RU2324829C1 - Hydraulic method of synchronization of piston movement in an internal combustion plunger free engine - Google Patents

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention refers to machine building. A hydraulic method of synchronization of piston movement in an internal combustion plunger free engine with an opposite movement of pistons is a part of a power module, converting engine fuel power into electrical energy, each piston of which is hydraulically connected via a pipeline with pistons movement synchronizing valve; according to the invention the synchronization of engine piston movement is achieved by means of increasing or decreasing resistance to fluid movement in pipelines, connecting engine pistons with electrical generator, wherefore a control system tracks the speed of each piston and on a signal of pistons speed mismatch the piston synchronizing valve increases or decreases resistance to fluid movement in the pipeline of that piston the speed of which is to be corrected. The invention facilitates a synchronized movement of pistons in a plunger free engine during the complete working cycle.

EFFECT: to facilitate a synchronized movement of a plunger free engine pistons during the complete working cycle.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области энергомашиностроения.The invention relates to the field of power engineering.

Ближайший прототип изобретения - "Осцилляторный пьезотранс-форматор двигателя внутреннего сгорания", патент RU 2169278 CI, 2001. Энергомодуль преобразует химическую энергию моторного топлива в электроэнергию. Особенность энергомодуля, принцип действия которого иллюстрируется в гидравлическом способе синхронизации движения поршней, состоит в том, что в отличие от своего прототипа вместо двух осцилляторных пьезотрансформаторов применяется один электромагнитный насос-генератор 1 (электрогенератор) /см. чертеж/ с якорем 2 и клапанами управления потоком жидкости 3. Кроме электромагнитного насос-генератора /далее - насос-генератор/ в состав энергомодуля входят два свободнопоршневых двигателя внутреннего сгорания с оппозитным движением поршней 4 /далее - правый и левый двигатели/ и система управления автоматикой энергомодуля /далее - система управления, не показана/.The closest prototype of the invention is "Oscillating piezotransformer-formatter of an internal combustion engine", patent RU 2169278 CI, 2001. The energy module converts the chemical energy of motor fuel into electricity. A feature of the energy module, the principle of which is illustrated in the hydraulic method of synchronizing the movement of pistons, is that, unlike its prototype, instead of two oscillatory piezotransformers, one electromagnetic pump generator 1 (electric generator) / cm is used. drawing / with armature 2 and fluid flow control valves 3. In addition to the electromagnetic pump generator (hereinafter referred to as the pump generator), the energy module includes two free-piston internal combustion engines with opposed piston movement 4 / further on the right and left engines / and automatic control system power module / further - control system, not shown /.

Перед пуском энергомодуля якорь насос-генератора находится в крайнем правом положении, левый клапан управления потоком жидкости - в верхнем положении, а правый - в нижнем, поршни 5 правого двигателя - в точках максимального схождения, поршни левого - в точках максимального расхождения, клапаны впуска воздуха 6 правого двигателя и выпуска отработавших газов 7 закрыты, а клапаны компрессора 8 - открыты. Все одноименные детали левого двигателя занимают противоположные положения.Before starting the energy module, the pump-generator armature is in the extreme right position, the left fluid flow control valve is in the upper position, and the right one is in the lower one, pistons 5 of the right engine are at the maximum convergence points, left pistons are at the points of maximum divergence, air intake valves 6 of the right engine and exhaust 7 are closed, and the valves of the compressor 8 are open. All parts of the same name of the left engine occupy opposite positions.

