СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
FREE PISTON ENGINE

Область техники
Настоящее изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания и, в частности, к области двигателей внутреннего сгорания, имеющих свободный поршень.
Уровень техники
Двигатели внутреннего сгорания известны. Наиболее распространенными типами поршневых двигателей являются двухтактные двигатели и четырехтактные двигатели. Двигатели этих типов содержат относительно большое количество деталей и для должного функционирования требуют наличия многочисленных вспомогательных систем, например, систем смазывания, систем охлаждения, систем управления впускными и выпускными клапанами и т.п.
Сущность изобретения
Некоторые варианты могут включать двигатель внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания может включать блок двигателя, цилиндр, задающий, по меньшей мере, одну камеру сгорания в блоке двигателя, и расположенный в цилиндре поршень. Поршень, который может представлять собой двухсторонний поршень, может быть выполнен с возможностью перемещения в первом такте от одного конца цилиндра к его противоположному концу и может быть выполнен с такими размерами относительно цилиндра, чтобы получить в первом такте стадию расширения, на которой поршень перемещается под действием давления расширяющегося газа, и стадию движения по инерции, занимающую оставшуюся часть этого такта после стадии расширения. С поршнем может быть соединена, по меньшей мере, одна секция штока, которая может проходить из области внутри упомянутой, по меньшей мере, одной камеры сгорания в область снаружи цилиндра. В секции штока может быть создана, по меньшей мере, одна полость, которая задает проход, создающий между упомянутой, по меньшей мере, одной камерой сгорания и областью снаружи цилиндра связь, обеспечивающую протекание газа. Упомянутая, по меньшей мере, одна полость может быть выполнена таким образом, что при нахождении поршня в первом такте на стадии движения по инерции после стадии расширения эта полость создает между упомянутой, по меньшей мере, одной камерой сгорания и областью снаружи цилиндра постоянную связь, обеспечивающую протекание газа.
В некоторых вариантах проход или полость в штоке могут создавать связь, обеспечивающую протекание газа, между упомянутой, по меньшей мере, одной камерой сгорания и областью снаружи цилиндра.
Упомянутая, по меньшей мере, одна полость может быть выполнена таким образом, что при нахождении поршня в первом такте на стадии движения по инерции после стадии расширения эта полость создает между упомянутой, по меньшей мере, одной камерой сгорания и областью снаружи цилиндра постоянную связь, обеспечивающую протекание газа.
В некоторых вариантах, по существу, в течение всей стадии расширения в первом такте, выполняющейся на той стороне поршня, где находится первая камера сгорания, существует поток газа между второй камерой сгорания и впускным коллектором на втором конце цилиндра.
В некоторых вариантах на всей стадии движения по инерции в первом такте, выполняющейся на той стороне поршня, где находится первая камера сгорания, происходит сжатие газа во второй камере сгорания.
В некоторых вариантах поршень дополнительно выполнен с возможностью перемещения во втором такте от второго конца цилиндра к его первому концу и выполнен с такими размерами относительно цилиндра, чтобы получить во втором такте стадию расширения, на которой поршень перемещается под действием давления расширяющегося газа, и стадию движения по инерции, занимающую оставшуюся часть этого такта после стадии расширения.
В некоторых вариантах цилиндр и двухсторонний поршень выполнены с такими размерами, что общее расстояние, на которое поршень перемещается во время первого такта, значительно превышает расстояние, на которое этот поршень перемещается на стадии расширения в этом такте.
На боковой стенке цилиндра может быть расположен, по меньшей мере, один порт, который создает связь, обеспечивающую протекание газа, между первой камерой сгорания и областью снаружи цилиндра, когда поршень находится с той же стороны этого порта, что и вторая камера сгорания, и который создает связь, обеспечивающую протекание газа, между второй камерой сгорания и областью снаружи цилиндра, когда поршень находится с той же стороны этого порта, что и первая камера сгорания.
Проходы в секциях штока, расположенных с противоположных сторон поршня, могут быть выполнены таким образом, что отсутствует газообмен между цилиндром и областью снаружи цилиндра по пути, пересекающему обе торцевых поверхности двухстороннего поршня.
Двухсторонний поршень может иметь длину, измеряемую от одной его торцевой поверхности до другой, которая меньше или равна 1/2 расстояния от первой и/или второй головок цилиндра до выпускного порта.
В некоторых вариантах длина двухстороннего поршня, длина цилиндра, местоположение средства выпуска и местоположение открытой области для доступа в канал в первой и второй секциях штока выбраны таким образом, что, когда поршень находится в положении, соответствующем стадии расширения в первой камере сгорания, он блокирует связь средства выпуска с этой камерой, и открытая область для доступа в первый канал, созданная в первой секции штока, находится снаружи этой камеры, при этом средство выпуска имеет связь, обеспечивающую протекание текучей среды, со второй камерой сгорания, и открытая область для доступа во второй канал находится внутри второй камеры сгорания.
Другие аспекты изобретения могут относиться к поршневому кольцу различной конструкции. Например, непрерывное, не имеющее зазора поршневое кольцо может быть выполнено таким образом, что при нагреве оно деформируется в поршне в осевом направлении.
Согласно другим аспектам, поршневое кольцо, расположенное в канавке, может иметь геометрию с изгибами, такую, чтобы форма этого кольца отличалась от формы канавки, и такую, чтобы при установке это кольцо не полностью занимало канавку, причем поршневое кольцо изготовлено из такого материала, чтобы при его нагреве форма изгибов изменялась, что позволяет этому кольцу расширяться в поршне в осевом направлении между краями канавки. Изгибы могут иметь форму волны, и гребни волны поочередно идут к противоположным краям канавки.
Поршневое кольцо может быть изготовлено таким образом, что при нагреве оно расширяется в поршне в осевом направлении, а не в радиальном.
Выше в обобщенном виде описаны всего лишь несколько примерных аспектов изобретения. Необходимо понимать, что приведенное выше обобщенное описание и приведенное далее подробное описание являются иллюстративными, приведены только для пояснения и не накладывают ограничений на это изобретение, которое определено в пунктах Формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 приведен общий вид свободно-поршневого двигателя, соответствующего настоящему изобретению;
На Фиг.2 приведен вид двигателя, показанного на Фиг.1, с местным разрезом, когда поршень находится в верхней мертвой точке на левой стороне цилиндра;
На Фиг.3 приведен вид двигателя, показанного на Фиг.1, с местным разрезом, когда поршень находится в такте на стадии движения по инерции, и на правой стороне двигателя начинается фаза сжатия газа;
На Фиг.4 приведен вид двигателя, показанного на Фиг.1, с местным разрезом, когда сжатие на правой стороне цилиндра продолжается после того, что показано на Фиг.3;
На Фиг.5 приведен вид двигателя, показанного на Фиг.1, с местным разрезом, при дальнейшем сжатии на правой стороне цилиндра после того, что показано на Фиг.4;
На Фиг.6 приведен вид двигателя, показанного на Фиг.1, с местным разрезом, при дальнейшем сжатии на правой стороне цилиндра после того, что показано на Фиг.5;
На Фиг.7 приведен вид двигателя, показанного на Фиг.1, с местным разрезом, когда поршень находится в верхней мертвой точке на правой стороне цилиндра;
На Фиг.8 приведен вид двигателя, показанного на Фиг.1, с местным разрезом, когда поршень находится в такте на стадии движения по инерции, и на левой стороне двигателя начинается фаза сжатия газа;
На Фиг.9 приведен вид двигателя, показанного на Фиг.1, с местным разрезом, когда сжатие на левой стороне цилиндра продолжается после того, что показано на Фиг.8;
На Фиг.10 приведен вид двигателя, показанного на Фиг.1, с местным разрезом, при дальнейшем сжатии на левой стороне цилиндра после того, что показано на Фиг.9;
На Фиг.11 приведен вид двигателя, показанного на Фиг.1, с местным разрезом, при дальнейшем сжатии на левой стороне цилиндра после того, что показано на Фиг.10;
На Фиг.12, аналогично Фиг.2, показано нахождение поршня в верхней мертвой точке на левой стороне цилиндра;
На Фиг.13 приведен общий вид узла поршня, который может использоваться с двигателем, показанным на Фиг.1 и 2;
На Фиг.14 приведен общий вид центрального диска в узле поршня, показанном на Фиг.13;
На Фиг.15 приведен общий вид левого диска в узле поршня, показанном на Фиг.13;
На Фиг.16 приведен общий вид правого диска в узле поршня, показанном на Фиг.13;
На Фиг.17 приведен общий вид поршневого кольца, которое может использоваться с узлом поршня, показанным на Фиг.13;
На Фиг.18 приведен вид сбоку поршневого кольца, показанного на Фиг.17;
На Фиг.19 приведен вид спереди поршневого кольца, показанного на Фиг.17;
На Фиг.20 приведен общий вид узла поршня, показанного на Фиг.13, с поршневым кольцом, показанным на Фиг.17;
На Фиг.21 приведен вид сбоку узла поршня с поршневым кольцом, показанного на Фиг.20, который установлен на секциях штока, показанных на Фиг.2;
На Фиг.22 приведен другой общий вид узла поршня с поршневым кольцом, показанного на Фиг.20, который установлен на секциях штока, показанных на Фиг.2, при отличающихся впускных портах; и
На Фиг.23 приведен общий вид двигателя, показанного на Фиг.1, с местным разрезом.
