СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
FREE PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к четырехтактным свободнопоршневым двигателям внутреннего сгорания [F02B 71/00].
Известен СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ [RU 2711803, опубликовано: 23.01.2020], содержащий первый цилиндр, содержащий секцию сгорания, второй цилиндр, содержащий приводную секцию, выполненную с возможностью обеспечения работы сжатия во время такта сжатия двигателя, поршневой узел, расположенный между секцией сгорания и приводной секцией, причем поршневой узел выполнен с возможностью прямолинейного перемещения, и линейную электромагнитную машину, расположенную между указанными цилиндрами и выполненную с возможностью непосредственного преобразования кинетической энергии поршневого узла в электрическую энергию и с возможностью непосредственного преобразования электрической энергии в кинетическую энергию поршневого узла. Предложенный двигатель выполнен с возможностью работы с воспламенением от сжатия.
Однако данное устройство обладает недостатком:
- повышенные вибрации двигателя внутреннего сгорания из-за большого числа трущихся и вращающихся деталей;
- недостаточная эффективность работы двигателя внутреннего сгорания.
Известен СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ-КОМПРЕССОР [RU 62989, опубликовано: 10.05.2007], содержащий цилиндр двигателя с поршнем, жестко связанным с поршнем компрессора, размещенным в цилиндре компрессора соосно с поршнем двигателя, и установленный с возможностью перемещения вдоль оси цилиндров, размещенные в цилиндре двигателя клапан подачи топлива и свеча зажигания, установленные в верхней части цилиндра, впускное окно и выпускное окно, связанное через клапан с выпускным патрубком, впускной и выпускной клапаны цилиндра компрессора, отличающийся тем, что впускные и выпускные окна выполнены в крышке цилиндра двигателя, поршень компрессора снабжен возвратной пружиной, а впускной клапан цилиндра двигателя связан посредством трубопровода с ресивером.
Однако данное устройство обладает недостатком:
- повышенные вибрации двигателя внутреннего сгорания из-за большого числа трущихся и вращающихся деталей;
- недостаточная эффективность работы двигателя внутреннего сгорания.
Наиболее близким по технической сущности является СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ [RU 164887, опубликовано: 20.09.2016], содержащий цилиндропоршевую группу, включающую в себя два цилиндра, установленных в блоках цилиндров и снабженных впускным и выпускным окнами, камеру сгорания, расположенную между блоками цилиндров и объединяющую их в один общий рабочий цилиндр, два поршня рабочего цилиндра, оппозитно расположенных внутри цилиндров, каждый из которых оснащен соединительным узлом, при этом каждый поршень соединен со штоком, форсунки и свечи зажигания, установленные в камере сгорания; линейные электрические машины с постоянными магнитами, расположенные за цилиндропоршневой группой, пневматические пружины, располагающиеся после линейных электрических машин, каждая из которых содержит цилиндр и поршень, при этом поршни цилиндропоршневой группы имеют штоки, в центральной части которых размещен соответствующий транслятор линейной электрической машины с постоянными магнитами, и на противолежащем конце штока поршни пневматической пружины, отличающийся тем, что он снабжен узлами блокировки штока от поворота, каждый из которых установлен на соответствующем штоке и представляет собой стержень, размещенный в радиальном отверстии штока, оба цилиндра цилиндропоршневой группы установлены в соответствующем блоке цилиндров, которые объединены камерой сгорания так, что внешняя боковая поверхность каждого из цилиндров и внутренняя полость блока цилиндров и камеры сгорания образуют общую герметичную рубашку охлаждения с возможностью жидкостного охлаждения, в запоршневом пространстве цилиндропоршневой группы, которое заключено между поршнем и линейной электрической машиной, установлены масляные жиклеры, при этом каждый поршень снабжен маслосъемным кольцом, перед линейными электрическими машинами имеются дренажные отверстия с возможностью слива масла, каждая пневматическая пружина имеет корпус, выполненный с передним и задним фланцем и штуцерами, и цилиндр пневматической пружины установлен в корпусе таким образом, что внешняя боковая поверхность цилиндра и корпус пневматической пружины образуют герметичную рубашку охлаждения, при этом в цилиндре пневматической пружины напротив рабочего поршня располагается регулирующий поршень, который фиксируется посредством заднего фланца с возможностью регулировочного перемещения, между каждой линейной электрической машиной и передним фланцем пневматической пружины установлен датчик положения штока, при этом для обеспечения перемещения штока в корпусе линейной электрической машины и пневматической пружины имеются линейные направляющие.
