СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
FREE-PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к двухтактным свободнопоршневым двигателям внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в качестве силовых установок для привода стационарных и мобильных машин.
Известны традиционные ДВС (четырех- и двухтактные), у которых наличие кривошипно-шатунного механизма (КШМ) обусловливает ряд непреодолимых отрицательных свойств, в числе которых: наличие большого числа вредных составляющих усилий и их реакций, вызывающих повышенный износ деталей, вибрацию и нагрев ДВС, неполное сгорание топливной смеси, что снижает КПД двигателя и обусловливает его значительные габариты и массу.
Известен дизель-гидравлический гибрид Jngocar (Журнал «Популярная механика» 2008 г.), в котором дизель закачивает текучую среду из бака в гидравлический аккумулятор, откуда подается на исполнительные механизмы. Однако существуют трудности в создании гидроаккумулятора большой емкости, а кроме того, при такой компоновке невозможно создать ДВС большой мощности с большим крутящим моментом и малыми габаритами.
7
Наиболее близким аналогом является изобретение «Силовая установка» Патент RU №2199672 (МПК F02B 71/04), опубликовано 27.02.2003 - прототип.
Силовая установка, согласно указанному патенту, содержит, по меньшей мере, по одному механизму с колебательным (возвратно-поступательно) свободнопоршневым с одним поршнем звеном и жестко связанным с ним гидроцилиндром через гидромагистрали, соединенными с гидромашиной, ротор которой жестко связан с валом.
Гидромашины установлены с зеркальным размещением рабочих элементов.
Недостатками указанного изобретения являются неполное сгорание топлива, малый КПД и большой объем занимаемого пространства.
Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности создания ДВС необходимой мощности с большими крутящим моментом и КПД, с малыми габаритами и весом и возможности использования различных видов топлива (жидкого и/или газообразного) с условием его полного сгорания.
Указанный технический результат достигается тем, что в свободнопоршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем колебательное звено с гидроцилиндрами и гидромашины, установленные с зеркальным размещением рабочих элементов и роторы которых закреплены на одном валу, колебательные звенья выполнены оппозитно и размещены параллельно валу, а гидромашины - на их противоположных сторонах перпендикулярно валу.
Кроме того:
- цилиндры сгорания с разноименными тактами размещены в направлении вращения вала;
- количество колебательных звеньев является четным;
- каждая пара цилиндров сгорания с разнофазными тактами объединена каналом перетока продуктов горения;
- канал перетока продуктов горения расположен тангенциально к цилиндрам;
- канал перетока продуктов сгорания снабжен регулятором количества перетока газов и устройством подачи топлива;
- гидроцилиндры снабжены гидроаккумуляторами с регулируемым давлением;
- корпуса колебательных звеньев объединены со статорами гидромашин, внутри которых размещены гидромагистрали;
- пусковая свеча установлена на одном из цилиндров;
- надпоршневые зоны гидроцилиндров соединены каналами.
Заявленное изобретение поясняется графическими материалами, где схематически представлена компоновочная схема наилучшего на сегодня исполнения свободнопоршневого ДВС в соответствии с заявляемым изобретением.
На фиг.1 представлен вид сбоку на ДВС в сечении А-А, на которой изображены:
цилиндр 1 камеры сгорания блока Н (ход сжатия)
поршни 1.1-1.2 камеры сгорания блока Н
цилиндр 2 камеры сгорания блока М (рабочий ход)
поршни 2.1- 2.2 камеры сгорания 2 блока М
гидроцилиндр левый 3 блока Н
гидроцилиндр правый 4 блока Н
поршень 5 левого гидроцилиидра блока Н
поршень 6 правого гидроцилиндра блока Н
шток 7 левой поршневой группы камеры сгорания блока Н
шток 8 правой поршневой группы камеры сгорания блока М
поршень 9 левого гидроцилиндра блока М
поршень 10 правого гидроцилиндра блока М
гидромашина левая 11
гидромашина правая 12
трубопровод 13 левой гидросистемы
трубопровод 14 правой гидросистемы
отверстия выхлопа 15.1-15.2 цилиндра 1 камеры сгорания блока Н
отверстия продувки 15.3-15.4 цилиндра 1 камеры сгорания блока Н
дыхательные отверстия 15.5-15.6 цилиндра 1 камеры сгорания блока Н
вал 16
маховик 17
свечи зажигания 18.1-18.2 цилиндров 1 и 2
трубопровод 19 топливной и горящей смеси
вентиль 20 объема топливной смеси
На фиг.2 представлен вид с торца на ДВС в сечении В-В, на которой изображены:
камера 21 гидромашины 12
ротор 22 гидромашины 12
шибер 23
шибер 24
каналы 25 и 26 гидромашины 12
обратные клапаны 27 и 28
полости давления 29 и 30
гидроаккумулятор 31
трубопроводы 32 гидроаккумулятора 31
На фиг.3 представлен вид ДВС в сечении С-С, на которой изображены:
цилиндры 1 и 2
трубопровод 19 топливной и горящей смеси
вентиль 20 объема топливной смеси.
