SU1758257A1 - Свободнопоршневой двухтактный двигатель - Google Patents

Description

д ным насосом и его приводом и пусковое устройство.

Однако такой двухтактный двигатель, используемый преимущественно в качестве только малопродуктивного генератора гор чих газов, в котором жестко соединены между собой дизельные и компрессорна  части поршн  в общий трехступенчатый поршень, снабженный внутренними ребрами, расположенными вдоль оси его перемещени , и кольцевыми отверсти ми на стыке ступеней , имеет полностью неуравновешенную массу только что упом нутого поступательно движущегос  поршн , совершенно не может функционировать в режиме СПДК, обладает малоэффективной петлевой схемой продувки цилиндров, имеет недостаточно совершенные функциональные системы охлаждени , смазки, топливопита- ни  и пуска, нестабильную равномерность хода, неустойчивые режимнорегулировоч- ные показатели, затруднительный запуск, сопровождаемый резким повышением знакопеременных нагрузок на элементы конструкции , и вместе с тем не лишен многих других недостатков, указанных выше при характеристике аналогов, что в конечном результате существенно ограничивает его функциональные возможности и резко ухудшает его основные динамические характеристики .

Целью изобретени   вл етс  улучшение динамических характеристик двигател  и расширение его функциональных возможностей .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что двигатель снабжен дополнительным цилиндровым блоком, идентичным первому и размещенным соосно с ним, при этом поршни цилиндровых блоков св заны между собой при помощи реечно-шестеренчатого механизма синхронизации с возможностью встречно-противоположного движени , продувочный, рабочий компрессорный и газовый ресиверы выполнены в виде выносных блоков и снабжены двухрежимной запорноклапанной арматурой, продувочный ресивер снабжен радиатором-холодильником , а одноименные оппозитно размещенные дизельные и компрессорные полости сообщены между собой при помощи уравнительных трубопроводов.

Кроме того, соединение реек механизма синхронизации с поршн ми осуществл етс  при помощи сферических шарниров и упруго-демпфирующих элементов, вал шестерни механизма синхронизации размещен в опорах, снабженных самоустанавливающимис  сферическими подшипниками скольжени  и упруго-демфирующими элементами , а привод топливного насоса дл  каждой дизельной полости осуществл етс  индивидуально от реек механизма синхронизации и двух дополнительных реек, уста- 5 новленных диаметрально противоположно рейкам механизма синхронизации на внешней крайней ступени каждого из поршней, причем привод масл ного насоса дл  каждого цилиндрового блока осуществл етс 

0 индивидуально от шестерни, взаимодействующей с дополнительными рейками, привод вод ного насоса осуществл етс  от вала шестерни механизма синхронизации, а пусковое устройство св зано с указан5 ным валом при помощи автоматически действующей разъемной муфты.

На фиг.1 представлена обща  конструктивна  схема свободнопоршневого двухтактного двигател ; на фиг.2 - принципиальна 

0 схема его синхронизирующего механизма и основных систем его функционального обеспечени ; на фиг.З - разрез А-А на фиг,2; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.5 - упрощенна  схема устройства двух5 режимной запорноклапанной арматуры воздушных и газового ресивероё,

Свободнопоршневой двигатель представл ет собой симметричную дизельную объемнопоршневую машину двухтактного

0 цикла, цилиндропоршнева  группа которой выполнена в виде двух идентичных самосто тельных и соосно расположенных, трехступенчатых центрально-симметричных блоков 1 цилиндров со средней ступенью

5 большего диаметра, в каждом из которых размещен соответственно один трехступенчатый поршень 2 аналогичной конфигурации , установленный с возможностью свободного осевого (аксиального) возврат0 но-поступательного перемещени , Цилиндрические полости крайних стенок цилиндров малого диаметра в каждом блоке 1 и крайние ступени поршн  2 образуют две переменные по объему дизельные камеры 3

5 с равноценными рабочими параметрами, а кольцевые полости средней стенки цилиндров большего диаметра и средн   ступень поршн  2 образуют соответственно две переменные компрессорные камеры 4 с рав0 ноцекными рабочими параметрами. Кажда  дизельна  камера (полость) 3 снабжена центральной топливной форсункой 5, выпускными окнами 6 дл  отвода отработанных газов и продувочными (впускными)