Основной технической проблемой прототипа является недостаточная эффективность двигателя внутреннего сгорания из-за большого числа трущихся и вращающихся деталей.
Технический результат изобретения заключается в уменьшении вибрации и повышение надежности свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания.
Указанный технический результат достигается за счет того, что свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндропоршневую группу, включающую в себя цилиндры, блок цилиндров, впускные и выпускные окна, камеру сгорания, поршни, форсунки, свечи зажигания, отличающийся тем, что каждый поршень содержит верхнее и нижнее основания, верхнее основание поршня выполнено плоским, нижнее основание поршня выполнено коническим, а вершина конуса нижнего основания поршня имеет полукруглую форму, под каждым поршнем смонтированы боковые и центральный диски, центральный диск смонтирован на валу, боковые диски смонтированы посредством сателлитов на ступице центрального диска по обе его боковые стороны, на ободе боковых и центрального дисков с одинаковым шагом выполнены зубья конической формы, вершины зубьев и дно впадины между зубьями имеют полукруглую форму, радиус скругления вершины зубьев и дна впадины между зубьями боковых и центрального дисков равен радиусу скругления вершины конуса нижнего основания поршня, а высота конической части нижнего основания поршня равна высоте зуба боковых и центрального дисков, ширина зубчатого венца центрального диска равна ширине зубчатых венцов двух боковых дисков, причем боковые и центральный диски смещены друг относительно друга на величину ½ шага их зубьев, а высота зубьев боковых и центрального дисков равна расстоянию от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки цилиндра.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 представлен свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания, вид сбоку.
На фиг. 2 представлен свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания, вид спереди.
На фиг. 3 представлено взаимодействие поршня с зубьями боковых и центрального диска, вид А.
На фигурах обозначено: 1 - цилиндр, 2 - блок цилиндров, 3 - впускное окно, 4 - выпускное окно, 5 - впускной клапан, 6 - выпускной клапан, 7 - камера сгорания, 8 - поршень, 9 - форсунка, 10 - свеча зажигания, 11 - поддон, 12 - верхнее основание, 13 - нижнее основание, 14 - боковой диск, 15 - центральный диск, 16 - вал, 17 - подшипниковая опора, 18 - сателлит, 19 - ось, 20, 21 - вал распределительного механизма
Осуществление изобретения.
Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндропоршевую группу, включающую в себя цилиндры 1, размещенные в блоке цилиндров 2, и снабженные впускными 3 и выпускными 4 окнами, впускными 5 и выпускными 6 клапанами, камеры сгорания 7, поршни 8, форсунки 9, свечи зажигания 10. Под блоком цилиндров 2 установлен поддон 11.
Каждый поршень 8 содержит верхнее 12 и нижнее 13 основания. Верхнее основание 12 поршня 8 выполнено плоским. Нижнее основание 13 поршня 8 выполнено коническим. Вершина конуса нижнего основания 13 поршня 8 имеет полукруглую форму.
Под каждым поршнем 8 смонтированы боковые 14 и центральный 15 диски. Центральный диск 15 смонтирован на валу 16. Вал 16 смонтирован в подшипниковых опорах 17. Боковые диски 14 смонтированы посредством сателлитов 18 на ступице центрального диска 15 по обе его боковые стороны. Для исключения горизонтального смещения со ступицы центрального диска 15 сателлиты 18 смонтированы также на осях 19.
На ободе боковых 14 и центрального 15 дисков с одинаковым шагом выполнены зубья конической формы. Вершины зубьев и дно впадины между зубьями боковых 14 и центрального 15 дисков имеют полукруглую форму. Радиус скругления вершины зубьев и дна впадины между зубьями боковых 14 и центрального 15 дисков равен радиусу скругления вершины конуса нижнего основания 13 поршня 8.
Высота конической части нижнего основания 13 поршня 8 равна высоте зуба боковых 14 и центрального 15 дисков.