Подробное описание вариантов реализации изобретения
Настоящее изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Хотя здесь описаны примерные свободно-поршневые двигатели, необходимо отметить, что настоящее изобретение не ограничивается свободно-поршневыми двигателями. Предполагается, что указанные выше принципы могут быть применены также и к другим двигателям внутреннего сгорания.
Двигатель внутреннего сгорания, соответствующий настоящему изобретению, может включать блок двигателя. "Блок двигателя", также понимаемый как "блок цилиндров", может включать являющуюся его неотъемлемой частью конструкцию, которая включает, по меньшей мере, один цилиндр, в который помещен поршень. В случае свободно-поршневого двигателя, блок двигателя может включать один цилиндр или множество цилиндров.
Согласно настоящему изобретению, цилиндр может задавать, по меньшей мере, одну камеру сгорания в блоке двигателя. В некоторых двигателях внутреннего сгорания, соответствующих настоящему изобретению, камера сгорания может находиться только на одной стороне цилиндра в блоке двигателя. Другие двигатели внутреннего сгорания, соответствующие настоящему изобретению, могут включать две камеры сгорания, по одной на каждой стороне цилиндра в блоке двигателя.
Варианты реализации настоящего изобретения могут, кроме того, включать поршень, расположенный в цилиндре. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, которое используется в свободно-поршневом двигателе, с противоположных сторон поршня могут находиться две головки. В некоторых вариантах реализации изобретения поршень можно считать установленным в цилиндре "с возможностью скольжения". Это означает, что поршень скользит в цилиндре от одной стороны этого цилиндра до другой. Хотя здесь описаны некоторые примеры поршня, объем изобретения не ограничивается конкретными конфигурациями или конструкциями поршня.
На Фиг.1 и 2 показан примерный вариант свободно-поршневого двигателя 10, соответствующего настоящему изобретению. Свободно-поршневой двигатель 10, который здесь иногда называется просто "двигателем", является одним из примеров двигателя внутреннего сгорания и включает блок 8 двигателя. В состав блока двигателя может входить цилиндр 12, задающий, по меньшей мере, одну камеру сгорания и имеющий продольную ось А симметрии, а также двухсторонний поршень 50, установленный в этом цилиндре с возможностью возвратно-поступательного перемещения. Двухсторонний поршень 50 может быть выполнен с возможностью перемещения в первом такте от первого конца цилиндра к его противоположному, второму концу, и во втором такте - от второго конца цилиндра обратно к его первому концу. На Фиг.7 - Фиг.12 показано примерное движение поршня 50 от первого конца цилиндра к его второму концу. С поршнем может быть соединена, по меньшей мере, одна секция штока, которая может проходить из области внутри упомянутой, по меньшей мере, одной камеры сгорания в область снаружи цилиндра. В том виде, как он здесь используется, термин "секция штока" означает любую часть штока, или стержня, проходящего от поршня. В некоторых вариантах секция штока может представлять собой часть одного элемента, проходящего через поршень насквозь. В других вариантах секция штока может представлять собой часть штока, проходящую только от одной поверхности поршня.
В качестве примера, как показано на Фиг.3, вторая секция 42 штока может быть соединена с одной торцевой поверхностью поршня 50 и может проходить из области внутри упомянутой, по меньшей мере, одной камеры сгорания в область 45 снаружи цилиндра. Аналогичным образом, первая секция 43 штока может проходить от противоположной торцевой поверхности двухстороннего поршня 50 в другую область снаружи цилиндра, область 47. Секции 42, 43 штока могут быть частями единого целого или могут быть полностью обособленными элементами, каждый из которых проходит от соответствующей из противоположных сторон поршня 50.
Область снаружи цилиндра (например, области 45 и 47) может включать впускной коллектор, находящийся на каждом из концов цилиндра и выполненный с возможностью подачи газа, обеспечивающего сжигание, в каждую из камер сгорания, расположенных на противоположных концах цилиндра, из одного или более источников этого газа, находящихся снаружи этого цилиндра, или выпускной коллектор, выполненный с возможностью приема газообразных продуктов сжигания из камер сгорания и их направления на расстояние от цилиндра для последующей обработки выхлопа. При этом, например, имеется проход в секции штока, выполненный с возможностью ввода газа, обеспечивающего сжигание, в камеру сгорания из области снаружи цилиндра. В одном варианте областями 45, 47 снаружи цилиндра могут называться просто любые области, находящиеся со стороны головок 14, 15 цилиндра, противоположной той, с которой находится цилиндр 12, вне зависимости от того, имеет ли эта область непосредственный контакт с этими головками. Допускается, что могут быть обеспечены порты для ввода газа из одного коллектора или другого источника, находящегося сбоку цилиндра, а не из двух источников, каждый из которых находится на соответствующем из концов цилиндра. Таким образом, если говорить в общем, упомянутые области снаружи цилиндра могут находиться на концах цилиндра, сбоку цилиндра или может использоваться комбинация указанного.
Согласно вариантам реализации изобретения, каждая секция штока может иметь, по меньшей мере, одну полость, задающую проход, создающий связь, обеспечивающую протекание газа, между упомянутой, по меньшей мере, одной камерой сгорания и областью снаружи цилиндра. В том значении, как здесь используется, "полость" может представлять собой любые элемент или пространство, создающие связь, обеспечивающую протекание газа. Она может представлять собой, например, канал или тракт, которые полностью или отчасти находятся, по меньшей мере, в некоторой области секции штока. Или полость может представлять собой одну или более открытых канавок или других выемок, которые созданы, по меньшей мере, в некоторой области секции штока.
Например, в некоторых примерных вариантах двигателя, соответствующего этому изобретению, упомянутые одна или более полостей, задающих проходы в секциях штока, могут быть получены путем удаления материала секций 42, 43 штока. В некоторых модификациях проход может представлять собой канавку или канавки, созданные на внешней поверхности секции штока. В других модификациях разные участки секций штока могут иметь разный внешний диаметр. Участки уменьшенного диаметра могут создавать один или более зазоров, через которые может протекать газ. В качестве альтернативы, упомянутые одна или более полостей, задающих проходы, могут представлять собой канал, проходящий внутри секции штока. В качестве еще одной альтернативы, полость может быть получена путем удаления части материала внутри секции штока в некоторых зонах и удаления снаружи в других зонах (например, внешняя канавка, паз и т.д.). В каждой секции штока может быть создан, по меньшей мере, один порт, который имеет связь, обеспечивающую протекание текучей среды, с проходом в этой секции, что позволяет газу входить в проход через этот порт и/или выходить из прохода через него.
В качестве примера, если обратиться к Фиг.22, каждая секция 42, 43 штока может включать полость 53, 55, соответственно (например, полученную в результате удаления материала из внутренней части этой секции), которая задает проход, или канал, создающий связь, обеспечивающую протекание газа, между камерой 49, 51 сгорания (см. Фиг.5 и Фиг.10, соответственно) и соответствующей областью 45, 47 снаружи цилиндра 12. Область, где удален материал, например, может представлять собой центральное отверстие в секции штока.
Как показано на Фиг.5, первая камера 49 сгорания может быть задана в области 49 между торцевой поверхностью поршня 50 и первой головкой 14 цилиндра 12. Аналогичным образом, как показано на Фиг.10, вторая камера 51 сгорания может быть задана между другой торцевой поверхностью поршня 50 и противоположной головкой 15 цилиндра 12. Разумеется, необходимо понимать, что каждая из камер сгорания является областью с изменяющимися размерами, которая, по существу, представляет собой пространство с переменным объемом с каждой стороны поршня, и размер которой уменьшается при перемещении поршня от одного конца цилиндра к его противоположному концу.
Показанные на Фиг.22 проходы, или полости, 53,55 приведены только в качестве примера. Например, как показано, полости проходят чуть дальше портов 44 и заканчиваются, не достигнув поршня 50. В этом изобретении возможно множество других конфигураций. Например, полости 53, 55 могут проходить вплоть до поршня, либо могут проходить дальше за одну торцевую поверхность поршня, "пересекая" ее. В предпочтительном варианте проходы 53, 55 не имеют друг с другом связи, обеспечивающей протекание текучей среды.