5 окнами 7 дл  продувки и наддува цилиндра воздухом, а кажда  компрессорна  камера (полость) 4 снабжена впускным автоматическим клапаном 8, который через впускной (всасывающий) трубопровод 9 сообщен с воздухофильтром 10, а также нагнетательным автоматическим клапаном 11. При этом внешн   (крайн  ) камера 4 каждого блока 1 через нагнетательный клапан 11 и нагнетательный трубопровод 12 сообщена с общим продувочным ресивером-холодильником 13 (ПР), вынесенным за пределы ци- линдропоршневой группы и имеющим увеличенную (сребренную) поверхность радиатора охлаждени , а кажда  внутренн   (средн  ) камера 4 через нагнетательный клапан 11 и нагнетательный трубопровод 14 сообщена с рабочим ресивером 15 (РР) компрессора . Ресивер-холодильник 13 через подающий (питающий) трубопровод 16 и продувочные окна 7 сообщен с каждой дизельной камерой 3, а кажда  дизельна  камера 3, в свою очередь, через выпускные окна 6 сообщена, соответственно с общим дл  обоих блоков 1 газовым ресивером 17 (ГР). Одноименные полости 3 и 4 оппозитно расположенных блоков 1 соответственно сообщены между собой посредством уравнительных дизельных трубопроводов 18 и уравнительных компрессорных трубопроводов 19. Уравнительные трубопроводы 18 и 19 (высокопрочные трубки малого сечени  и предельно ограниченного объема вредного пространства) служат дл  посто нного сообщени  указанных камер и выравнивани  в них давлени  рабочих газов и воздуха (стабилизаторы давлени ),

Зубчатореечный синхронизирующий механизм двигател  включает шариирно закрепленный в корпусе 20 вал 21 привода, на котором жестко закреплена шестерн  22, установленна  между оппозитно расположенными блоками 1, центрально с последними , и наход ща с  в зацеплении с верхней и нижней большими (основными) рейками 23, расположенными оппозитно и диаметрально противоположно друг другу и установленными подвижно в направл ющих 24. Кажда  из больших реек 23 соединена с поршнем 2 при помощи пространственного сферического шарнира, снабженного кронштейном 25 с шаровой головкой, сопр женными с ней сферическим вкладышем 26 и сухар ми 27, контактирующими с замкнутым объемным демпфирующим элементом 28, представл ющим собой цилиндрический амортизатор с концентрично расположенными стальными втулками, свободное пространство между которыми заполнено способом вулканизации термостойкой твердой резиной или полиуретаном, наход щимис  в предварительно напр женном состо нии (в замкнутом сосуде).

Кронштейн 25 закреплен жестко на поршне 2 с возможностью перемещени  вместе

с ним в специальной продольной направл ющей 29 блока 1, выполненной в виде сквозной фиксирующей прорези (овальное отверстие) в последнем.

На внешней крайней ступени каждого

поршн  2 дополнительно закреплена мала  (вспомогательна ) зубчата  рейка 30, расположенна  оппозитно и диаметрально противоположно большой рейке 23, присо0 единенна  шарнирно до полной аналогии с последней к детал м цилиндропоршневой группы и взаимодействующа  с ними через неподвижную направл ющую 31.

Кажда  из четырех реек 23 и 30 кинема5 тически индивидуально взаимосв зана с топливным насосом 32 системы питани , закрепленным неподвижно в корпусе 20 и взаимодействующим с топливной форсункой 5 (насос-форсунка) дизельной камеры 3, а

0 кажда  из двух малых реек 30 взаимосв зана с шестерней 33 привода масл ного насоса 34, которые автономно снабжена система смазки каждого блока 1 цилиндров двигател . Вал 21 привода синхронизирующего ме5 ханизма установлен в двух подшипниковых опорах 35, закрепленных жестко в корпусе 20, и опираетс  соответственно на два самоустанавливающихс  (сферических) подшипника 36 скольжени , служащих дл 

0 воспри ти  больших знакопеременных нагрузок , которые взаимодействуют с замкнутыми объемными (цилиндрическими) демпфирующими элементами 37 втулочного типа, изготовленными, например, из амор5 тизационной резины или полиуретана. Кроме того, вал 21 снабжен специальной разъемной муфтой 38, например, автоматической зубчатой, взаимодействующей с пусковым устройством двигател  (стартером)

0 возвратно-вращательного действи  с усилителем крут щего момента (не показан), и кинематически взаимосв зан непосредственно с вод ным насосом 39 системы охлаждени  блоков 1 цилиндров и другими

5 вспомогательными механизмами (не показаны ).