Ширина зубчатого венца центрального диска 15 равна ширине зубчатых венцов двух боковых дисков 14.
Боковые 14 и центральный 15 диски смещены друг относительно друга на величину ½ шага их зубьев, а высота зубьев боковых 14 и центрального 15 дисков равна расстоянию от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки цилиндра 1.
Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.
Для удобства рассмотрим рабочий цикл двигателя на примере одного цилиндра (см. Фиг. 1).
Один рабочий цикл двигателя состоит из четырех тактов, которые выполняются за поворот центрального диска 15, равному двум шагам зубьев, после чего рабочий цикл повторяется. Первый такт - впуск. Второй такт - сжатие. Третий такт - рабочий ход (расширение). Четвертый такт - выпуск. Один такт выполняется при ходе поршня от одного крайнего положения к другому крайнему положению, которые называются верхняя мертвая точка (ВМТ) и нижняя мертвая точка (НМТ).
В первом такте поршень опускается вниз от ВМТ к НМТ. Объем рабочей камеры цилиндра увеличивается, вследствие чего в ней создается разрежение. Одновременно с помощью вала распределительного механизма (ГРМ) 20 открываются впускные клапаны 5. В цилиндр 1 через впускное окно 3 засасывается горючая смесь. Как только поршень 8 достигает НМТ цилиндра 1 впускные клапаны 5 закрываются. При этом нижнее основание 13 поршня 8 смешается с полукруглой вершины зубьев боковых 14 и центрального дисков 15 ко дну впадин между зубьями боковых 14 и центрального 15 дисков, смещая боковые диски 14 влево, а центральный диск 15 вправо. На этом завершается такт впуска.
Во втором такте сжатия поршень 8 перемещается от НМТ к ВМТ цилиндра 1, а за счет полученной ранее инерции от боковых 14 и центрального дисков 15 вершина нижнего основания 13 поршня 8, имеющая полукруглую форму, смещается в направлении от дна впадин между зубьями боковых 14 и центрального 15 дисков в сторону вершин зубьев боковых 14 и центрального дисков 15. При этом впускные 5 и выпускные 6 клапаны закрыты. В этом случае объем камер сгорания 7 цилиндров 1 уменьшается, сжимая горючую смесь. При сжатии температура горючей смеси увеличивается. В конце такта сжатия, при подходе поршня 8 к ВМТ цилиндра 1 давление горючей смеси в цилиндре 1 и температура горючей смеси увеличиваются. Также на опережение срабатывает свеча зажигания 10, между электродами которой появляется электрическая искра, в результате чего горючая смесь в цилиндре 1 воспламеняется и начинает сгорать. При достижении верхним основанием 12 поршня 8 ВМТ цилиндра 1, а полукруглой вершиной нижнего основания 13 поршня 8 вершин зубьев боковых 14 и центрального дисков 15 такт сжатия завершается.
В третьем такте рабочего хода (расширения) в цилиндрах 1 происходит пик сгорания рабочей смеси, при которой выделяется значительное количество тепловой энергии, а также увеличивается температура продуктов сгорания горючей смеси. Под давлением расширяющихся газов в цилиндре 1 поршень перемещается от ВМТ к НМТ цилиндра 1. При этом нижнее основание 13 поршня 8 смешается с полукруглой вершины зубьев боковых 14 и центрального дисков 15 в сторону дна впадин между зубьями боковых 14 и центрального 15 дисков, смещая боковые диски 14 влево, а центральный диск 15 вправо. В этом случае, при смещении центрального диска 15 и через зубчатое зацепление, расположенное во внутренней полости ступицы и на внешней поверхности вала 16, передает крутящий момент валу 16. При достижении верхним основанием 12 поршня 8 НМТ цилиндра 1 и, соответственно, нижнего основания 13 поршня 8 дна впадин между зубьями боковых 14 и центрального 15 дисков, такт рабочего хода (расширения) завершается.