В одном примерном варианте, который показан на чертежах, имеются один или более портов 44, которые могут быть организованы в две группы, т.е., внутреннюю группу 46, которая является ближней к поршню 50, и внешнюю группу 48, которая является дальней от этого поршня. Порты 44 могут служить средствами впуска, служащими для подачи газа в цилиндр через полости 53, 55. Вместо двух групп впускных портов 44 может применяться только одна группа, или может применяться больше двух групп этих портов, расположенных с интервалом вдоль секций 42 штока. Помимо этого, впускные порты необязательно организовывать в группы, пока имеется достаточная открытая область для подачи газа в каналы в секциях штока, заданные полостями 53, 55.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, первый проход и второй проход в секциях штока могут быть выполнены таким образом, чтобы отсутствовал газообмен между цилиндром и областью снаружи цилиндра по пути, пересекающему первую и вторую торцевые поверхности поршня. Например, две секции 42, 43 штока, проходящие от противоположных торцевых поверхностей двухстороннего поршня 50, могут быть выполнены как единое целое, или могут быть соединены друг с другом не напрямую, а посредством этого поршня. При этом секции штока не будут соединены друг с другом проходом для протекания газа. При такой конструкции между цилиндром и областью снаружи него не будет возникать потока газа, который пересекает как первую, так и вторую торцевые поверхности двухстороннего поршня 50. Таким образом, полости и/или проходы в каждой секции штока могут быть обособленными друг от друга и могут проходить через разные секции этого штока.
Если головка цилиндра на каждой из сторон блока двигателя включает впускной коллектор (например, соединена с ним или выполнена с ним как единое целое), проход в первой секции штока может создавать связь, обеспечивающую протекание газа, между первой камерой сгорания и впускным коллектором, находящимся на первом конце цилиндра, и проход во второй секции штока может создавать связь, обеспечивающую протекание газа, между второй камерой сгорания и впускным коллектором, находящимся на втором конце цилиндра. Таким образом, например, если обратиться к Фиг.10, газ из камеры 32 впуска газа, обеспечивающего сжигание, которая имеется во впускном коллекторе 26, может поступать в камеру сгорания, когда порты 46, 48 обеспечивают связь с головкой 14 цилиндра.
Цилиндр, соответствующий вариантам реализации изобретения, может быть закрыт с обоих концов. Например, цилиндр 12 двигателя 10 может быть закрыт с обоих его концов головками 14, 15 цилиндра, которые могут быть соединены с этим цилиндром при помощи множества болтов 16. В том виде, как он здесь используется, термин "закрытый" не подразумевает полного закрывания. Например, несмотря на то, что головки цилиндра могут иметь отверстия, через которые проходят секции 42, 43 штока, эти головки по-прежнему считаются "закрытыми" в пределах значения, которое используется в этом изобретении.
Боковая область цилиндра 12 может быть снабжена ребрами 24 охлаждения. Двигатель 10 с альтернативной конструкцией может включать другие внешние или внутренние средства, способствующие охлаждению цилиндра, например, проходы для воды, созданные в стенках цилиндра, или водяную рубашку, по меньшей мере, на части этих стенок, обеспечивающую водяное охлаждение, а также ребра охлаждения другой конструкции или другие средства, облегчающие теплопередачу за счет теплопроводности и/или конвекции, которые находятся на внешней поверхности боковой стенки цилиндра, для улучшения охлаждения цилиндра при помощи текучей среды.
Кроме того, согласно примерным вариантам реализации изобретения, боковая стенка цилиндра, проходящая между его первым и вторым концами, может включать, по меньшей мере, один выпускной порт. Только в качестве примера, цилиндр 12 может включать, по меньшей мере, один выпускной порт 18 на его боковой стенке, проходящей между его первым и вторым концами. В примерном варианте, показанном на Фиг.2 - Фиг.12, по окружности цилиндра, приблизительно посередине между его концами, может быть создано множество распределенных выпускных портов 18, находящихся на расстоянии друг от друга. Выпускные порты 18 могут иметь любые подходящие размеры, форму и распределение, позволяющие газу выходить из цилиндра. Как показано на чертежах, один или более выпускных портов, например, могут находиться в центральной, если смотреть в осевом направлении, части боковой стенки цилиндра. Хотя в примерном варианте, показанном на чертежах, конфигурация является симметричной, когда выпускные порты 18 находятся посередине между концами цилиндра, в альтернативных вариантах выпускные порты могут находиться в одной или более радиальных плоскостях, пересекающих боковую стенку цилиндра в других местах, а не точно посередине между головками 14, 15 цилиндра.
Согласно некоторым примерным вариантам реализации изобретения, по меньшей мере, один порт может создавать связь, обеспечивающую протекание газа, между первой камерой сгорания и областью снаружи цилиндра, когда поршень находится с той же стороны от этого порта, что и вторая камера сгорания, и может создавать связь, обеспечивающую протекание газа, между второй камерой сгорания и областью снаружи цилиндра, когда поршень находится с той же стороны от этого порта, что и первая камера сгорания. Только в качестве примера, это может иметь место, когда, как показано на Фиг.5, поршень 50 находится справа от портов 18, что делает возможным протекание газа через порт 18 из камеры сгорания, находящейся слева от этого поршня. Порты 18 позволяют газу протекать в область "снаружи" камеры сгорания. Эта внешняя область может находиться рядом с цилиндром, как показано, или каналы (не показаны), связанные с двигателем, могут транспортировать газ в другие области.
Впускной коллектор 26 может быть соединен c каждой из головок 14, 15 цилиндра на противоположных концах цилиндра 12 или может быть выполнен с каждой из них как единое целое. Впускной коллектор 26 может включать отверстие 28 для установки штока, ось которого совпадает с продольной осью А, и одно или более впускных отверстий 30, которые могут быть расположены на дальнем конце этого коллектора, как показано, или в любом месте на внешней поверхности этого коллектора. Упомянутые одно или более впускных отверстий 30 во впускном коллекторе 26 могут быть выполнены с возможностью подавать впускаемый газ во впускной коллектор в направлении, поперечном продольной оси А. Внутреннее пространство впускного коллектора 26 может задавать камеру 32 впуска. Хотя на Фиг.1 - Фиг.12 и Фиг.23 показано, что в примерном варианте впускной коллектор имеет цилиндрическую форму, в альтернативных вариантах могут быть обеспечены один или более впускных коллекторов другой формы или с другим поперечным сечением, либо в таких вариантах впускные коллекторы могут, по меньшей мере, отчасти находиться в головках 14, 15 цилиндра, то есть, включать один или более внутренних проходов, созданных внутри этих головок, имеющихся на каждом конце цилиндра 12.
Каждая из головок 14, 15 цилиндра может дополнительно включать один или более инжекторов 34, обращенных в камеры сгорания на каждом конце цилиндра 12 и открытых в кольцевую или тороидальную выемку 36, которая создана на той поверхности головки цилиндра на каждом конце цилиндра 12, где происходит воспламенение, или которая является смежной этой поверхности. Выемка 36 тороидальной формы может создавать вихревой поток газообразного топлива, вводимого при помощи инжекторов 34, чтобы обеспечить более полное его сжигание в камерах сгорания. Головки 14, 15 цилиндра могут также иметь одну или более открытых областей для установки одной или более свеч 38 зажигания и втулок 40, служащих для относительного выравнивания, обеспечения опоры, задания направления и герметизации (при помощи специального уплотнения) секций 42, 43 штока, опорой которым служат эти головки на противоположных концах цилиндра 12, и которые через эти головки проходят. Это один пример того, как секции штока могут проходить от торцевых поверхностей двухстороннего поршня через камеры сгорания. Вне зависимости от конкретных характеристик какого-либо отверстия, через которое могут проходить секции штока на концах цилиндра, в пределах объема этого изобретения считается, что секция штока, которая проходит, по меньшей мере, до конца цилиндра, проходит также через камеру сгорания.
Двухсторонний поршень, соответствующий вариантам реализации изобретения, может быть выполнен с возможностью перемещения в первом такте от первого конца цилиндра до противоположного, второго конца цилиндра, и во втором такте - от второго конца цилиндра обратно к его первому концу. Величина этого перемещения, только в качестве примера, показана на Фиг.2 - Фиг.7, где на Фиг.2 показан конец первого такта, на Фиг.7 показан конец второго такта, и на Фиг.3 - Фиг.6 показаны промежуточные положения.
Согласно различным примерным вариантам реализации настоящего изобретения, поршень может быть выполнен с такими размерами относительно цилиндра, чтобы в каждом такте имелась стадия расширения, на которой поршень перемещается под действием давления расширяющегося газа, и стадия движения по инерции в оставшейся части такта после стадии расширения. Стадия расширения в каждом из первого и второго тактов перемещения поршня представляет собой зону перемещения, в которой поршень движется непосредственно под действием давления, возникающего в результате расширения при сжигании. Например, стадия расширения в такте может быть задана как зона от положения поршня "Верхняя мертвая точка" (ВМТ) на каждом конце цилиндра до точки, в которой может начаться газообмен между камерой сгорания, в которой только что было выполнено поджигание топливно-воздушной смеси, и областью снаружи цилиндра.
