Свободнопоршневой двигатель

 

Изобретение позволяет улучшить качество продувки в свободнопоршневых двигателях, содержащих рабочий цилиндр, разделенный поршнем на две торцовые камеры сгорания. Дпя этого пневмоцилиндры 14, в которых установлены пневмопоршеньки 13 привода газораспределительных клапанов 8, снабжены по меньшей мере двумя управлякшщми каналами 16 и 17, один из которых подключен к рабочему цилиндру 1 между его серединой (по ходу поршня 5) и первым каналом, размещенным в зоне соответствующей камеры сгорания. При взаимном перемещении рабочего цилиндра 1 и поршня 5 относительно определенных точек подключения управляющих каналов 16 и 17 по ходу поршня оптимизируются фазы газораспределения и улучшается продувка . Приведены варианты размещения управляющих каналов и газораспределительных клапанов относительно друг друга, в том числе при разделении выхлопа. 6 з.п. ф-лы, 5 ил. о б (

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„„3455009 А1 (5g 4 F 02 В 71/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И А BTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 ц

17

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 3712263/25-06 (22) 26.03.84 (46) 30.01.89. Бюл. У 4 (75) Л.M.Æìóäÿê (53) 621.432(088.8) (56) Патент Германии У 479546, кл. 46а, 7, опублик. 1929. (54) СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ 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 из которых подключен к рабочему цилиндру

1 между его серединой (по ходу порш- ня 5) и первым каналом, размещенным в зоне соответствующей камеры сгорания. При взаимном перемещении рабочего цилиндра 1 и поршня 5 относительно определенных точек подключения управляющих каналов 16 и 17 по ходу поршня оптимизируются фазы газораспределения и улучшается продувка. Приведены варианты размещения управляющих каналов и газораспределительных клапанов относительно друг друга, в том числе при разделении выхлопа. 6 з.п. ф-лы, 5 ил. б 3

1455009

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания.

Целью изобретения является улучS 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- 25 го цилиндра; на фиг. 5 — газовый (воздушный) буфер пневмопоршенька.

Свободнопоршневой двигатель (фиг. 1 и 2) содержит рабочий цилиндр

1, 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 коллектор

7. Выпускные окна снабжены пружинными самодействующими клапанами 8. 1(лапан 8 скобой 9 соединен с пружиной

10 и штоком 11 пневмопоршеньков 12 и 13, размещенных в пневмоцилиндрах

14 и 15, Пневмоцилиндр 14 соединен с цилиндром 1 управляющими каналами 16 и 17. Канал 16 выходит в цилиндр 1 между головкой и выпускным окном, а 45 канал 17 - между каналом 16 и впускным окном 2. Расстояние (по образующей цилиндра) между этими кагалами больше высоты поршня. Пружина 10 крепится к фундаменту. Система скомпонована так, что выпускной клапан открывается в направлении от головки той полости, с которой он связан.

Вход канала 17 в пневмоцилиндре

14 удален от крьппки этого пневмоцилиндра на расстояние меньшее, чем высота пневмопоршенька 13, поэтому пневмопоршенек перекрывает в мертвой точке 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, т ° е. являются дополнительными выпускными окнами. Дополнительный выпускной трубопровод связан с атмосферой.

Дополнительный управляющий канал

18 закрывающего пневмоцилиндра 15 выходит в рабочий цилиндр 1 между основным 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 rope s или возле него, снабжаются воздушными буферами, предотвращающими удар о головку (торец) этого цилиндра (см. фиг. 5).

3 14

Для безударной посадки клапана S может быть выполнен отдельный воздушный буфер.

В упрощенном вариенте СПД закрывающие пневмоцилиндры могут отсутст» вовать, а штоки поршней открывающих пневмоцилиндров могут быть соединены между собой.

Рабочий цилиндр 1 и поршень 5 могут быть выполнены из керамического материала. При этом устанавливаются клапаны золотникового типа осесимметричной конструкции (чтобы не создавать момента сил), головки цплиндда выполняются в виде секторов сфер, форма поршня соответствует форме головки,,на цилиндр надет кожух, выполненный, например, в виде хомутов или намотанного на цилиндр каната, стягивающий. цилиндр и этим уменьшающий растягивающие напряжения в его стенках (включая головку), каналы пневмоцилиндров выведены через кожух, к кожуху крепятся коллекторы и элементы выпускного трубопровода, имеющего компенсаторы температурного расширения.