При такте выпуска поршень 8 перемещается от НМТ к ВМТ цилиндра 1, а за счет полученной ранее инерции от боковых 14 и центрального дисков 15 вершина нижнего основания 13 поршня 8, имеющая полукруглую форму, смещается в направлении от дна впадин между зубьями боковых 14 и центрального 15 дисков в сторону вершин зубьев боковых 14 и центрального дисков 15. Вал распределительного механизма 21 открывает выпускные клапаны 6 и поршень 8 выдавливает из камеры сгорания 7 цилиндра 1 отработавшие газы. При подходе поршня 8 к ВМТ цилиндра 1 выпускные клапаны 6 закрываются. Как только выпускные клапаны 6 полностью перекроют выпускные окна 4, верхнее основание 12 поршня 8 достигнет ВМТ цилиндра 1, а полукруглая вершина нижнего основания 13 поршня 8 достигнет вершины зубьев боковых 14 и центрального дисков 15, такт выпуска будет завершен.
На этом завершается один полный цикл работы свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания.
Выполнение нижнего основания 13 поршня 8 коническим, причем вершина конуса имеет полукруглую форму радиусом, равным радиусу скругления вершины зубьев и дна впадины между зубьями боковых и центрального дисков, позволяет добиться плавности перемещения поршня 8 между зубьями в процессе его перемещения от ВМТ к НМТ цилиндра 1 и, тем самым, уменьшить вибрации и стуки свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания.
Выполнение вершин зубьев и дна впадины между зубьями также полукруглой формы, причем радиус скругления вершин зубьев и дна впадины между зубьями боковых 14 и центрального 15 дисков равен радиусу скругления вершины конуса нижнего основания 13 поршня 8 также обеспечивает плавность перемещения поршня 8 между зубьями в процессе его перемещения от ВМТ к НМТ цилиндра 1 и, тем самым, уменьшить вибрации и стуки свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания.
Выполнение высоты зубьев боковых 14 и центрального 15 дисков равным расстоянию от ВМТ до НМТ цилиндра 1 и, соответственно, высота конической части нижнего основания 13 поршня 8 равна высоте зуба боковых 14 и центрального 15 дисков, обеспечивает не только максимальный контакт нижнего основания 13 поршня 8 с зубьями боковых 14 и центрального 15 дисков и эффективную передачу крутящего момента с центрального диска 15 на вал 16, но и исключает удары скругленной вершины конуса нижнего основания 13 поршня 8 о дно впадины между зубьями боковых 14 и центрального 15 дисков. Этим также обеспечивается снижение вибрации и повышение надежности свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания.
Выполнение ширины зубчатого венца центрального диска 15 равным ширине зубчатых венцов двух боковых дисков 14 обеспечивает равномерный износ зубьев и, тем самым, снижает не только вибрации и стуки свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания в процессе его эксплуатации, но и повышает его надежность.
Установка центрального диска 15 на валу 16 позволяет с максимальной эффективностью передавать крутящий момент, получаемый от взаимодействия поршня 8 с зубьями боковых 14 и центрального 15 дисков, и с минимальными вибрационными нагрузками.
Установка боковых дисков 14 посредством сателлитов 18 на ступице центрального диска 15 по обе его боковые стороны позволяет равномерно распределить нагрузку нижнего основания 13 поршня 8 на зубья боковых 14 и центрального 15 дисков и исключить отклонения центрального диска 15 от вертикали, что также гарантированно исключит удары скругленной вершины конуса нижнего основания 13 поршня 8 о дно впадины между зубьями боковых 14 и центрального 15 дисков. Этим также обеспечивается снижение вибрации и повышение надежности свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания.
Наличие осей 19 позволяет исключить смещения сателлитов 18 со ступицы центрального диска 15, что также обеспечит снижение вибрации и повышение надежности свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания.
Смещение боковых и центрального 15 дисков друг относительно друга на величину ½ шага их зубьев гарантированно исключит одновременного нахождения скругленной вершины конуса нижнего основания 13 поршня 8 на вершинах зубьев боковых 14 и центрального 15 дисков и обеспечит надежность передачи крутящего момента центральным диском 15 на вал 16.
В конечном счете, отсутствие щек и противовесов на валу 16 в заявленной конструкции свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания также обеспечит снижение вибрации не только вала 16, но и свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания в целом.
Применение заявленного свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания обеспечит уменьшение вибрации и повышение надежности.