Изобретение относится к энергетическим установкам и может быть использовано в автомобилестроении, тяжелом машиностроении и малой энергетике, в частности в виде вспомогательных двигателей транспортных механизмов на передвижных или переносных электростанциях, электросварочных агрегатах и др.
Свободнопоршневой двигатель (рис. 1…4) содержит, по меньшей мере, один цилиндр 1, внутри которого установлены оппозитно два поршня 2. Поршни 2 имеют компрессионные и маслосъемные кольца, соответственно, 3 и 4. Поршни 2 оппозитно закреплены на штоке 5. Между торцами 6 цилиндра 1 и поршнями 2 образованы камеры сгорания 7, а между поршнями 2 — внутрипоршневая камера 8 . Внутрипоршневая полость частично заполнена смазывающей жидкостью.

Свободнопоршневой двигатель содержит трубопровод подачи топливовоздушной смеси 9 и трубопровод отвода выхлопных газов 10 и систему газораспределения 11.
Система газораспределения 11, в свою очередь (каждая) содержит пустотелый корпус 12 внутри которого установлена втулка 13 имеющая радиальную перегородку 14 которая формирует две полости 15 и 16. На пустотелом корпусе 12 выполнены соответственно коллекторы подачи топливовоздушной смеси 17 и коллектор отвода выхлопных газов 18. На торцах 6 цилиндра 1, на боковых поверхностях пустотелого корпуса 12 и втулке 13 выполнены соответственно первое-четвертое впускные отверстия топливовоздушной смеси 19…22 и первое-четвертое выпускные отверстия выхлопных газов 23…26 для сообщения внутренней полости цилиндра 1 (точнее камеры сгорания 7 с уоллектором подачи топливовоздушной смеси 17 и коллектором отвода выхлопных газов 18).
Система газораспределения 11, кроме пустотелого корпуса 12 и втулки 13 с отверстиями 19…25, содержит ведомый вал 27, один конец которого соединен с втулкой 13 а на другом установлено ведомое колесо 28, контактирующее с гибкой связью 29 (ремень или цепь). Кроме того, в систему газораспределения входят ведущее колесо 30, контактирующее с гибкой связью 29, которое установлено на ведущем валу 31, на другом конце которого установлено зубчатое колесо 32, контактирующее с зубчатой рейкой 33, выполненной на штоке 5.
Линейный генератор электроэнергии 34 состоит из статорной обмотки 35, установленной снаружи в центральной части цилиндра 1 и постоянных магнитов 36, установленных на промежуточном поршне 37, установленном в средней части штока 5 с относительно большим зазором. Система съема нагрузки выполнена в виде проводов 38 с присоединительными клеммами 39. Цилиндр 1 оборудован двумя свечами зажигания 40 и прерывателем 41, установленным на ведущем валу 31. Свечи зажигания 40 и прерыватель 41 соединены электрическими связями 42.
Система управления (рис. 2) может содержать блок управления 43 и, по меньшей мере, один датчик 44 положения поршней 2 соединенный электрической связью 42 с блоком управления 43. Датчик 44 может быть любого типа, например измерять угол поворота ведущего вала 31. Для этого он должен быть установлен на ведущем валу 31.

Система охлаждения состоит из двух стенок цилиндра 1: внешней 45 и внутренней 46 с зазором 47 между ними. и трубок подвода и отвода охладителя 48 и 49.
Электрическая схема содержит электрические провода 38, соединяющие статорную обмотку 35 через контакты 39 и коммутатор 50 с электродвигателем 51. К коммутатору 50 присоединен аккумулятор 52.

Блок управления 43 – это электронный блок, содержащий процессор и блок памяти. (На рис. 1…4 электронная схема блока управления подробно не показана). Блок управления 43 должен обеспечивать своевременное своевременную подачу напряжения на электрические свечи 40 и контроль режима работы свободнопоршневого двигателя, например частоты перемещения поршней 2.
Возможно применение нескольких цилиндров. На рис. 4 приведена схема свободнопоршневого двигателя с двумя поршнями 1. В этом случае статорные обмотки 35 соединены с коммутатором 50.