Дл  обеспечени  возможности функционировани  двигател  в двух режимах: СПДК или СПТГ - и его пуска все три реси0 верные полости (емкости) снабжены запор- но-клапанным механизмом. Этот механизм содержит в каждом из блоков 1 реверсивный трубопровод 40, сообщенный через запорный клапан 41 с продувочным

5 ресивером 13 и через трубопровод 14 - с компрессорной камерой 4, и запорный клапан 42, установленный в трубопроводе 14, через который сообщаютс  компрессорна  камера 4 и рабочий ресивер 15, причем общий газовый ресивер 17 снабжен двум  выпусными трубопроводами 43, один из которых имеет запорный клапан 44, служащий дл  сообщени  его рабочей полости с атмосферой , а второй трубопровод 43 через запорный клапан 45 сообщен с газовой турбиной (не показана)

Двигатель работает следующим образом .

Так как данна  универсальна  поршнева  машина может функционировать в двух режимах: СПГГ и СПДК, работающих по принципу дизельных двухтактных двигателей с комбинированной пр моточнопетле- вой продувкой, то при работе двигател  в режиме СПГГ полностью перекрываютс  запорные клапаны 42 и 44 и, соответственно , открываютс  клапаны 41 и 45. В этом случае полностью прекращаетс  сообщение между компрессорными камерами 4 и рабочим ресивером 15, который целиком отключаетс  от всех коммуникаций пневмосистемы, а в газовом ресивере 17 полностью прекращаетс  сообщение его рабочей полости через трубопровод 43 с атмосферой и обеспечиваетс  ее пр мое (непосредственное) сообщение через трубопровод 43 с рабочей полостью газовой турбины,

В стадии установившегос  движени  поршни 2 совершают в оппозитных блоках встречное эквидистантное возвратно-поступательное перемещение, то сближа сь, то расход сь, а в одноименных, оппозитно расположенных камерах 3 и 4, одновременно происход т и синхронно чередуютс  идентичные термодинамические процессы. В момент расположени  поршней 2 в верхней мертвой точке две одноименные форсунки 5 одновременно распыл ют жидкое топливо в гор чий сжатый воздух, заключенный в камерах 3. Топливо при этом самовоспламен етс  и сгорает, а давление в камерах 3 резко увеличиваетс . Под действием давлени  газов ступенчатые поршни 2 начинают расходитьс , что соответствует их пр мому ходу. По мере расхождени  поршней 2 они открывают сначала выпускные окна 6, а затем и продувочные (впускные) окна 7 дизельных камер 3. Отработанные газы при этом через выпускные окна б поступают из камер 3 в газовый ресивер 17, а после открыти  впускных окон 7 сжатый, предварительно охлажденный, воздух из продувочного ресивера 13 через трубопроводы 16 проходит в камеры 3. Ввиду избытка объема продувочного воздуха по сравнению с объемом камер 3 сгорани  лишний воздух устремл етс  через выпускные окна 6 и газовый ресивер 17, перемешива сь с продуктами сгорани  и охлажда  их.

При максимальном расхождении поршней 2 они, достига  нижней мертвой точки, останавливаютс  противодавлением воздуха в противоположных полост х камер 3 и 4, и 5 при срабатывании форсунок 5 а оппозитных камерах 3 возвращаютс  обратно. По мере движени  поршней 2 от нижней мертвой точки к верхней (сближение) сначала перекрываютс  продувочные окна 7, а затем вы0 пускные окна 6, осуществл   автоматически продувку и наддув полостей камер 3. После перекрыти  окон 6 происходит сжатие воздуха в камерах 3, которое завершаетс  в верхней мертвой точке, и цикл далее анало5 гично и непрерывно повтор етс 

Таким образом, в предлагаемом дизеле используетс  видоизмененна  петлева  схема газообмена, котора  благодар  уравнительным дизельным трубопроводам 18

0 позвол ет частично реализовать положительные свойства пр моточно-щелевой схемы . Неизбежное отличие давлений в оппозитных дезельных полост х 3 цилиндров , в том числе и во врем  их продувки,

5 приведет к перетеканию сжатого воздуха, поступающего из продувочного ресивера 13 по уравнительным трубопроводам 18 из одной дизельной полости 3 в другую, что вызовет дополнительное его перемещение вдоль

0 осей цилиндров и будет способствовать улучшению продувки по сравнению с петлевой схемой газообмена, обеспечива  должную работоспособность, простоту конструкции и высокую надежность двига5 тел , снабженного окнами 6 и 7.