Когда поршень находится в положении ВМТ в каждом такте, между соответствующими торцевой поверхностью двухстороннего поршня и концом цилиндра, закрытого одной из головок 14, 15, остается "мертвое" пространство. Топливно-воздушная смесь, введенная в камеру сгорания перед тем, как поршень достигнет положения ВМТ, сжимается до получения остающегося с этой стороны поршня мертвого пространства между его торцевой поверхностью и поверхностью воспламенения в головке цилиндра. Сжатый газ, который обычно представляет собой топливно-воздушную смесь, можно поджигать либо при помощи искрового разряда, либо за счет самовоспламенения, по меньшей мере, отчасти являющегося результатом сжатия топливно-воздушной смеси. Стадия расширения в каждом такте начинается после поджигания сжатой топливно-воздушной смеси, когда энергия химических реакций при сжигании в каждой камере сгорания превращается в механическую энергию поршня. Одновременно с расширением, происходящим в каждом такте на стадии расширения с одной стороны поршня, по существу, на всей этой стадии может существовать поток газа между камерой сгорания, находящейся с противоположной стороны поршня, и впускным коллектором, находящимся на противоположном конце цилиндра, а также выпускным коллектором 20, находящимся в середине боковой стенки цилиндра.
Как показано на Фиг.2, когда в такте, происходящем в направлении от левого конца цилиндра к его правому концу, начинается стадия расширения, может существовать поток газа между камерой сгорания, находящейся с правой стороны поршня, и впускным коллектором 26, находящимся на правой стороне цилиндра, а также между этой камерой сгорания и выпускным коллектором 20 через выпускные порты 18. Связь, обеспечивающая протекание газа, между камерой сгорания, находящейся с правой стороны поршня, и выпускным коллектором может оставаться до тех пор, пока правая торцевая поверхность поршня не переместится дальше находящихся в центре выпускных портов 18, при этом поршень будет работать как выпускной клапан, который прерывает связь между этой правой камерой сгорания и выпускным коллектором. В дополнение к этому, перед тем, как поршень 50 полностью прервет связь с выпускными портами 18, впускные порты 44, ближние к правой торцевой поверхности этого поршня, могут переместиться наружу из правой камеры сгорания, что приведет к прерыванию связи, обеспечивающей протекание газа, между правым впускным коллектором 26 и этой камерой посредством правой секции 42 штока.
Согласно некоторым вариантам, длина двухстороннего поршня, длина цилиндра, местоположение средства выпуска и местоположение открытой области для доступа в канал в первой и второй секциях штока могут быть выбраны таким образом, что, когда поршень находится в положении, соответствующем стадии расширения в первой камере сгорания, он блокирует связь средства выпуска с этой камерой, и открытая область для доступа в первый канал, созданная в первой секции штока, находится снаружи этой камеры, при этом средство выпуска имеет связь, обеспечивающую протекание текучей среды, со второй камерой сгорания, и открытая область для доступа во второй канал находится внутри второй камеры сгорания. Это можно реализовать при помощи различных альтернативных конструкций. Только в качестве примера, если обратиться к чертежам, длина двухстороннего поршня 50, длина цилиндра 12, местоположение выпускных портов 18 и местоположение впускных портов 44 в первой и второй секциях 42, 43 штока, проходящих от противоположных торцевых поверхностей поршня 50, могут быть выбраны таким образом, что, когда поршень находится в положении, соответствующем стадии расширения в первой камере сгорания, расположенной с одной его стороны, он блокирует связь выпускного порта с этой камерой. Впускной порт 44, ближний к упомянутой одной стороне поршня, остается снаружи первой камеры сгорания, что предотвращает связь, обеспечивающую протекание газа, между впускным коллектором, находящимся с этой стороны поршня, и данной камерой.
Одновременно с этим, выпускной порт имеет связь, обеспечивающую протекание текучей среды, со второй камерой сгорания, находящейся с противоположной стороны поршня, и впускные порты 44, имеющиеся во второй секции 43 штока, находятся внутри этой камеры. Аналогичным образом, когда поршень находится в положении, соответствующем другой стадии расширения, выполняющейся во второй камере сгорания с противоположной стороны этого поршня, он блокирует связь выпускного порта с этой второй камерой сгорания. Впускной порт 44, ближний ко второй стороне поршня, остается снаружи второй камеры сгорания, что предотвращает связь, обеспечивающую протекание газа, между впускным коллектором, находящимся с этой второй стороны поршня, и данной камерой. Одновременно с этим, выпускной порт имеет связь, обеспечивающую протекание текучей среды, с первой камерой сгорания, находящейся с первой стороны поршня, и впускные порты 44, имеющиеся в первой секции 42 штока, находятся внутри этой камеры.
После стадии расширения в такте, поршень может продолжать перемещаться на стадии движения по инерции в оставшейся части такта. Стадия движения по инерции в каждом такте занимает оставшуюся часть этого такта после стадии расширения. Согласно вариантам реализации изобретения, по существу, вся стадия движения по инерции во втором такте перемещения поршня, выполняющаяся с той его стороны, где находится вторая камера сгорания, может совпадать со сжатием газа в первой камере сгорания. То есть, движение по инерции, следующее за стадией расширения в такте в одной камере сгорания, используется для сжатия газа в другой камере сгорания. Это можно реализовать за счет такой конструкции двигателя, при которой завершение расширения в одной камере сгорания не соответствует положению ВМТ в другой камере сгорания. Вместо этого, конструкция двигателя делает возможным дальнейшее перемещение поршня после стадии расширения в такте. В некоторых вариантах величина дальнейшего перемещения поршня на стадии движения по инерции в такте может быть, по меньшей мере, равна ширине этого поршня. В других вариантах она может в несколько раз превышать ширину поршня. В следующих вариантах она может составлять, по меньшей мере, половину ширины поршня.
На стадии движения по инерции в каждом такте может происходить газообмен между камерой сгорания, в которой только что было выполнено поджигание топливно-воздушной смеси, и областью снаружи цилиндра. Газообмен может происходить по проходу в секции штока, соединенной с поршнем и проходящей из области внутри упомянутой камеры сгорания, в область снаружи цилиндра, и через выпускные порты, созданные на боковой стенке цилиндра. В качестве одного примера, на Фиг.2 - Фиг.7 показаны положения поршня 50 и секций 42, 43штока во время первого такта, происходящего от крайнего левого положения поршня, которое показано на Фиг.2, до его крайнего правого положения, которое показано на Фиг.7. На Фиг.7 - Фиг.12 показаны положения поршня 50 и секций 42, 43 штока во время второго такта, происходящего от крайнего правого положения поршня, которое показано на Фиг.7, до его крайнего левого положения, которое показано на Фиг.12. Крайнее левое и крайнее правое положения поршня в цилиндре 12 можно назвать "Верхней мертвой точкой" (ВМТ) в такте, в этих положениях топливно-воздушная смесь сжата, и в начале стадии расширения выполняется ее поджигание. Когда поршень находится в крайнем левом положении, показанном на Фиг.2, и выполняется поджигание воздушно-топливной смеси, которая сжата с получением мертвого пространства между левой торцевой поверхностью поршня и головкой 15, находящейся на левом конце цилиндра, поршень находится в положении ВМТ для такта, происходящего от левого конца цилиндра к его правому концу, как можно видеть на Фиг.2 - Фиг.7. Аналогичным образом, когда поршень находится в крайнем правом положении, показанном на Фиг.7, и выполняется поджигание топливно-воздушной смеси, которая сжата с получением мертвого пространства между правой торцевой поверхностью поршня и головкой 14 цилиндра, находящейся на правом конце цилиндра, поршень находится в положении ВМТ для такта, происходящего от правого конца цилиндра к его левому концу, как можно видеть на Фиг.7 - Фиг.12.
На Фиг.3 поршень показан в положении, когда он только миновал находящиеся в центре выпускные порты 18, при его перемещении из положения ВМТ в такте, происходящем от левого конца цилиндра к его правому концу. Теперь первая камера сгорания, находящаяся с левой стороны поршня, имеет связь, обеспечивающую протекание текучей среды, с находящимися в центре выпускными портами 18, и выхлопной газ, возникший в результате сжигания, может начать выходить из этой камеры. Таким образом, стадия расширения в такте заканчивается, а поршень продолжает перемещаться к правому концу цилиндра на стадии движения по инерции за счет инерции, остающейся после окончания стадии расширения.
