SU1455009A1 - Свободнопоршневой двигатель - Google Patents

Abstract

Изобретение позвол ет улучшить качество продувки в свободнопоршне- вых двигател х, содержащих рабочий цилиндр, разделенный поршнем на две торцовые камеры сгорани . Дп  этого пневмоцилиндры 14, в которых установлены пневмопоршеньки 13 привода газораспределительных клапанов 8, снабжены по меньшей мере двум  управ- л кшщми каналами 16 и 17, один из которых подключен к рабочему цилиндру 1 между его серединой (по ходу порш- н  5) и первым каналом, размещенным в зоне соответствующей камеры сгорани . При взаимном перемещении рабочего цилиндра 1 и поршн  5 относительно определенных точек подключени  управл ющих каналов 16 и 17 по ходу поршн  оптимизируютс  фазы газораспределени  и улучшаетс  продувка . Приведены варианты размещени  управл ющих каналов и газораспределительных клапанов относительно друг друга, в том числе при разделении выхлопа. 6 з.п. ф-лы, 5 ил. о б (

Description

Изобретение относитс  к маши1но- строению, а именно к двигател м внутреннего сгорани .

Целью изобретени   вл етс  улуч- шение продувки и снижение потерь давлени  в газовыпускных трактах двигател  путем оптимизации фаз газораспределени .

На фиг. 1 показан свободнопорш- иеной двигатель (СПД) с центральным расположением впускных окон и пери- ферийньш размещением выпускных отверстий , такт сжати  в верхней по чертежу полости: поршень движетс  вверх, выпускной клапан закрыт; на фиг. 2 - то же, такт расширени  и выпуска в верхней полости: поршень движетс  вниз, выпускной клапан открыт j 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 цилинд 1, впускные окна 2, головка 3 и 4.

Цилиндр пружинно укреплен на фундаменте . В цилиндре находитс  свободный поршень 5 двустороннего действи  Впускные окна 6 выполнены вблизи головок и выход т в выпускной коллекто 7. Выпускные окна снабжены пружинными самодействующими клапанами 8. Клапан 8 скобой 9 соединен с пружиной 10 и штоком 11 пневмопоршеньков 12 и 13, размещенных в пневмоцилиндрах 14 и 15,

Пневиоцилиндр 14 соединен с цилиндром 1 управл ющиьш каналами 16 и 17. Канал 16 выходит в цилиндр 1 между головкой и выпускным окном, а канал 17 - между каналом 16 и впускным окном 2. Рассто ние (по образующей цилиндра) между этими кагалами больше высоты поршн . Пружина 10 крепитс  к фундаменту. Система скомпонована так, что выпускной клапан открываетс  в направлении от головки то полости, с которой он св зан.

Вход канала 17 в пневмоцилиндре 14 удален от крьш1ки этого пневмоци- линдра на рассто ние меньшее, чем высота пневмопоршенька 13, поэтому пневмопоршенек перекрывает в мертвой точке канал 17.

Q

5

0

Дополнительньш канал 19 соедин ет закрывающий пневмсцилиндр 15 с 1Щ- линдром 1, причем канал 18 выходит вблизи противоположной головки (4).

Выпускной коллектор 7 св зан 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.  вл ютс  дополнительными выпускными окнами. Дополнительный выпускной трубопровод св зан с атмосферой.

Дополнительный управл ющий канал 18 закрывающего пневмоцилиндра 15 выходит в рабочий цилиндр 1 между основным 6 и дополнительным 2 выпускными окнами,

Дл  повышени  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 вы- иускному коллектору.

Дл  того, чтобы начало закрыти  выпускного клапана точно соответствовало определенному положению поршн  и не зависело от давлени  в цилиндре , закрываюшдй пневмоцилиндр может быть св зан с цилиндром двум  каналами аналогичными двум каналам пневмоцилиндра /14.

Дл  уменьшени  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 уплотнени ми.

Выход штока из пневмоцилиндра 15 может не уплотн тьс , обеспечива  соединение с атмосферой той п лости пневмоцилиндра, в которую не выходит канал 18.