Такое сопряжение металла с керамикой ввиду невысоких температур наружной поверхности и наличия компенсатора расширения, а также сжимающие усилия 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 заряда осуществляется двидением поршня по инерции (на фиг. 1 изображен момент сжатия в. верхней полости, направление движения поршня показано стрелкой). Сжимаемый свежий заряд через каналы 16 и 17 воздействует на пневмопоршенек 13. Ввиду равенства давлений в этих каналах пневмопоршенек неподвижен и клапан 8 остается закрытым. При дальнейшем движении поршня 5 он перекрывает канал 17,давление в канале 16 превышает давлейие в подпоршневой полости пневмоцилиндра 14 и канала 17. Вследствие этого пневмопоршенек 13 начинает двигаться (для клапана рассматриваемой полости цилиндра это движение

55009

1 вниз по фиг, t,, сломая пружину 10, и перемещает клапан 8. Поршень 5 в это время подходит к В1ГГ, перекрывает своей боковой поверхностью выпуск ное окно 6, нижняя кромка поршня 5 открывает канал 17. Капал 17 сообщается с нижней полостью цилиндра, в которой в это время происходит всасывание и продувка прп давлении, близком к давлению наддувочного воздуха (несколько атмосфер) . В верхней полости, над поршнем, .роисходит сгорание. Повьпнение давления {до сотен атмосфер) изменяет направление движения поршня 5 и разгоняет и обратную сторону. Большое давление в канале 16 и низкое в канале 17 обеспечивают быстрое перемещение ппевмо20 поршенька 13 вниз, в результате чего открывается клапан 8. Ппевмопоршенек 13 садится на воздушный буфер внизу пневмоцилиндра 14 и перекрывает своей боковой поверхностью

25 канал 17.

Далее поршень 5, двигаясь вниз, открывает вход в окно 6. Продукты сгорания вытекают через это окно и выпускной коллектор 7 в силовую тур30 бину илп к иному потребителю. Этот момент изображен на фиг. 2, где направление движения поршня показано стрелкой.

После того как поршень 5, двигаясь дальше, пройдет впускные окна 2, 35 ввиду наддува и истечении продуктов сгорания в выпускной коллектор по инерции происходит продувка цилиндра. В это время давление в верхней, 40 надпоршневой, полости падает, уменьшается давление над ппевмопоршеньком 13 и слабого усилия пружины 10 оказывается достаточно, чтобы началось движение пневмопоршенька и, соответственно закрытие выпускного клапана 8.

В нижней полости цилиндра происходят те же процессы, что и в верхней. После того как поршень миновал

50 впускные окна 2, в этой полости происходит сжатие. Возрастание давления в нижней полости (под поршнем) в конце сжатия и при сгорании передается через канал 18 пневмопоршеньку

12. Последний, действуя через шток

11 и скобу 9, закрывает клапан 8.

Поскольку цилиндр пружинно закреплен на неподвижном основании,при движении поршня он перемещается. По

1455009

40 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. 15

СПД с разделенным выпуском (фиг.3

И 4), у которого турбокомпрессор подключен турбиной к выходу основной турбины, связанной с основным выпускяым коллектором 7, а компрессором— впускному коллектору, связанному с впускным клапаном 19, работает следующим образом.

Окна 2 соединены дополнительным

Выпускным коллектором с атмосферой. 25

Процессы сжатия (фиг. 3), сгорания и начала расширения у рассматриваемого СПД не отличаются от этих проЦессов у СПД, изображенного на фиг.1 и 2. 30

При 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 закрываться ° В 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 по.лость 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). Оставшиеся

55 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 самодействующий впускной 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 продукты 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 изобретения

1. 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 юшийся 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 шийся 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 тл и ч а ю шийся тем, что вп ск/ 1455009 р 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 oxza соенала расположен между впускными и динены выпускным коллектором с турвыпускными окнами. биной, а дополнительные выпускные ок4. Двигатель пл пп. 1-3, о т л и- на — с дополнительным выпускным колч а ю щ и и с я тем, что снабжен лектором, причем двигатель снабжен дополнительным управляющим каналом, ð турбокомпрессором. подключенным.к рабочему цилиндру 6. Двигатель по пп. 1-5, о т л ивблизи противоположной головки. ч а ю шийся тем, что пневмо5. Двигатель по пп. i, 2 и 4, поршеньки соединены общим штоком. отличающийся тем, что 7. Двигатель по пп. 1-6, о т л идля разделенного выпуска в середине 1б ч а ю шийся тем, что цилиндр и цилиндра выполнены дополнительные поршень выполнены из керамического выпускные окна, дополнительный уп- материала. фиг. 2

1455009

1455009

Составитель В.Ткаченко

Техред М. Ходанич Корректор Г.Решетник

Редактор Л.Веселовская

Заказ 7426/38 Тираж 482 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4