Как показано на Фиг.3 и 4, двухсторонний поршень 50, левая секция 43 штока, находящаяся с левой стороны этого поршня, и находящиеся в центре выпускные порты 18 могут быть выполнены таким образом, чтобы, при его перемещении от левого конца цилиндра к его правому концу, этот поршень миновал указанные порты до того, как впускные порты 44, ближние к левой торцевой поверхности этого поршня, входят в первую камеру сгорания, находящуюся с левой стороны поршня. Как показано на Фиг.4, к тому времени, как впускные порты 44 в левой секции 43 штока входят в камеру сгорания, находящуюся с левой стороны поршня, чтобы сделать возможным протекание газа между этими камерой и портами, поршень 50 уже полностью переместился вправо от находящихся в центре выпускных портов 18. Благодаря таким относительным размерам и положениям различных компонентов, выхлопной газ, возникший в первой камере сгорания, начинает выходить из находящихся в центре выпускных портов 18 до того, как свежие, предварительно сжатые воздух или другие газы, обеспечивающие сжигание, вводятся в первую камеру сгорания через секцию 43 штока, находящуюся с левой стороны этого поршня. В различных альтернативных вариантах точное расположение впускных портов в секциях 42, 43 штока относительно противоположных торцевых поверхностей двухстороннего поршня можно менять таким образом, чтобы впускной порт, ближний к соответствующей торцевой поверхности поршня, входил в соответствующую камеру сгорания, находящуюся на той же стороне поршня, сразу после того, как эта торцевая поверхность миновала ближний край находящихся в центре выпускных портов, в результате чего выхлопной газ начинает выходить из этой камеры сгорания незадолго до введения свежих, предварительно сжатых воздуха иди других газов, обеспечивающих сжигание (см., например, Фиг.4 и 9).
Как показано на Фиг.4, сразу после того, как поршень миновал находящиеся в центре выпускные порты 18 на стадии движения по инерции в такте, происходящем от левого конца цилиндра к его правому концу, впускные порты в секции 43 штока, ближние к левой торцевой поверхности поршня, начиная с их краев, входят в левую камеру сгорания. В этот момент, в результате ввода предварительно сжатого газа в левую камеру сгорания через секцию 43 штока и впускные порты 44, с левой стороны поршня может начаться фаза удаления (продувки). Впускные порты 44 выполнены таким образом, что при нахождении поршня на стадии движения по инерции в первом такте, происходящем от левого конца цилиндра к его правому концу, между левой камерой сгорания и областью снаружи цилиндра имеется постоянная связь, обеспечивающая протекание газа. В примерном варианте, который показан на чертежах, свежий, предварительно сжатый воздух можно вводить в левую камеру сгорания из впускного коллектора 26, расположенного рядом с головкой цилиндра, находящейся на левом конце цилиндра, или выполненного как единое целое с этой головкой. Одновременно с этим, выхлопной газ может удаляться из левой камеры сгорания поступающими предварительно сжатыми воздухом или другими газами, и принудительно выводиться через находящиеся в центре выпускные порты 18.
Согласно некоторым аспектам изобретения, цилиндр и двухсторонний поршень могут быть выполнены с такими размерами, чтобы стадия расширения в первом такте, происходящем с первой стороны этого поршня при его перемещении от первого конца цилиндра к его второму концу, происходила одновременно с фазой удаления и/или фазой нагнетания газа со второй стороны поршня. Аналогичная одновременность может иметь место и во втором такте. Если обратиться к чертежам, в качестве примера, не накладывающего ограничений, как показано на Фиг.5 и 6, при продолжении перемещения поршня к правому концу цилиндра, между левой камерой сгорания и областью снаружи цилиндра может иметься постоянная связь, обеспечивающая протекание газа. Постоянное поступление предварительно сжатых воздуха или других газов, вводимых из впускного коллектора 26 в левую камеру сгорания, может способствовать охлаждению цилиндра и удалению выхлопного газа из этой камеры сгорания, а также дополнительному повышению давления газа в этой камере. Аналогичная одновременность для второго такта показана на Фиг.11 и 12. В некоторых вариантах одновременность сжатия, происходящего на одной стороне, и удаления газа и повышения давления газа, происходящих на другой стороне, может быть абсолютной. В других вариантах эти фазы могут в значительной степени перекрываться.
Согласно некоторым аспектам изобретения, цилиндр и двухсторонний поршень могут быть выполнены с такими размерами, чтобы стадия движения по инерции в первом такте, происходящем с первой стороны этого поршня при его перемещении от первого конца цилиндра к его второму концу, происходила одновременно с фазой сжатия во второй камере сгорания, находящейся со второй стороны поршня. В качестве примера, не накладывающего ограничений, одновременно со стадией движения по инерции в первом такте, происходящем от левого конца цилиндра к его правому концу, после того, как поршень миновал находящиеся в центре выпускных портов 18 при его перемещении к правому концу цилиндра, газ, находящийся с правой стороны поршня, сжимается во время фазы сжатия, выполняющейся с этой правой стороны. Как показано на Фиг.7, когда поршень достигнет крайнего правого положения, топливно-воздушная смесь, находящаяся с правой стороны этого поршня, будет сжата с получением остающегося мертвого пространства в правой камере сгорания, и будет выполняться поджигание для начала второго такта.
В примере, не накладывающем ограничений, как можно видеть на Фиг.2 - Фиг.12, цилиндр 12 и двухсторонний поршень 50 могут быть выполнены с такими размерами, чтобы общее расстояние, на которое поршень перемещается во время первого такта от левого конца цилиндра до его правого конца, или во время второго такта от правого конца цилиндра до его левого конца, значительно превышало расстояние, на которое этот поршень перемещается на стадии расширения в каждом из этих тактов. В некоторых примерных вариантах цилиндр и двухсторонний поршень могут быть выполнены с такими размерами, чтобы общее расстояние, на которое поршень перемещается во время каждого такта от одного конца цилиндра до его противоположного конца, превышало расстояние, на которое этот поршень перемещается на стадии расширения в этом такте, по меньшей мере, на длину поршня, измеряемую от одной его торцевой поверхности до другой. В других примерных вариантах цилиндр и двухсторонний поршень могут быть выполнены с такими размерами, чтобы общее расстояние, на которое поршень перемещается в каждом такте, превышало расстояние, на которое этот поршень перемещается во время сжатия газа с одной его стороны, по меньшей мере, на длину поршня. В примерном варианте, показанном на чертежах, длина поршня 50, измеряемая от одной его торцевой поверхности до другой, может быть меньше 1/2 расстояния от, по меньшей мере, одной из головок 14, 15цилиндра до находящихся в центре выпускных портов 18. Эти конструкция и относительные размеры поршня и цилиндра позволяют значительно увеличить общую длину хода поршня в каждом направлении, во время которого свежие, предварительно сжатые воздух или другие газы могут быть введены в цилиндр для удаления выхлопного газа и охлаждения цилиндра после того, как на каждом из противоположных концов этого цилиндра произошло сжигание.
В начале стадии расширения в такте, происходящем от правого конца цилиндра к его левому концу, как показано на Фиг.7. газ может протекать между камерой сгорания, находящейся с левой стороны поршня, и впускным коллектором 26, находящимся на левой стороне цилиндра, а также между этой камерой и выпускным коллектором 20 через выпускные порты 18. Связь, обеспечивающая протекание газа, между камерой сгорания, находящейся с левой стороны поршня, и выпускным коллектором может сохраняться до тех пор, пока левая торцевая поверхность поршня не минует находящиеся в центре выпускные порты 18, при этом поршень действует как выпускной клапан и прерывает связь между левой камерой сгорания и выпускным коллектором. В дополнение к этому, перед тем, как поршень 50 полностью закроет выпускные порты 18, впускные порты 44, ближние к левой торцевой поверхности этого поршня, переместятся наружу из левой камеры сгорания, что приведет к прерыванию связи, обеспечивающей протекание газа, между левым впускным коллектором 26 и этой камерой посредством левой секции 43 штока.
Длина двухстороннего поршня 50, длина цилиндра 12, местоположение выпускных портов 18 и местоположение впускных портов 44 в первой и второй секциях 42, 43 штока, проходящих от противоположных торцевых поверхностей поршня 50, могут быть выбраны таким образом, что, когда поршень находится в положении, соответствующем стадии расширения во второй камере сгорания, расположенной с его правой стороны, он блокирует связь выпускных портов с этой камерой. Впускной порт 44, ближний к правой стороне поршня, остается снаружи второй камеры сгорания, что предотвращает связь, обеспечивающую протекание газа, между впускным коллектором, расположенным с правой стороны поршня, и этой камерой. Одновременно с этим, выпускные порты имеют связь, обеспечивающую протекание текучей среды, с первой камерой сгорания, расположенной с левой стороны поршня, и впускные порты 44, расположенные в левой секции 43 штока, находятся в этой камере.