Пневмоцилиндры, у которых каналы выход т в горец или возле него, снабжаютс  воздушными буферами, предотвращающими удар о головку (торец) этого цилиндра (см. фиг. 5).

Дл  безударной посадки клапана 8 может быть выполнен отдельный воздушный буфер.

В упрощенном вариенте СПД закрывающие пневмощшиндры 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 устанавливаютс  клапаны золотникового типа осесим- метричной конструкции (чтобы не соз14550П9

вниз по фиг. 1), сжима  пружину 10, и перемещает клапан 8. Поршень 5 в это врем  подходит к ВОТ, перекрыца g своей боковой поверхностью выпуск- ное окно 6, нижн   кромка поршн  5 открывает канал 17. Канал 17 сообща етс  с нижней полостью цилиндра, в которой в это врем  происходит вса- 10 сывание и продувка при давленшг, бл ком к давлению наддувочного воздуха (несколько атмосфер). В верхней полости , над поршнем,, происходит сгорание . Повьп ение давлени  (до сотен

-t «jbjkjj , J i д 1-х t-iJ J 1. Д J 1 Л y.ljV- V. и t ili

давать момента сил), головки цилинд- is атмосфер) изме1шет направление двида выполн ютс  в виде секторов сфер, форма порщн  соответствует форме головки , .на цилиндр надет кожух, выполненный , например, в виде хомутов или намотанного на цилиндр каната, ст гивающий.цилиндр и этим уменьшающий раст гивающие напр жени  в его стенках (включа  головку), каналы пневмоцилиндров выведены через кожух, к кожуху креп тс  коллекторы и элементы выпускного трубопровода, имеющего компенсаторы температурного расширени .

Такое сопр жение металла с керамикой ввиду невысоких температур наружной поверхности и наличи  компенсатора расширени , а также сжимающие усили  кожуха обеспечивают механическую прочность керамического цилиндра .

Уплотнени  между кожухом и цилиндром в районах окон достигаетс  де- - формируемыми при зажиме прокладками .

СЦЦ работает следующим образом. При возвратно-поступательном движении поршн  сжатие свежего зар да осуществл етс  двидением поршн  по инерции (на фиг. 1 изображен момент сжати  в верхней полости, направление движени  поршн  показано стрелкой ) . Сжимаемый свежий зар д через каналы 16 и 17 воздействует на пнев- мопоршенек 13. Ввиду равенства давлений в этих каналах пневмопоршенек неподвижен и клапан 8 остаетс  закрытым . При дальнейшем движении поршн  5 он перекрывает канал 17,давление в канапе 16 превьш1ает давление в подпоршневой полости пневмоци- линдра 14 и канала 17. Вследствие этого пневмопоршенек 13 начинает двигатьс  (дл  клапана рассматриваемой полости цилиндра это движение

20

жени  поршн  5 и разгон ет в обратную сторону. Большое давление- в канале 16 и низкое в канале 17 обеспечивают быстрое перемещение пневмо- поршенька 13 вниз, в результате че25

30

35

го открываетс  клапан 8. Пневмопоршенек 13 садитс  на воздушный буфер внизу пневмощшиндра 1А и перекрывает своей боковой поверхностью канал 17.

Далее поршень 5, двига сь вниз, открывает вход в окно б„ Продукты сгорани  вытекают через это окно и-J выпускной коллектор 7 в силову о турбину или к иному пoтpeбитeJпo. Этот момент изображен на фиг. 2, где направление движени  поршн  показано стрелкой.

После того как поршень 5 двига сь дальше, пройдет вгг скные окна 2, ввиду наддува и истечении продуктов сгорани  в вып скной коллектор по инерции происходит продувка цилиндра . В это врем  давление в верхней, 40 надпоршневой,-полости падает,умень- шаетс  давление над пи-евмопоршень- ком 13 и слабого усили  пружины 10 оказываетс  достаточно, чтобы началось движение пневмопоршенька и, со- g ответственно закрытие выпускного клапана 8.

