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 ) 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. На торцах 6 установлены головки 7 цилиндров 1. Между торцами 6 цилиндра 1 и поршнями 2 образованы камеры сгорания 8, а между поршнями 2 — внутрипоршневая камера 8 . Внутрипоршневая камере 9 частично заполнена смазывающей жидкостью.

Свободнопоршневой двигатель содержит трубопровод подачи топливовоздушной смеси 10 и трубопровод отвода выхлопных газов 11 и систему газораспределения 12.
Система газораспределения 12, в свою очередь (каждая) содержит головку 7, внутри которого установлена выполнено две полости впускная 13 и выпускная 14 и установлены впускной клапан 15 с головкой 16 и штоком 17, а в выпускной полости — выпускной клапан 18 с головкой 19 и штоком 20.. На головке 7 установлены пружины 21, которые в нормальном положении удерживают клапаны 15 и 18 в закрытом положении. На торцах штоков 17 и 20 всех клапанов 15 и 18 установлены гидротолкатели 22. Для обеспечения работы гидротолкателей 12 применена гидросистема, содержащая маслобак 23, трубопровод низкого давления 24 соединенный с гидронасосом 25, к выходу которого присоединен трубопровод высокого давления 26, гидрорампределитель 27, к выходам которого присоединены управляющие трубопроводы 28, соедиенные с гидротолкателями 22.
Линейный генератор электроэнергии 29 состоит из статорной обмотки 30 установленной снаружи в центральной части цилиндра 1 и магнитов 31, установленных на промежуточном поршне 32, установленном в средней части штока 5 с относительно большим зазором. Система съема нагрузки выполнена в виде проводов 33 с присоединительными клеммами 34. Цилиндр 1 оборудован двумя свечами зажигания 35 На штоке 5 выполнена зубчатая рейка 36, с которой взамодействует зубчатое колесо 37, установленное на валу 38. На валу 38 установлен датчик положения поршней 39. В двигателе применен блок управления 40. Свечи зажигания 35 и датчик положения поршней 39 соединены электрическими связями 41 с блоком управления 40.
Система охлаждения состоит из двух стенок цилиндра 1: внешней 42 и внутренней 43 с зазором 44 между ними. и трубок подвода и отвода охладителя 45 и 46.

Электрическая схема содержит электрические провода 33, соединяющие статорную обмотку 29 через присоединительные клеммы 34 и коммутатор 47 с электродвигателем 48. К коммутатору 47 присоединен аккумулятор 49.
Блок управления 40 – это электронный блок, содержащий процессор и блок памяти. (На фиг. 1…4 электронная схема блока управления подробно не показана). Блок управления 40 должен обеспечивать своевременное своевременную подачу напряжения на свечи зажигания 35 и контроль режима работы свободнопоршневого двигателя, например частоты перемещения поршней 2.

Возможно применение нескольких цилиндров 1. На рис. 4 приведена схема свободнопоршневого двигателя с двумя поршнями 1. В этом случае статорные обмотки 29 соединены с коммутатором 47.
Свободнопоршневой двигатель работает следующим образом (рис. 1…4).

При запуске свободнопоршневого двигателя линейный генератор электроэнергии 29 работает в двигательном режиме. Для этого из аккумулятора 48 на статорные обмотки 30 через коммутатор 47 подается ток запуска обратной полярности, по отношению к току, вырабатываемому статорной обмоткой 30. Под действием магнитных сил, возбуждаемых статорной обмоткой 30 и действующих на магниты 31, шток 5 и поршни 2 приводится в движение, совершая ход сжатия в одной из камер сгорания 8 цилиндра 1. При достижении определенной степени (при определенном положении поршня 2 фиксируемом датчиком положения поршней 39) топливо подается в трубопровод подачи топливовоздушной смеси 10 и поступает через открытый впускной клапан 15 в одну из камер сгорания 8. После чего с блока управления 43 подают напряжение на свечу 35 (фиг. 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 29 переключается в генераторный режим при помощи коммутатора 47 и электрический ток поступает на электродвигатель 48 и аккумулятор 49.
Возможна довольно длительная работа электродвигателя (двигателей) 48 от аккумулятора 49, 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, магниты 31 совершают возвратнопоступательные движения и в статорной обмотке 30 возникает электромагнитное поле и в них индуцируется электрический ток. Вырабатываемый ток передается потребителю через провода 33, и присоединительные клеммы 34 и коммутатор 47 ко всем потребителям системы съема нагрузки, например кроме электродвигателя (электродвигателей ) 48 к приборам внешнего освещения (не показано).
Одновременно с работой двигателя происходит работа системы охлаждения. Для этого по трубопроводу 45 подают в зазор 44 охлаждающую жидкость, подогретая жидкость выходит по трубопроводу 46 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. (фиг. 4). Это позволит всем цилиндрам 1 работать практически на расчетном режиме, что повысит КПД двигателя. При этом неработающие цилиндры 1 могут быть предварительно прогреты. Это облегчит их запуск и повысит КПД.
Т. к. в процессе работы свободнопоршневого двигателя температура на статорных обмотках 28, 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 и открывания и закрывания спускных и выпускных клапанов и корректрировать в зависимости от режима работы двигателя.
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