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…5) содержит, по меньшей мере, один цилиндр 1, внутри которого установлены оппозитно два поршня 2, на штоке 3. Между торцами 4 и поршнями 2 образованы камеры сгорания 5, а между поршнями 2 — внутрипоршневая камера 6.

Цилиндр 1 является остовом свободнопоршневого двигателя. Он выполнен с впускными 7 и выпускными окнами 8, расположенными в районе камер сгорания 5. Впускные окна 7 предназначены для подачи свежего заряда в камеру сгорания 5, а выпускные окна 8 для отведения из нее отработанных газов.
На боковой поверхности поршней 2 выполнены компрессионные 9 и маслосъемные 10 кольца.
Линейный генератор электроэнергии 11 состоит из обмотки 12, установленной снаружи в центральной части цилиндра 1 и постоянных магнитов 13, установленных на промежуточном поршне 14. Промежуточный поршень 14 жестко закреплен в средней части штока 3 и установлен в его средней части. Система съема нагрузки выполнена в виде проводов 15 с присоединительными клеммами 16.
Система подачи топливовоздушной смеси состоит из впускного коллектора 17 с полостью 18, магистрали подачи смеси 19, топливопровод 20 с форсункой 21 и входным управляемого клапана 22 размещенных у обеих торцов 4 цилиндра 1.
Система выхлопа содержит выхлопной коллектор 23 с полостью 24, к которой присоединен выхлопной патрубок 25 с выхлопным управляемым клапаном 26.
Система управления содержит блок управления 27 и, по меньшей мере, один датчик 28 положения поршней 2. Датчик 28 может быть любого типа, например электромагнитный и содержать катушку 29 и магнит 30, установленный в поршне 2. Блок управления 27 электрическими связями 31 соединен с датчиками 28 и с управляемыми клапанами 22 и 26.
Система охлаждения состоит из двух стенок цилиндра: внешней 32 и внутренней 33 с зазором 34 между ними. и трубок подвода и отвода охладителя 35 и 36.
Электрическая схема содержит электрические провода 16, соединяющие обмотку 12 через контакты 16 и коммутатор 37 с электродвигателем 38. К коммутатору 37 присоединен аккумулятор 39. На торцах 4 установлены электрические свечи 40.
Возможно исполнение двигателя в виде дизеля (рис. 2).

В этом случае свечи 40 отсутствуют, а форсунки 21 установлены на торцах 4. Кроме того на топливопроводе 21 установлен насос высокого давления 41.
Возможна установка ограничителей хода 42 (рис. 3), которые выполнены в виде двух радиальных перегородок 43 внутри цилиндра 1 и двух подпружиненных пружинами 44 упоров 45. Ограничитель хода 42 предназначен для предотвращения поломки двигателя при сбое в работе электроники.

Блок управления 27– это электронный блок, содержащий процессор и блок памяти. (На рис. 1…5 электронная схема блока управления подробно не показана). Блок управления 27 должен обеспечивать своевременное открывание и закрывание клапанов 22 и 26 и подачи напряжения на электрические свечи 40.

Возможно применение нескольких цилиндров. На рис. 5 приведена схема свободнопоршневого двигателя с двумя поршнями 1. В этом случае обмотки 12 соединены с коммутатором 38.

Свободнопоршневой двигатель работает следующим образом (фиг. 1…5).
При запуске свободнопоршневого двигателя линейный генератор работает в двигательном режиме. Для этого из аккумулятора 39 на обмотки 12 через коммутатор 37 подается ток запуска обратной полярности, по отношению к току, вырабатываемому обмоткой 12. Под действием магнитных сил, возбуждаемых обмоткой 12 и действующих на магниты 13, шток 3 и поршни 2 приводится в движение, совершая ход сжатия в одной из камер сгорания 5 цилиндра 1. При достижении определенной степени (при определенном положении поршня 2 фиксируемом датчиком 28) форсункой 21 подается топливо в воздушный патрубок 19 и одновременно открывается впускной управляемый клапан 22 (по команде с блока управления 27), далее топливовоздушная смесь поступает в одну из камер сгорания 5. После чего подают напряжение на свечу 40 (рис. 1) для карбюраторного двигателя и начинается процесс сгорания и расширения отработанных газов, происходящий в соответствии с циклом двухтактного или четырехтактного двигателя. Одновременно в противоположном конце цилиндра происходит процесс выхлопа и продувки. После запуска система линейного генератора переключается в генераторный режим при помощи коммутатора 37 и электрический ток поступает на электродвигатель 38 и аккумулятор 39.
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 12 совершают возвратнопоступательные движения и в обмотке 12 возникает электромагнитное поле и в них индуцируется электрический ток. Вырабатываемый ток передается потребителю через провода 36, клеммы 37 и коммутатор 38 ко всем потребителям системы съема нагрузки.
Одновременно с работой двигателя происходит работа системы охлаждения. Для этого по трубопроводу 35 подают в зазор 34 охлаждающую жидкость, подогретая жидкость выходит по трубопроводу 36.
При остановке двигателя вновь происходит переключение линейного генератора в режим двигателя и отключаются форсунки подачи топлива 33. При этом, для создания противодействия движению поршня, ток остановки, подаваемый на обмотку 12 может обеспечить движение поршня в направлении, обратном настоящему направлению движения поршня 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. 5).
Т. к. в процессе работы свободнопоршневого двигателя температура на обмотках 12, 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. Осутствие токосъемников приводит к повышению пожаробезопасности работы а отсутствие обмоток в зоне высоких температур повышает надежность двигателя..
Электронная система управления позволяет полностью автоматизировать процесс работы клапанов и зажигания.
Возможно изготовление двух вариантов двигателя: карбюраторного и дизельного на базе одних и тех же основных комплектующих.
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