Обратимся к фиг.1, на которой в сечении А-А изображены блок Н, включающий колебательные звенья (поршни 1.1 и 1.2. камеры сгорания 1, объединенные каждый штоками 7 и 8 с поршнями 5 и 6 гидроцилиндров 3 и 4 левой и правой поршневых групп) в режиме «рабочий ход» и блок М, включающий колебательные звенья (поршни 2.1 и 2.2 цилиндра 2, объединенные каждый штоками с поршнями 9 и 10 гидроцилиндров) в режиме «сжатие».
По обе стороны колебательных звеньев блоков Н и М размещены гидромашины 11 и 12, роторы которых выполнены зеркально, жестко установлены на одном валу 16, снабженном маховиком 17.
Цилиндры 1 и 2 снабжены свечами зажигания соответственно 18.1 и 18.2, отверстиями 15.1-15.2 выхлопа, отверстиями 15.3-15.4 продувки и дыхательными отверстиями 15.5-15.6 (на блоке М показаны без обозначений).
Надпоршневые области гидроцилиндров соединены каналами 13 и 14 для предотвращения «охлопывания» и синхронизации хода поршней 1.1-1.2 и 2.1 и 2.2.
Обратимся к фиг.2, на которой в сечении В-В изображена гидромашина 12 с размещенными в ее статоре ротором 22 в виде диска с впадинами, которые обеспечивают создание перемещающихся полостей давления 29 и 30 рабочего тела и каналами 25 и 26, снабженными обратными клапанами соответственно 27 и 28.
Для обеспечения постоянного заполнения рабочим телом, в качестве которого может быть использовано, например, масло для гидравлических систем или аналогичная по функциональному назначению жидкость, используется гидроаккумулятор 31 (устройство гидроаккумуляторов хорошо известны специалистам в области гидравлических систем), соединенный трубопроводами 32 с гидравлической системой.
Гидромашина снабжена шиберами 23 и 24, которые могут перемещаться при контакте с поверхностями ротора 12 и его впадин.
Свободные концы гидроцилиидров крепятся к статорам гидромашин 11 и 12.
Обратимся к фиг.3, на которой в сечении С-С изображены цилиндры 1 и 2 камер сгорания блоков Н и М, соединенные тангенциально трубопроводом 19 топлива и горящей смеси, снабженного вентилем 20 объема подачи топливной смеси.
В примере конкретного выполнения дана схема, содержащая четыре колебательных звена и две гидромашины, каждая из которых снабжена ротором с двумя впадинами. Однако ДВС может иметь большее (четное) количество колебательных звеньев, равномерно размещенных вокруг (продольно) вала, а роторы могут иметь большее количество впадин, что в совокупности обеспечивает увеличение до максимума крутящего момента, мощности и КПД ДВС.
Дополнительные устройства: для впрыска топлива, зажигания, смазки, продувки цилиндров не показаны, т.к. их функциональные и конструктивные варианты исполнения хорошо известны специалистам в этой области и могут быть выбраны для использования в предлагаемой конструкции ДВС.
Свободнопоршневой двухтактный двигатель внутреннего сгорания согласно приведенной схеме работает следующим образом.
С помощью одного из известных устройств, например электростартера, приводится во вращение вал, который, вращая роторы, с помощью шиберов вытесняет текучую среду из полостей, образованных впадинами ротора, в подпоршневую зону гидроцилиндров 3 и 4, поршни 5 и 6 гидроцилиндров через штоки 7 и 8 перемещают поршни 1.1 и 1.2 камеры сгорания блока Н, сближая их и производя тем самым такт «сжатие», по окончании которого производится поджиг топлива с помощью свечи зажигания 18.1, которое, сгорая, перемещает поршни 1.1 и 1.2, разводя их в противоположные стороны и осуществляя тем самым такт «рабочий ход», окончание которого изображено на фиг.1 блока Н, где отверстия 15.1 и 15.2 выхлопа и отверстия 15.3-15.4 продувки открыты.
Текучая среда, вытесненная из гидроцилиидров 3 и 4, перемещается в полость давления 29, вращая ротор (против часовой стрелки), при этом ранее находившаяся в этой полости текучая среда, вытесняемая шибером 24 по каналу 26, перемещается в подпоршневые полости гидроцилиндров блока М, производя такт «сжатие». Далее такты чередуются и вращают ротор 22 гидромашины 12 и синхронно зеркальный ему ротор гидромашины 11, установленный на другом конце вала 16, обеспечивая его вращение, т.е. работу двигателя в целом.