Стадия движения по инерции в каждом такте занимает всю оставшуюся часть этого такта после стадии расширения. На стадии движения по инерции в каждом такте может происходить газообмен между камерой сгорания, в которой только что было выполнено поджигание топливно-воздушной смеси, и областью снаружи цилиндра. Газообмен может происходить по проходу в секции штока, соединенной с поршнем и проходящей из области внутри упомянутой, по меньшей мере, одной камеры сгорания, в область снаружи цилиндра, и через выпускные порты, созданные на боковой стенке цилиндра. На Фиг.7 - Фиг.12 показаны положения поршня 50 и секций 42, 43 штока во время второго такта, происходящего от крайнего правого положения этого поршня, которое показано на Фиг.7, до крайнего левого положения этого поршня, которое показано на Фиг.12. Как рассмотрено выше, крайнее левое и крайнее правое положения поршня в цилиндре 12 можно называть "Верхней мертвой точкой" (ВМТ) для такта, в этих положениях топливно-воздушная смесь сжата, и выполняется ее поджигание в начале стадии расширения. Когда поршень находится в крайнем правом положении, показанном на Фиг.7, и выполняется поджигание топливно-воздушной смеси, которая сжата с получением мертвого пространства между правой торцевой поверхностью поршня и головкой 14 цилиндра на правом конце цилиндра, этот поршень находится в положении ВМТ для такта, происходящего от правого конца этого цилиндра к его левому концу, как можно видеть на Фиг.7 - Фиг.12.
На Фиг.8 поршень показан в таком положении, когда он только что миновал находящиеся в центре выпускные порты 18 при его перемещении из положения ВМТ в такте, происходящем от правого конца цилиндра к его левому концу. Теперь вторая камера сгорания, находящаяся с правой стороны поршня, имеет связь, обеспечивающую протекание текучей среды, с находящимися в центре выпускными портами 18, и выхлопной газ, возникший в результате сжигания с правой стороны поршня на стадии расширения во втором такте, может начать выходить из этой камеры. Таким образом, стадия расширения во втором такте заканчивается, и поршень продолжает перемещаться в направлении левого конца цилиндра на стадии движения по инерции за счет инерции, остающейся после окончания стадии расширения.
Как показано на Фиг.8 и 9, двухсторонний поршень 50, вторая секция 42 штока, находящаяся с правой стороны этого поршня, и находящиеся в центре выпускные порты 18 могут быть выполнены таким образом, чтобы, при его перемещении от правого конца цилиндра к его левому концу, этот поршень миновал указанные порты до того, как впускные порты 44, ближние к правой торцевой поверхности этого поршня, входят во вторую камеру сгорания, находящуюся с правой стороны поршня. Как показано на Фиг.9, к тому времени, как впускные порты 44 в правой секции 42 штока входят во вторую камеру сгорания, находящуюся с правой стороны поршня, чтобы сделать возможным протекание газа между этими камерой и портами, поршень 50 уже полностью переместился влево от находящихся в центре выпускных портов 18. Благодаря таким относительным размерам и положениям различных компонентов, выхлопной газ, возникший во второй камере сгорания, начинает выходить из находящихся в центре выпускных портов 18 до того, как свежие, предварительно сжатые воздух или другие газы, обеспечивающие сжигание, вводятся во вторую камеру сгорания через секцию 42 штока, находящуюся с правой стороны поршня. В различных альтернативных вариантах точное расположение впускных портов в секциях 42, 43 штока относительно противоположных торцевых поверхностей двухстороннего поршня можно менять таким образом, чтобы впускной порт, ближний к соответствующей торцевой поверхности поршня, входил в соответствующую камеру сгорания, находящуюся на той же стороне поршня, сразу после того, как эта торцевая поверхность миновала ближний край находящихся в центре выпускных портов, в результате чего выхлопной газ начинает выходить из этой камеры сгорания незадолго до введения свежих, предварительно сжатых воздуха или других газов, обеспечивающих сжигание.
Как показано на Фиг.9, сразу после того, как поршень миновал находящиеся в центре выпускные порты 18 на стадии движения по инерции в такте, происходящем от правого конца цилиндра к его левому концу, впускные порты в секции 42 штока, ближние к правой торцевой поверхности поршня, начиная с их краев, входят во вторую камеру сгорания. В этот момент, в результате ввода предварительно сжатого газа во вторую камеру сгорания через секцию 42 штока и впускные порты 44, с правой стороны поршня может начаться фаза удаления. Впускные порты 44 выполнены таким образом, что при нахождении поршня на стадии движения по инерции во втором такте, происходящем от правого конца цилиндра к его левому концу, между второй камерой сгорания и областью снаружи цилиндра имеется постоянная связь, обеспечивающая протекание газа. В примерном варианте, который показан на чертежах, свежий, предварительно сжатый воздух можно вводить во вторую камеру сгорания из впускного коллектора 26, расположенного рядом с головкой цилиндра, находящейся на правом конце цилиндра, или выполненного как единое целое с этой головкой. Одновременно с этим, выхлопной газ может удаляться из второй камеры сгорания, находящейся с правой стороны поршня 50, поступающими предварительно сжатыми воздухом или другими газами, и принудительно выводиться через находящиеся в центре выпускные порты 18.
Как показано на Фиг.10 и 11, при продолжении перемещения поршня к левому концу цилиндра, между второй камерой сгорания и областью снаружи цилиндра может иметься постоянная связь, обеспечивающая протекание газа. Постоянное поступление предварительно сжатых воздуха или других газов, вводимых из впускного коллектора 26 во вторую камеру сгорания, может способствовать охлаждению цилиндра и удалению выхлопного газа из этой камеры сгорания, а также дополнительному повышению давления газа в этой камере. Одновременно со стадией движения по инерции во втором такте, происходящем от правого конца цилиндра к его левому концу, после того, как поршень миновал находящиеся в центре выпускные порты 18 при его перемещении к левому концу цилиндра, газ, находящийся с левой стороны поршня, сжимается во время фазы сжатия с этой левой стороны. Как показано на Фиг.2, когда поршень достигнет крайнего левого положения, топливно-воздушная смесь, находящаяся с левой стороны этого поршня, будет сжата с получением остающегося мертвого пространства в левой камере сгорания, и будет выполняться поджигание для начала следующего такта, происходящего от левого конца цилиндра к его правому концу.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, независимо от других конкретных элементов двигателя, цилиндр и двухсторонний поршень могут быть выполнены с такими размерами, чтобы общее расстояние, на которое поршень перемещается во время первого такта, значительно превышало расстояние, на которое этот поршень перемещается на стадии расширения в этом такте. В качестве примера, если обратиться к Фиг.7 - Фиг.12, общее расстояние, на которое перемещается поршень, может быть измерено от положения ВМТ на правой стороне двигателя 10, которое показано на Фиг.7, до положения ВМТ на левой стороне этого двигателя, которое показано на Фиг.12. Это общее проходимое расстояние значительно превышает протяженность стадии расширения в такте, заканчивающейся (если последовательно рассматривать Фиг.7 - Фиг.12), когда поршень 50 миновал, по меньшей мере, один выпускной порт 18. В качестве необязательного варианта, в других вариантах реализации изобретения конец стадии расширения может определяться другими событиями, например, открыванием механического клапана или прекращением расширения некоторым другим образом. Вне зависимости от того, как заканчивается стадия расширения в такте, предполагается, что такие варианты также не выходят за пределы объема этого изобретения, пока общее расстояние, на которое перемещается поршень, значительно превышает стадию расширения как таковую. В качестве примеров, не накладывающих ограничения, общее расстояние может считаться значительно бóльшим, если разность по протяженности между стадией расширения в такте и зоной в этом такте, в которой не происходит расширения, является следующей: кратна ширине поршня, равна ширине поршня, больше трех четвертей ширины поршня, больше половины ширины поршня или больше одной четверти ширины поршня. Таким образом, например, двухсторонний поршень может иметь длину, измеряемую от одной его торцевой поверхности до другой, которая меньше или равна 1/2 расстояния от первой головки цилиндра и/или второй головки цилиндра до выпускного порта.