При движении поршней 2 от верхней мертвой точки к нижней в компрессорной части блоков 1 открываютс  впускные клапаны 8 и воздух через воздухофильтр 10 и

0 впускные трубопроводы 9 засасываетс  вг камеры 4. При обратном ходе поршней 2 происходит сжатие воздуха в рабочих полост х камер 4, при котором клапаны 8 закрываютс , а по достижении определенного

5 давлени  открываютс  нагнетательные клапаны 11 и воздух через трубопроводы 12, 14 и 40 выталкиваетс  в продувочный ресивер 13, в котором он охлаждаетс  и выравнивает свое давление. Уравнительные ди0 зельные и компрессорные трубопроводы 18 и 19 надежно компенсируют незначительную существующую несогласованность протекани  термодинамических процессов в одноименных камерах 3 и 4, некоторую

5 реальную несогласованность срабатывани  одноименных форсунок 5 и одноименных компрессорных клапанов 8 и 11 и возможную эксплуатационную разность давлени  (компрессии) в оппозитных цилиндрах блоков 1, обеспечива  при этом равные сопротивлени  синхронно-оппозитному движению поршней 2, что в значительной мере способствует существенному снижению вредных динамических нагрузок на синхронизирующий механизм, обеспечивает его устойчивую равномерность, стабильную плавность и отличную податливость хода и надежно предохран ет его в аварийных ситуаци х . Точна  синхронность противоположного движени  поршней 2 при работе двигател  обеспечиваетс  синхронизирующим механизмом, в котором две большие зубчатые рейки 23 совершают оппозитное возвратно-поступательное движение в направл ющих 24. а блокировка и эквиди- стантность их хода принудительно осуществл ютс  через шестерню 22, совершающую при этом возвратно-вращательное движение вокруг неподвижной оси вала 21. Топливные насосы 32, кинематически взаи- мосв занные с большими и малыми рейками 23 и 30, привод тс  в движение последними через соответствующие передаточные и преобразующие механизмы и в нужный момент подают топливо под боль- шим давлением в форсунки 5, а синхронность срабатывани  последних обеспечиваетс  точной установкой и регулировкой их исполнительных механизмов. Режимы работы двигател  регулируютс  количеством пода- ваемого топлива в форсунки 5 или изменением момента впрыска топлива в форсунки 5 в зависимости от положени  подвижного поршн  2 в блоке 1 цилиндров. Каждый из масл нных насосов 34 системы смазки ци- линдропоршневой группы и других механизмов приводитс  малой рейкой 30, совершающей возвратно-поступательное движение в направл ющих 31, через шестерню 33, ведущий вал которого совершает при этом возвратно-вращательное движение , передающеес  соответственно на исполнительный механизм перекачивани  масла по каналам блока 1 и поршн  2 под большим давлением. Благодар  наличию в синхронизирующем механизме демпфирующих элементов 28 и 37, универсального сферического шарнира, обеспечивающего многоподвижную шарнирную св зь реек 23 и 30 с поршн ми 2, и сферических подшил- никое 36 в значительной мере повышаетс  демпфирующа  способность поршневой машины, что благопри тствует при ее работе существенному снижению уровн  произ- водственных шумов и собственных вибраций и ощутимо гасит вредные ударно- динамические нагрузки на блоки 1, поршни 2 и другие подвижные элементы конструкции . Вод ной насос 39 принудительной системы охлаждени  блоков 1 приводитс 

непосредственно от вала 21 синхронизирующего механизма, совершающего возвратно-вращательное движение. Возможен также отбор мощности от вала 21 дл  привода многих других вспомогательных механизмов двигател  и компрессора.