При одновременном движении поршней 1.1 и 1.2 цилиндра 1 блока Н навстречу друг другу (такт «сжатие») и друг от друга (такт «рабочий ход») в другом цилиндре 2 блока М на короткое время открывается доступ топливной смеси по трубопроводу 19 и часть горящих газов поступает из цилиндра 2 блока М в цилиндр 1 блока Н, увлекая за собой новую порцию топлива, количество которого регулируется вентилем 20 (форсунка или шибер).
Одновременно текучая среда, находящаяся в надпоршневых зонах гидроцилиндров блока Н, по каналам 13 и 14 перетекает в надпоршневые зоны соседних гидроцилиндров, перемещая их поршни 9 и 10 в противоположные стороны до открытия каналов выхлопа и продувки.
Топливная смесь подается в цилиндр I по касательной и интенсивно перемешивается, вследствие чего в конце такта «сжатие» смесь представляет собой гомогенизированную субстанцию, сгорающую наиболее эффективно.
Кроме того:
- минимальные зазоры между поршнями камеры сгорания в одном цилиндре при такте «сжатие» обеспечиваются расположением отверстий для перетока текучей среды из надпоршневой зоны одного гидроцилиндра в другой по трубопроводам левой 13 и правой 14 гидросистемы;
- степень сжатия регулируется гидроаккумулятором 31 с автоматическим регулятором давления, конструкция которого также хорошо известна специалистам в этой области.
Поступление горячего газа из цилиндра 1, в котором совершается такт «рабочий ход», в цилиндр 2 с тактом «сжатие» осуществляется по каналу 19, расположенному тангенциально по отношению к образующей цилиндров и снабженному регулятором 20 количества топлива.
При этом канал 19 расположен таким образом, что в цилиндре с тактом «рабочий ход» давление должно быть больше, чем давление в цилиндре, совершающем такт «сжатие».
Описанный цикл, многократно повторяясь, обеспечивает непрерывную работу ДВС. При этом возможно использование одной свечи зажигания только в одном цилиндре, т.к. в другом цилиндре топливо смешивается с догорающими газами.
Таким образом, может быть создан качественно новый ДВС с большими крутящим моментом и КПД, с малыми габаритами и весом и возможностью использования различных видов топлива (жидкого и/или газообразного) с условием его полного сгорания.
Например, ДВС, состоящий из четырех цилиндров, двух гидромашин, роторы которых закреплены на одном валу на противоположных сторонах колебательных звеньев и снабжены двумя впадинами каждый, при условии, что такт «рабочий ход» происходит одновременно в двух цилиндрах, расположенных диаметрально противоположно и каждый из которых содержит по два поршня, то на вал единовременно воздействуют усилия от четырех поршней при повороте на 90 градусов. Таким образом, при попарном воздействии за полный оборот в 360 градусов на вал будут воздействовать усилия от шестнадцати поршней, что позволит создать ДВС с очень большим крутящим моментом и мощностью с более рациональным использованием различных видов топлива.
Перечень графических обозначений
1 цилиндр камеры сгорания блока Н (ход сжатия)
1.1 и 1.2 - поршни камеры сгорания блока Н
2 - цилиндр камеры сгорания блока М (рабочий ход)
2.1 и 2.2 - поршни камеры сгорания блока М
3 - гидроцилиндр левый блока Н
4 - гидроцилиндр правый блока Н
5 - поршень левого гидроцилиндра блока Н
6 - поршень правого гидроцилиндра блока Н
7 - шток левой поршневой группы блока Н
8 - шток правой поршневой группы блока Н
9 - поршень левого гидроцилиндра блока М
10 - поршень правого гидроцилиндра блока М
11 - гидромашина левая
12 - гидромашина правая
13 - трубопровод левой гидросистемы
14 - трубопровод правой гидросистемы
15.1-15.2 - отверстия выхлопа камеры сгорания блока Н
15.3-15.4 - отверстия продувки камеры сгорания блока Н
15.5-15.6 - дыхательные отверстия блока Н
16 - вал
17 - маховик
18.1-18.2 - свечи зажигания цилиндров 1 и 2
19 - трубопровод топливной и горящей смеси
20 - вентиль объема топливной смеси
21 - камера гидромашины 12
22 - ротор гидромашины 12
23, 24 - шиберы
25, 26 - каналы гидромашины 12
27, 28 - обратные клапаны
29, 30 - полости давления
31 - гидроаккумулятор
32 - трубопроводы гидроаккумулятора