При пуске энергомодуля система управления форсункой 9 подает топливо в камеру сгорания того цилиндра, поршни которого максимально сближены. Одним из способов топливо воспламеняется, сгорает, и расширяющиеся продукты сгорания начинают разводить поршни двигателя. Соединенные с поршнями двигателя поршни компрессора 10 сжимают воздух в полостях компрессора, а плунжеры 11 продавливают жидкость через насос-генератор. От насос-генератора жидкость поступает в полости плунжеров левого двигателя, и его поршни начинают встречное движение. Через открывшиеся клапаны компрессора из атмосферы в полости компрессора поступает воздух, клапаны впуска воздуха и клапан выпуска отработавших газов закрывается и воздух в цилиндре сжимается. При продавливании жидкости через насос-генератор его якорь начинает движение справа налево. Статорные магниты 12 и 13 представляют собой постоянные магниты, полюса которых расположены так, что торцы якоря перемещаются в зазорах между их разноименными полюсами. При этом в теле якоря возникает переменный магнитный поток, в результате чего в катушке якоря 14 генерируется электрический импульс. По достижению якорем крайнего левого положения система управления переводит клапаны управления потоком жидкости в противоположные положения, и жидкость из полости плунжера правого двигателя начинает поступать в полость левого торца якоря. Якорь движется слева направо, и в катушке якоря генерируется электрический импульс противоположного знака. Система управления продолжает сообщать якорю колебательные движения до тех пор, пока плунжеры и поршни двигателя достигнут точек максимального расхождения, а поршни левого двигателя - точек максимального схождения. В этот момент система управления подает топливо в камеру сгорания левого двигателя и воспламеняет его. Так рабочий цикл одного двигателя инициирует рабочий цикл смежного двигателя.When starting the power module, the nozzle control system 9 delivers fuel to the combustion chamber of the cylinder whose pistons are as close as possible. In one way, the fuel ignites, burns, and expanding combustion products begin to breed engine pistons. The pistons of the compressor 10 connected to the engine pistons compress the air in the compressor cavities, and the plungers 11 push the fluid through the pump generator. From the pump-generator, the fluid enters the cavity of the plungers of the left engine, and its pistons begin to move in the opposite direction. Through the opened compressor valves, air enters the atmosphere into the compressor cavity, the air inlet valves and the exhaust valve are closed and the air in the cylinder is compressed. When forcing fluid through the pump generator, its armature begins to move from right to left. The stator magnets 12 and 13 are permanent magnets whose poles are positioned so that the ends of the armature move in the gaps between their opposite poles. In this case, an alternating magnetic flux arises in the body of the armature, as a result of which an electric pulse is generated in the armature coil 14. When the anchor reaches the extreme left position, the control system transfers the fluid flow control valves to opposite positions, and fluid from the cavity of the plunger of the right engine begins to flow into the cavity of the left end of the armature. The armature moves from left to right, and an electrical pulse of the opposite sign is generated in the armature coil. The control system continues to report oscillatory movements to the anchor until the plungers and pistons of the engine reach the maximum divergence points and the pistons of the left engine reach the maximum convergence points. At this point, the control system supplies fuel to the combustion chamber of the left engine and ignites it. So the duty cycle of one engine initiates the duty cycle of an adjacent engine.

Пуск энергомодуля может осуществляться также и подачей переменного напряжения на катушку якоря. Якорь совершает колебательные движения, а система управления клапанами управления потоком жидкости организует поток так, что поршни одного из двигателей начнут схождение, после завершения которого начинается рабочий цикл. Насос-генератор при этом действует в режиме насоса.The power module can also be started by applying alternating voltage to the armature coil. The anchor makes oscillatory movements, and the control system of the fluid flow control valves organizes the flow so that the pistons of one of the engines begin to converge, after which the work cycle begins. The pump-generator in this case operates in pump mode.

Одно из условий функционирования свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания с оппозитным движением поршней - синхронное движение поршней в противофазе на всем протяжении рабочего цикла. Изготовить абсолютно идентичные по форме и массе поршни, и цилиндр точной геометрической формы, невозможно. Также невозможно обеспечить равенство сил трения между поршнями и цилиндром на всем протяжении пути поршней. Кроме того, если энергомодуль эксплуатируется на транспортном средстве, на закон движения поршней оказывают влияние силы инерции, возникающие в результате непрогнозируемых перемещений в пространстве. В итоге скорости поршней в каждый момент времени будут отличаться друг от друга.One of the conditions for the functioning of a free-piston internal combustion engine with the opposite movement of the pistons is the synchronous movement of the pistons in antiphase throughout the entire working cycle. It is impossible to produce pistons that are absolutely identical in shape and weight, and a cylinder with an exact geometric shape. It is also impossible to ensure the equality of the friction forces between the pistons and the cylinder along the entire piston path. In addition, if the energy module is operated on a vehicle, the law of motion of the pistons is influenced by the inertia forces resulting from unpredictable movements in space. As a result, the piston speeds at each moment in time will differ from each other.

Традиционно синхронизация движения поршней свободнопоршневого двигателя с оппозитным движением поршней осуществляется рычажным или реечно-шестеренным механизмами /Шелест П.А. Безвальные генераторы газов, М.: Машгиз, 1960, с.302-305/. Эти механизмы связывают поршни двигателя таким образом, что когда один из них движется в одном направлении, другой движется в противоположном. Основной недостаток механического способа синхронизации - наличие самих механизмов, масса которых увеличивает массу энергомодуля и, следовательно, снижает его удельную мощность.Traditionally, the synchronization of the movement of the pistons of a free piston engine with the opposed movement of the pistons is carried out by lever or rack and pinion mechanisms / Shelest P.A. Shaft-free gas generators, M .: Mashgiz, 1960, p. 302-305 /. These mechanisms connect the pistons of the engine in such a way that when one of them moves in one direction, the other moves in the opposite. The main disadvantage of the mechanical synchronization method is the presence of the mechanisms themselves, the mass of which increases the mass of the energy module and, therefore, reduces its specific power.

Технической задачей изобретения является обеспечение синхронного движения поршней свободнопоршневого двигателя на всем протяжении рабочего цикла.An object of the invention is the provision of synchronous movement of the pistons of a free piston engine throughout the working cycle.