Свободнопоршневой двигатель работает следующим образом (рис. 1…4).
При запуске свободнопоршневого двигателя линейный генератор 34 работает в двигательном режиме. Для этого из аккумулятора 52 на статорные обмотки 35 через коммутатор 50 подается ток запуска обратной полярности, по отношению к току, вырабатываемому статорной обмоткой 35. Под действием магнитных сил, возбуждаемых статорной обмоткой 35 и действующих на магниты 36, шток 5 и поршни 2 приводится в движение, совершая ход сжатия в одной из камер сгорания 7 цилиндра 1. При достижении определенной степени (при определенном положении поршня 2 фиксируемом датчиком 44) топливо подается в трубопровод подачи топливовоздушной смеси 9 и одновременно совмешаюся впускные отверстия 19 и 20 а также 21 и 22, далее топливовоздушная смесь поступает в одну из камер сгорания 7. После чего с прерывателя 41 подают напряжение на свечу 40 (рис. 1) и начинается процесс сгорания и расширения отработанных газов, происходящий в соответствии с циклом четырехтактного двигателя. Одновременно в противоположном конце цилиндра 1 происходит процесс выхлопа и продувки. После запуска система линейного генератора 34 переключается в генераторный режим при помощи коммутатора 50 и электрический ток поступает на электродвигатель 51 и аккумулятор 52.
Возможна довольно длительная работа электродвигателя (двигателей) 51 от аккумулятора 52, например, в гараже или густонаселенном районе. Это необходимо в целях обеспечения экологи окружающей среды.
При работе свободнопоршевого двигателя каждый ход поршней 2 является рабочим ходом для одной из частей цилиндра 1, в то время, как для противоположной части этот ход является процессом сжатия. Температура поршня 2, из-за его контакта с горячими отработанными газами, составит 500-600o С.
При работе двигателя, постоянные магниты 36 совершают возвратнопоступательные движения и в статорной обмотке 35 возникает электромагнитное поле и в них индуцируется электрический ток. Вырабатываемый ток передается потребителю через провода 38, клеммы 39 и коммутатор 50 ко всем потребителям системы съема нагрузки, например кроме электродвигателя (электродвигателей) 51 к приборам внешнего освещения (не показано).
Одновременно с работой двигателя происходит работа системы охлаждения. Для этого по трубопроводу 48 подают в зазор 47 охлаждающую жидкость, подогретая жидкость выходит по трубопроводу 49 и далее охлаждается в теплообменнике (не позазано).
При остановке двигателя вновь происходит переключение линейного генератора в режим двигателя и отключают подачу топлива. (не показано). При этом, для создания противодействия движению поршня, ток остановки, подаваемый на статорную обмотку 35 может обеспечить движение поршня 2 в направлении, обратном настоящему направлению движения поршня 2 для экстренного торможения.
При работе свободнопоршневого двигателя с несколькими цилиндрами 1 сначала запускают один цилиндр 1 и по мере увеличения нагрузки запускают второй, третий и т. д. цилиндры 1. (рис. 4). Это поволит всем цилиндрам работать практически на расчетном режиме, что повысит КПД двигателя. При этом неработающие цилиндры могут быть предварительно прогреты. Это облегчит их запуск и повысит КПД.
Т. к. в процессе работы свободнопоршневого двигателя температура на статорных обмотках 35, которые находятся вне цилиндра 1, составляет примерно +10 — +20oС, то потери магнитного поля в медных обмотках на нагрев уменьшаются, по сравнению с потерями магнитного поля в прототипе, на 30-50%. Снижение потерь приводит к повышению кпд свободнопоршневого двигателя. Отсутствие токосъемников приводит к повышению пожаробезопасности работы а отсутствие обмоток в зоне высоких температур повышает надежность двигателя..
Электронная система управления позволяет полностью автоматизировать процесс зажигания.
Улучшается экологичность работы двигателя, так как транспортное средство в густонаселенных районах может передвигаться с выключенный свободнопоршневым двигателем на аккумуляторе.

Автор статьи Патентный поверенный РФ  Болотин Николай Борисович