры в районе стыка, об- гнетателя, разуя при этом кольцевую полость, а сами 30 плунжеры гидроцилиндров соосно прикреп- 4. Двигатель-насос по пп.1 — 3, о т л и ч а юлены к внутренним торцам соответствую- шийся тем, что, с целью осуществления щих рабочих поршней и соединены между реверсивного движения жидкости в гидрособой штоком, контактирующим с цилинд- системе, а также обеспечения работы двигарической поверхностью отверстия, разме- 35 теля нэ холостом ходу в период его запуска, щенного в перегородке на стыке каждый вход и выход гидронасоса снабжен гидроцилиндров, . двумя отверстиями, поочередно перекрыва2. Двигатель-насос по п.1, в карбюра- емыми заслонками в форме ползунов при торном исполнении, отличающийся обеспечении реверса или одновременно оттем, что, с целью снижения удельного рас- 40 крываемыми при запуске двигателя для хода топлива и повышения литровой мощ- обеспечения холостого хода, ности, кольцевая полость нагнетателя с 5.Двигатель-насоспопп.1 — 4,отличаюкаждой стороны связана через отверстия с шийся тем, что, с целю упрощения констклэпанами с полостью карбюратора, а ци- рукции, рабочие поршни и плунжеры гидро.линдр нагнетателя имеет наружную кольце- 45 цилиндров выполнены как одно целое.

1794198

Составитель Л.Пальцев

Техред M,Моргентал Корректор И,Шмакова

Редактор

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

Заказ 530 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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