Поставленная задача решается за счет того, что гидравлический способ синхронизации движения поршней свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания с оппозитным движением поршней, входящего в состав энергомодуля, преобразующего энергию моторного топлива в электроэнергию, каждый поршень которого гидравлически связан с электрогенератором трубопроводом с клапаном синхронизации движения поршней, при этом синхронизация движения поршней двигателя осуществляется увеличением или уменьшением сопротивления движению жидкости в соединяющих поршни двигателя с электрогенератором трубопроводах, для чего система управления отслеживает скорости каждого поршня и по сигналу рассогласования скоростей поршней клапаном синхронизации поршней увеличивает или уменьшает сопротивление движению жидкости в трубопроводе того поршня, скорость которого корректируется.The problem is solved due to the fact that the hydraulic method of synchronizing the movement of the pistons of a free piston internal combustion engine with the opposite movement of the pistons, which is part of the energy module, converts the energy of motor fuel into electricity, each piston of which is hydraulically connected to the generator by a pipeline with a valve for synchronizing the movement of pistons, while the synchronization of the movement of the pistons of the engine is carried out by increasing or decreasing the resistance to movement of the liquid in the joint pipelines that drive the engine pistons with an electric generator, for which the control system monitors the speeds of each piston and increases or decreases the resistance to the movement of the fluid in the pipeline of the piston whose speed is adjusted by the piston synchronization valve by the piston speed mismatch signal.

Гидравлический способ синхронизации движения поршней осуществляется системой управления с помощью клапанов синхронизации 15. Система управления отслеживает текущую скорость каждого поршня и по сигналу рассогласования скоростей подает команду на соответствующий клапан синхронизации. Так, если скорость верхнего поршня правого двигателя окажется меньше скорости нижнего, срабатывает клапан синхронизации в трубопроводе, соединяющем полость плунжера нижнего поршня с насос-генератором. Клапан частично перекрывает трубопровод, сопротивление движению жидкости увеличивается, и скорость поршня уменьшается. Так как поршни смежных двигателей попарно гидравлически связаны, одновременно уменьшается скорость противоположно движущегося нижнего поршня левого двигателя.The hydraulic method of synchronizing the movement of the pistons is carried out by the control system using synchronization valves 15. The control system monitors the current speed of each piston and, according to the speed misalignment signal, sends a command to the corresponding synchronization valve. So, if the speed of the upper piston of the right engine is less than the speed of the lower, the synchronization valve is activated in the pipeline connecting the cavity of the plunger of the lower piston to the pump generator. The valve partially blocks the pipeline, resistance to fluid movement increases, and piston speed decreases. Since the pistons of adjacent engines are pairwise hydraulically connected, the speed of the oppositely moving lower piston of the left engine is simultaneously reduced.

Синхронизация движения поршней может осуществляться и уменьшением сопротивления движению жидкости в трубопроводах, связывающих насос-генератор с поршнями. Для этого параллельно основным трубопроводам устанавливаются дополнительные с нормально закрытыми клапанами /не показаны/. При появлении сигнала рассогласования система управления открывает соответствующий клапан, суммарное для двух трубопроводов сопротивление жидкости уменьшается, и скорость отстающего поршня увеличивается.The synchronization of the movement of the pistons can be carried out by reducing the resistance to movement of the liquid in the pipelines connecting the pump generator with the pistons. To do this, additional parallel to the main pipelines are installed with normally closed valves / not shown /. When a mismatch signal appears, the control system opens the corresponding valve, the total fluid resistance for two pipelines decreases, and the speed of the lagging piston increases.

Claims (1)

Гидравлический способ синхронизации движения поршней свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания с оппозитным движением поршней, входящего в состав энергомодуля, преобразующего энергию моторного топлива в электроэнергию, каждый поршень которого гидравлически связан с электрогенератором трубопроводом с клапаном синхронизации движения поршней, отличающийся тем, что синхронизация движения поршней двигателя осуществляется увеличением или уменьшением сопротивления движению жидкости в соединяющих поршни двигателя с электрогенератором трубопроводах, для чего система управления отслеживает скорости каждого поршня и по сигналу рассогласования скоростей поршней клапаном синхронизации поршней увеличивает или уменьшает сопротивление движению жидкости в трубопроводе того поршня, скорость которого корректируется.A hydraulic method for synchronizing the movement of the pistons of a free piston internal combustion engine with the opposed movement of the pistons, which is part of an energy module that converts motor fuel energy into electricity, each piston of which is hydraulically connected to the generator by a pipeline with a piston synchronization valve, characterized in that the engine piston is synchronized by increasing or a decrease in resistance to fluid movement in the connecting pistons of the engine with the electrog non-pipelines, for which the control system monitors the speeds of each piston and, according to the signal of the mismatch of the piston speeds, the piston synchronization valve increases or decreases the resistance to fluid movement in the pipeline of the piston whose speed is being adjusted.