При работе двигател  в режиме СПДК полностью перекрываютс  запорные клапаны 41 и 45 и, соответственно, открываютс  клапаны 42 и 44. Таким образом, обеспечиваетс  сообщение между компрессорными камерами 4 и рабочим ресивером 15, а в газовом ресивере 17 обеспечиваетс  сообщение его рабочей полости через трубопровод 43, выполн ющий функции глушител , с атмосферой. В этом случае сжатый воздух из внешних (крайних) камер 4 подаетс  в продувочный ресивер 13, а из средних (внутренних ) камер 4 перекачиваетс  непосредственно в рабочий ресивер 15, из которого он затем отбираетс  потребител ми. При полностью и одновременно открытых клапанах 41 и 42 можно перекачивать избыточный воздух из рабочего ресивера 15 в продувочный ресивер 13 в момент возникновени  производственной необходимости вынужденной подпитки последнего. Пуск двигател -компрессора производитс  при помощи пускового устройства возвратно- вращательного действи , движение от которого передаетс  через автоматическую разъемную муфту 38 на вал 21 привода шестерни 22 синхронизирующего механизма и далее на поршни 2. Непосредственно пусковой механизм системы пуска двигател  может иметь, например, любой из приводов: пневматический, электромагнитный, гидравлический, электростартерный, пусковой двигатель внутреннего сгорани  и прочие . Дл  облегчени  запуска камеры 4 компрессорных полостей сообщаютс  посто нно с атмосферой при помощи специальных декомпрессоров (отключаютс ), в форсунки 5 может предварительно i подаватьс  легковоспламен ющеес  топливо, а подпитка продувочного ресивера 13 в этот момент осуществл етс  от рабочего ресивера 15, в котором сосредоточен определенный резервный запас сжатого воздуха. Рабочие нагрузки при этом от поршневой машины полностью отключаютс . Возможен также вариант пневматического пуска двигател , при котором сжатый воздух из рабочего ресивера 15 через специальный воздухораспределитель подаетс  попеременно соответственно в одноименные крайние и средние полости камер 4 и сообщает поршн м 2 оппозитное возвратно-поступательное перемещение при полностью за- j pbiTbtx компрессорных клапанах 8 и 11.

Стрелками на чертежах показаны направлени  движени  воздуха и газов в трубопроводах 9, 12, 14, 16, 40, 18 и 19 и направление перемещени  поршней 2.

Claims (5)

1. Формула изобретени  1. Свободнопоршневой двухтактный двигатель, содержащий цилиндровый блок с трехступенчатым симметричным поршнем , образующими дизельные и компрес- сорные полости двухстороннего действи  с петлевой схемой продувки и автоматически действующими клапанами, систему возду- хоснабжени  с продувочным, рабочим ком- прессорным и газовым ресиверами, систему топливопитани  с форсункой, топливным насосом и приводом последнего, систему смазки с масл ным насосом и его приводом, систему охлаждени  блока цилиндров с вод ным насосом и его приводом и пусковое устройство, отличаю щий- с   тем, что, с целью улучшени  динамических характеристик и расширени  функциональных возможностей, он снабжен дополнительным цилиндровым блоком, идентичным первому и размещенным соос- но с ним, при этом поршни цилиндровых блоков св заны между собой при помощи реечно-шестеренчатого механизма синхронизации с возможностью встречно-проти- воположного движени , продувочный, рабочий компрессорный и газовый ресиверы выполнены в виде выносных блоков и снабжены двухрежимной запорно-клапан- ной арматурой, продувочный ресивер снаб-

   жен радиатором-холодильником, а одноименные оппозитно размещенные дизельные и компрессорные полости сообщены между собой при помощи уравнительных трубопроводов.
2. 2.Двигатель по п.1, отличающий- с   тем, что соединение реек механизма синхронизации с поршн ми осуществл етс  при помощи сферических шарниров и упру- годемпфирующих элементов, а вал шестерни механизма синхронизации размещен в опорах, снабженных самоустанавливающимис  сферическими подшипниками скольжени  и упругодемпфирующими элементами .
3. 3.Двигатель поп,1,отличающий- с   тем, что привод топливного насоса дл  каждой дизельной полости осуществл етс  индивидуально от реек механизма синхронизации и двух дополнительных реек, установленных диаметрально противоположно рейкам механизма синхронизации на внешней крайней ступени каждого из поршней,
4. 4.Двигатель поп.1,отличающий- с   тем, что привод масл ного насоса дл  каждого цилиндрового блока осуществл етс  индивидуально от шестерни, взаимодействующей с дополнительными рейками.
5. 5.Двигатель поп.1,отличающий- с   тем, что привод вод ного насоса осуществл етс  от вала шестерни механизма синхронизации , а пусковое устройство св зано Суказанным валом при помощи автоматически действующей разъемной муфты,

   зг

   г

   JJ

   ъ

   Ъ. ел со ю с  J

   С

   /

   /7

   ГР

   )

   L Л1

   |

   /S

   Фиг. 5