В некоторых примерных вариантах цилиндр и двухсторонний поршень могут быть выполнены с такими размерами, чтобы общее расстояние, на которое поршень перемещается во время каждого такта от одного конца цилиндра до его противоположного конца, превышало расстояние, на которое этот поршень перемещается на стадии расширения в этом такте, по меньшей мере, на длину поршня, измеряемую от одной его торцевой поверхности до другой. В других примерных вариантах цилиндр и двухсторонний поршень могут быть выполнены с такими размерами, чтобы общее расстояние, на которое поршень перемещается в каждом такте, превышало расстояние, на которое этот поршень перемещается во время сжатия газа с одной его стороны, по меньшей мере, на длину этого поршня. В примерном варианте, показанном на чертежах, длина поршня 50, измеряемая от одной его торцевой поверхности до другой, может быть меньше 1/2 расстояния от, по меньшей мере, одной из головок 14, 15 цилиндра до находящихся в центре выпускных портов 18. Эти конструкция и относительные размеры поршня и цилиндра позволяют значительно увеличить общую длину хода поршня в каждом направлении, во время которого свежие, предварительно сжатые воздух или другие газы могут быть введены в цилиндр для удаления выхлопного газа и охлаждения цилиндра после того, как на каждом из противоположных концов этого цилиндра произошло сжигание.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения, двигатель внутреннего сгорания может включать поршень, представляющий собой узел из отдельных элементов, включающих два крайних диска поршня, каждый из которых имеет первый внешний диаметр, и центральный диск, имеющий второй внешний диаметр, который меньше первого внешнего диаметра, причем центральный диск выполнен с возможностью создавать тепловой зазор между этими двумя крайними дисками. В качестве примера, и как показано на Фиг.13 - Фиг.22, различные варианты двигателя, соответствующего этому изобретению, могут включать двухсторонний поршень 50. Поршень 50 может включать цилиндрическую первую часть 56, имеющую первый диаметр, цилиндрическую вторую часть 54, имеющую первый диаметр, и цилиндрическую третью часть 52, имеющую второй диаметр, который меньше первого диаметра. Цилиндрическая третья часть 52 поршня может находиться между его первой частью 56 и второй частью 54, и до сборки первая часть 56 поршня и вторая часть 54 поршня могут быть отдельными элементами.
Согласно некоторым вариантам, твердость центрального диска отличается от твердости крайних дисков. В дополнение к этому, или в качестве альтернативы, центральный диск поршня может быть выполнен как единое целое с одним из двух его крайних дисков.
Варианты также могут включать непрерывное, не имеющее зазора поршневое кольцо, окружающее часть поршня, которое выполнено таким образом, что при нагреве оно деформируется в поршне в осевом направлении. Согласно вариантам реализации изобретения, могут применяться поршневые кольца различной формы. Эта форма может включать волнообразную или другую геометрию с изгибами, которая имеет или не имеет симметрии. Как только в качестве примера показано на Фиг.20, третью часть 52 поршня может окружать непрерывное, не имеющее зазора поршневое кольцо 64, выполненное таким образом, что при нагреве оно деформируется в поршне 50 в осевом направлении. Третья часть 52 поршня может задавать канавку между первой частью 56 поршня и второй частью 54 поршня. Канавка, заданная между первой частью 56 поршня и второй частью 54 поршня, может также создавать тепловой зазор, который поршневое кольцо при его установке занимает не полностью, и который, таким образом, способствует переносу тепла от поршневого кольца, что увеличивает срок службы этого кольца. В некоторых вариантах до сборки третья часть 52 поршня и первая часть 56 поршня могут быть единым целым, а вторая часть 54 поршня может быть отдельным элементом.
Как показано на Фиг.13, канавка на внешней боковой поверхности поршня 50, как описано выше, может возникать при сборке узла из первой, второй и третьей частей поршня, либо может быть получена путем механической обработки или иным образом, например, с использованием процессов изготовления на основе трехмерной печати. Канавка может иметь первый край и второй край, находящийся на расстоянии от первого края. В канавке может быть установлено поршневое кольцо 64 (Фиг.17 - Фиг.20), которое может иметь геометрию с изгибами внутри канавки, такую, чтобы форма поршневого кольца отличалась от формы канавки, и такую, чтобы при установке поршневое кольцо не полностью занимало канавку. Поршневое кольцо 64 может быть изготовлено из такого материала, чтобы при его нагреве форма изгибов изменялась, что позволяет поршневому кольцу расширяться в поршне в осевом направлении между краями канавки. Как можно видеть на Фиг.17, 19 и 20, изгибы поршневого кольца 64 могут иметь форму волны. Гребни волны поочередно идут к противоположным краям канавки. Поршневое кольцо 64 может быть изготовлено таким образом, чтобы при нагреве оно расширялось в поршне в осевом направлении, а не в радиальном.
Как показано на Фиг.17 - Фиг.20, поршневое кольцо 64 может иметь волнистую форму, если смотреть сбоку, и круглую форму, если смотреть спереди. Поршневое кольцо 64 может включать множество обособленных плоских поверхностных областей 68 примыкания на торцевых поверхностях. Плоские поверхностные области 68 примыкания могут быть созданы таким образом, чтобы они поочередно примыкали к противоположным краям канавки. Зазор между поршневым кольцом 64 и первым и вторым краями канавки в поршне 50 делает возможным расширение и сжатие этого кольца в осевом направлении при сохранении, если смотреть спереди, круглой формы этого кольца, имеющего, по существу, постоянный внешний диаметр 70, что позволяет этому кольцу всегда оставаться в контакте с внутренней поверхностью боковой стенки цилиндра 12 на всей его окружной поверхности.
Как хорошо видно на Фиг.19, на которой приведен вид поршневого кольца 64 спереди, это кольцо выполнено круглым, чтобы оно плотно прилегало к стенке 66 цилиндра. В одном примерном варианте на каждой стороне поршневое кольцо 64 может быть снабжено шестью равномерно распределенными в окружном направлении, плоскими поверхностными областями 68 примыкания, обеспечивающими примыкание этого кольца к соседним частям поршня, т.е., его первой части 56 и второй части 54. Поверхностные области 68 примыкания, находящиеся на одной стороне поршневого кольца 64, могут быть смещены на угловое расстояние относительно поверхностных областей 68 примыкания, находящихся на другой стороне этого кольца, таким образом, чтобы каждая из поверхностных областей 68 примыкания, находящихся на одной стороне этого кольца, находилась на одинаковом расстоянии от двух расположенных рядом поверхностных областей 68 примыкания, находящихся на его другой стороне.
Как можно видеть на Фиг.18, на которой приведен вид поршневого кольца 64 сбоку, между двумя поверхностными областями 68 примыкания, расположенными рядом, но с разных сторон этого кольца, может быть создана изогнутая стенка 69.
В зависимости от конструкции и применяемых материалов, в некоторых вариантах описанная выше конструкция поршневого кольца 64 может обеспечивать несколько преимуществ. Поршневое кольцо 64 является непрерывным в окружном направлении, в отличие от обычных поршневых колец, в результате чего, по существу, исчезают потери при сжатии, возникающие при работе двигателя из-за утечки сжимаемого газа в направлении с одной стороны этого кольца на противоположную. В результате уменьшения потерь при сжатии можно использовать одно поршневое кольцо 64 вместо двух или трех поршневых колец, что распространено в данной области техники. (Хотя в одном поршне, соответствующем этому изобретению, может применяться множество колец, соответствующих этому изобретению). Это уменьшение количества поршневых колец может привести к значительному уменьшению потерь на трение, обусловленных скользящим контактом между каждым из поршневых колец и стенкой 66 цилиндра. Уменьшение потерь на трение, в свою очередь, может привести к повышению КПД двигателя 10. Поверхностные области 68 примыкания, находящиеся на обеих сторонах поршневого кольца 64, могут также гарантировать, что это кольцо будет всегда будет располагаться, по существу, перпендикулярно продольной оси А, что, в свою очередь, может привести к тому, что окружная поверхность 70 кольца всегда будет проходить параллельно стенке 66 цилиндра и на всем ее протяжении будет оставаться в контакте с этой стенкой. Так как поршневое кольцо 64, соответствующее различным примерным вариантам реализации этого изобретения, во время работы нагревается и стремится расшириться, его окружная поверхность 70 на всем ее протяжении будет оставаться в контакте со стенкой 66 цилиндра и может оказывать на эту стенку, по существу, неизменное давление. Расширение и сжатие поршневого кольца 64 может привести к увеличению кривизны его изогнутых стенок 69 и их расширению в осевом направлении, что делает возможным расширение при неизменной геометрии этого кольца в радиальном направлении.
Из двигателя 10, соответствующего различным примерным вариантам реализации этого изобретения, можно обеспечить почти непрерывное удаление горячего выхлопного газа при одновременной непрерывной подаче свежего воздуха для сжигания. За счет почти непрерывного ввода свежего, предварительно сжатого воздуха можно уменьшить температуру в цилиндре и повысить КПД и срок службы двигателя.