В нижней полости цилиндра происход т те же процессы, что и в верхней . После того как поршень миновал впускные окна 2, в этой полости происходит сжатие. Возрастание давлени  в нижней полости (под поршнем) в конце скати  и при сгорании передаетс  через канал 18 пневмопоршеиьку 12. Последний, действу  черев шток 11 и скобу 9, закрывает клапан 8.

Поскольку цилиндр пружинно закреплен на неподвижном основании,при движении поршн  он перемещаетс . По

50

55

14550П9

вниз по фиг. 1), сжима  пружину 10, и перемещает клапан 8. Поршень 5 в это врем  подходит к ВОТ, перекрыцает своей боковой поверхностью выпуск-. ное окно 6, нижн   кромка поршн  5 открывает канал 17. Канал 17 сообщаетс  с нижней полостью цилиндра, в которой в это врем  происходит вса- сывание и продувка при давленшг, близком к давлению наддувочного воздуха (несколько атмосфер). В верхней полости , над поршнем,, происходит сгорание . Повьп ение давлени  (до сотен

-t «jbjkjj , J i д 1-х t-iJ J 1. Д J 1 Л y.ljV- V. и t ili

атмосфер) изме1шет направление дви

20

жени  поршн  5 и разгон ет в обратную сторону. Большое давление- в канале 16 и низкое в канале 17 обеспечивают быстрое перемещение пневмо- поршенька 13 вниз, в результате че25

30

5

го открываетс  клапан 8. Пневмопоршенек 13 садитс  на воздушный буфер внизу пневмощшиндра 1А и перекрывает своей боковой поверхностью канал 17.

Далее поршень 5, двига сь вниз, открывает вход в окно б„ Продукты сгорани  вытекают через это окно и-J выпускной коллектор 7 в силову о турбину или к иному пoтpeбитeJпo. Этот момент изображен на фиг. 2, где направление движени  поршн  показано стрелкой.

После того как поршень 5 двига сь дальше, пройдет вгг скные окна 2, ввиду наддува и истечении продуктов сгорани  в вып скной коллектор по инерции происходит продувка цилиндра . В это врем  давление в верхней, 0 надпоршневой,-полости падает,умень- шаетс  давление над пи-евмопоршень- ком 13 и слабого усили  пружины 10 оказываетс  достаточно, чтобы началось движение пневмопоршенька и, со- g ответственно закрытие выпускного клапана 8.

В нижней полости цилиндра происход т те же процессы, что и в верхней . После того как поршень миновал впускные окна 2, в этой полости происходит сжатие. Возрастание давлени  в нижней полости (под поршнем) в конце скати  и при сгорании передаетс  через канал 18 пневмопоршеиьку 12. Последний, действу  черев шток 11 и скобу 9, закрывает клапан 8.

Поскольку цилиндр пружинно закреплен на неподвижном основании,при движении поршн  он перемещаетс . По

0

5

закону сохранени  импульса цилиндр и поршень перемещаютс  в противофазе.

Таким образом, при движении поршн  вниз, в моменты, соответствующие открыванию выпускного клапана, цилиндр движетс  вверх, клапан открываетс  в сторону, противоположную головке (вниз по чертежу), поэтому увеличиваетс  скорость открывани  клапана. Закрытие клапана 8 проис- хЬдит после длительной продувки п|ри обратном движении поршн . При э|том цилиндр движетс  вниз и одевает- с|  на клапан.

СПД с разделенным выпуском (фиг.3 и 4), у которого турбокомпрессор 11одключен турбиной к выходу основной 1|урбины5 св занной с основным выпуск- ijbiM коллектором 7, а компрессором Ki впускному коллектору, св занному с впускным клапаном 19, работает следующим образом.

Окна 2 соединены дополнительным йыпускным коллектором с атмосферой.

Процессы сжати  (фиг. 3), сгорани  и начала расширени  у рассматриваемого СПД не отличаютс  от этих процессов у СПД, изображенного на фиг о 1 и 2„

При расширении (см. фиг. 4), пос- jje того как поршень проходит мимо канала 17, давление по обе стороны пневмопоршенька 13 выравниваетс  и под действием пружины 10 клапан 8 начинает закрыватьс . В это врем  в Выпускной коллектор выходит только часть продуктов сгорани  обладающа  высокими давлением и температурой . Эта часть продуктов сгорани  из коллектора попадает в силовую турбину,, работающую на потребител , а затем в турбину турбокомпрессора. Продвига сь далее, поршень 5 открывает вь.сод канала 18 в верхнюю полость цилиндра 1. Продукты сгорани , обладающие еще достаточно высоким давлением (дес тки атмосфер), воздействуют через канал 18 на пневмопорше- нек 12, в результате чего клапан 8 закрываетс .

При дальнейшем движении поршень проходит мимо окон 2, которые соединены с дополнительными выпускным коллектором (фиг. 3 и 4). Оставшиес  продукты сгорани  выход т в окна 2, давление в цилиндре падает почти до давлени  за этими окнами, т.е. до давлени  окружающей среды. Ввиду

14550096

падени  давлени  в верхней полости цилиндра и значительного (несколько избыточных атмосфер) давлени  наддугс вочного воздуха во впускном коллекторе открываетс  самодействующий впускной клапан 19 и воздух поступает в цилиндр. Поршень в это врем  находитс  в нижнем положении и вслед10 ствие сгорани  в нижней полости начинает двигатьс  вверх. При этом продукты сгорани , находившиес  между поршнем и дополнительными выпускными окнами 2, выталкиваютс  в эти ок15 на вместе с частью свежего воздуха. Когда поршень, продвига сь вверх, перекрывает окна 2, продувка оканчиваетс , идет процесс сжати  и т.д. Система газораспределени , реали20 зующа  разделенный выпуск, позвол ет организовать эффективные выпуск и продувку, а также хорошее наполнение цилиндра даже при свойственной СПД данного типа очень высокой цик25 личности. Это в совокупности с оп- тимальньиФ фазами газораспределени , реализуемыми данной системой газораспределени , снижает потери давлени  и повышает экономичность ма30 шины.

35

40

45

50

55

Claims (3)

1.Свободнопоршневой двигатель, содержащий цилиндр с головками, впускными окнами, выпускными окнами, снабженными пружинными самодействующими клапанами, соединенными со штоками пневмопоршеньков, размещенных в пневмоцилиндрах, управл юш 1е каналы привода пневмопоршеньков, подключенные к рабочему цилиндру, рабочий поршень двухстороннено действи  и выпускные коллекторы, о т л и ч а ю- щ и и с   тем, что, с целью улучшени  продувки и снижени  потерь давлени , пневмоцилиндры снабжены по меньшей мере двум  каналами, второй из которых поключен к цилиндру между первым и серединой цилиндра.

2.Двигатель по п.1, отличающийс  тем, что рассто ние между выходами каналов больше высоты поршн , выпускные окна расположены на боковой поверхности цилиндра , а их длина меньше высоты поршн .

3.Двигатель по пп. 1 и 2, о т - ли чающийс  тем, что B.nvcK5

0

5

0

5

Формула изобретени 

1.Свободнопоршневой двигатель, содержащий цилиндр с головками, впускными окнами, выпускными окнами, снабженными пружинными самодействующими клапанами, соединенными со штоками пневмопоршеньков, размещенных в пневмоцилиндрах, управл юш 1е каналы привода пневмопоршеньков, подключенные к рабочему цилиндру, рабочий поршень двухстороннено действи  и выпускные коллекторы, о т л и ч а ю- щ и и с   тем, что, с целью улучшени  продувки и снижени  потерь давлени , пневмоцилиндры снабжены по меньшей мере двум  каналами, второй из которых поключен к цилиндру между первым и серединой цилиндра.

2.Двигатель по п.1, отличающийс  тем, что рассто ние между выходами каналов больше высоты поршн , выпускные окна расположены на боковой поверхности цилиндра , а их длина меньше высоты поршн .

3.Двигатель по пп. 1 и 2, о т - ли чающийс  тем, что B.nvcK

Фиг.2

15

фаг.з

Ц)и г. 5