В приведенной выше части описания для простоты были рассмотрены различные комбинации элементов. Необходимо понимать, что аспекты этого изобретения в его наиболее широком понимании не ограничиваются конкретными комбинациями, которые рассмотрены ранее. Варианты реализации этого изобретения, которые только в качестве примера показаны на чертежах, могут включать одну или более из следующих характеристик, либо по отдельности, либо в комбинации с одной или более других из этих характеристик, либо в комбинации с ранее рассмотренными характеристиками:
- двигатель внутреннего сгорания;
- цилиндр, задающий, по меньшей мере, одну камеру сгорания в блоке двигателя;
- расположенный в цилиндре поршень, который выполнен с возможностью перемещения в первом такте от одного конца цилиндра к его противоположному концу и выполнен с такими размерами относительно цилиндра, чтобы получить в первом такте стадию расширения, на которой поршень перемещается под действием давления расширяющегося газа, и стадию движения по инерции, занимающую оставшуюся часть этого такта после стадии расширения;
- по меньшей мере, одна секция штока, соединенная с поршнем и проходящая из области внутри упомянутой, по меньшей мере, одной камеры сгорания в область снаружи цилиндра;
- по меньшей мере, одна полость в секции штока, которая задает проход, создающий между упомянутой, по меньшей мере, одной камерой сгорания и областью снаружи цилиндра связь, обеспечивающую протекание газа;
- упомянутая, по меньшей мере, одна полость выполнена таким образом, что при нахождении поршня в первом такте на стадии движения по инерции после стадии расширения эта полость создает между упомянутой, по меньшей мере, одной камерой сгорания и областью снаружи цилиндра постоянную связь, обеспечивающую протекание газа;
- упомянутая, по меньшей мере, одна полость, задающая проход, получена путем удаления части материала упомянутой, по меньшей мере, одной секции штока;
- проход включает канавку в упомянутой, по меньшей мере, одной секции штока;
- проход обеспечивает ввод газа, обеспечивающего сжигание, в упомянутую, по меньшей мере, одну камеру сгорания из области снаружи цилиндра;
- поршень является двухсторонним, и упомянутые секции штока, насчитывающие, по меньшей мере, одну, представляют собой две секции штока, каждая из которых проходит от соответствующей из торцевых поверхностей двухстороннего поршня;
- упомянутая, по меньшей мере, одна полость включает канал, проходящий внутри упомянутой, по меньшей мере, одной секции штока;
- две секции штока выполнены как единое целое;
- две секции штока соединены друг с другом посредством двухстороннего поршня;
- упомянутые полости, насчитывающие, по меньшей мере, одну, включают, по меньшей мере, две полости, каждая из которых проходит через свою секцию штока;
- дополнительно обеспечен, по меньшей мере, один порт в упомянутой, по меньшей мере, одной секции штока, который имеет с проходом связь, обеспечивающую протекание текучей среды;
- упомянутый, по меньшей мере, один порт включает множество удлиненных щелей;
- упомянутый, по меньшей мере, один порт включает множество отверстий, созданных в штоке;
- проход включает множество канавок, созданных на внешней боковой поверхности упомянутой, по меньшей мере, одной секции штока;
- упомянутая, по меньшей мере, одна полость включает участок штока, имеющий уменьшенный диаметр;
- упомянутые камеры сгорания, насчитывающие, по меньшей мере, одну, включают первую камеру сгорания, созданную между первым концом поршня и первым концом цилиндра, и вторую камеру сгорания, созданную между вторым концом поршня и вторым концом цилиндра;
- цилиндр на каждом из противоположных его концов закрыт головкой цилиндра;
- упомянутые секции штока, насчитывающие, по меньшей мере, одну, включают первую секцию штока, проходящую от первого конца поршня через головку цилиндра, находящуюся на первом конце этого цилиндра, и вторую секцию штока, проходящую от второго конца поршня через головку цилиндра, находящуюся на втором конце этого цилиндра;
- головка цилиндра, находящаяся на каждом конце цилиндра, включает впускной коллектор, причем проход в первой секции штока создает связь, обеспечивающую протекание газа, между первой камерой сгорания и впускным коллектором, находящимся на первом конце цилиндра, и проход во второй секции штока создает, связь, обеспечивающую протекание газа, между второй камерой сгорания и впускным коллектором, находящимся на втором конце цилиндра;
- боковая стенка цилиндра, проходящая между его первым концом и вторым концом, имеет, по меньшей мере, один выпускной порт;
- упомянутые выпускные порты, насчитывающие, по меньшей мере, один, представляют собой множество выпускных портов, созданных по окружности цилиндра на расстоянии друг от друга и имеющих связь, обеспечивающую протекание текучей среды, с выпускным коллектором;
- по существу, в течение всей стадии расширения в первом такте, выполняющейся на той стороне поршня, где находится первая камера сгорания, между второй камерой сгорания и впускным коллектором на втором конце цилиндра существует поток газа;
- по существу, в течение всей стадии движения по инерции в первом такте, выполняющейся на той стороне поршня, где находится первая камера сгорания, во второй камере сгорания происходит сжатие газа;
- поршень дополнительно выполнен с возможностью перемещения во время второго такта от второго конца цилиндра к его первому концу и выполнен с такими размерами относительно цилиндра, чтобы во втором такте получить стадию расширения, на которой поршень перемещается под действием давления расширяющегося газа, и стадию движения по инерции, занимающую оставшуюся часть этого такта после стадии расширения;
- по существу, в течение всей стадии расширения во втором такте, выполняющейся на той стороне поршня, где находится вторая камера сгорания, между первой камерой сгорания и впускным коллектором на первом конце цилиндра существует поток газа;
- по существу, в течение всей стадии движения по инерции во втором такте, выполняющейся на той стороне поршня, где находится вторая камера сгорания, в первой камере сгорания происходит сжатие газа;
- двухсторонний поршень установлен в цилиндре с возможностью скольжения и с возможностью перемещения в первом такте от первого конца цилиндра к его второму концу, причем двухсторонний поршень и цилиндр выполнены таким образом, что первый такт включает стадию расширения, на которой энергия химических реакций при сжигании в первой камере сгорания превращается в механическую энергию поршня, и стадию движения по инерции, на которой поршень продолжает перемещаться ко второму концу цилиндра, и происходит газообмен между первой камерой сгорания и областью снаружи цилиндра;
- цилиндр и двухсторонний поршень выполнены с такими размерами, что общее расстояние, на которое поршень перемещается во время первого такта, значительно превышает расстояние, на которое этот поршень перемещается на стадии расширения в этом такте;
- цилиндр и двухсторонний поршень выполнены с такими размерами, что общее расстояние, на которое поршень перемещается во время первого такта, превышает расстояние, на которое этот поршень перемещается на стадии расширения в этом такте, по меньшей мере, на длину поршня, измеряемую от одной его торцевой поверхности до другой;
- цилиндр и двухсторонний поршень выполнены с такими размерами, что стадия расширения в первом такте, выполняющаяся с первой стороны этого поршня при его перемещении от первого конца цилиндра к его второму концу, происходит одновременно с фазой удаления и/или фазой нагнетания газа со второй стороны поршня;
- цилиндр и двухсторонний поршень выполнены с такими размерами, что стадия движения по инерции в первом такте, выполняющаяся с первой стороны этого поршня при его перемещении от первого конца цилиндра к его второму концу, происходит одновременно с фазой сжатия во второй камере сгорания, находящейся со второй стороны поршня;
- двухсторонний поршень выполнен с возможностью перемещения во втором такте от второго конца цилиндра к его первому концу, и цилиндр и двухсторонний поршень выполнены с такими размерами, что второй такт включает стадию расширения, на которой энергия химических реакций при сжигании во второй камере сгорания превращается в механическую энергию поршня, и стадию движения по инерции, на которой поршень продолжает перемещаться к первому концу цилиндра, и происходит газообмен между второй камерой сгорания и областью снаружи цилиндра;
- цилиндр и двухсторонний поршень выполнены с такими размерами, что общее расстояние, на которое поршень перемещается во время второго такта, значительно превышает расстояние, на которое этот поршень перемещается на стадии расширения в этом такте;
- общее расстояние, на которое поршень перемещается во время второго такта, превышает расстояние, на которое этот поршень перемещается на стадии расширения в этом такте, по меньшей мере, на длину поршня, измеряемую от одной его торцевой поверхности до другой;
- стадия расширения во втором такте, выполняющаяся со второй стороны поршня при его перемещении от второго конца цилиндра к его первому концу, происходит одновременно с фазой удаления и/или фазой нагнетания газа с первой стороны поршня;
- стадия движения по инерции во втором такте, выполняющаяся со второй стороны поршня при его перемещении от второго конца цилиндра к его первому концу, происходит одновременно с фазой сжатия газа в первой камере сгорания, находящейся с первой стороны поршня;
- первая секция штока соединена с первой торцевой поверхностью двухстороннего поршня и проходит из области внутри первой камеры сгорания в первую область снаружи цилиндра;
- вторая секция штока соединена со второй торцевой поверхностью двухстороннего поршня и проходит из области внутри второй камеры сгорания во вторую область снаружи цилиндра;
- по меньшей мере, одна полость в первой секции штока, которая задает проход, создающий связь, обеспечивающую протекание газа, между первой камерой сгорания и первой областью снаружи цилиндра;
- по меньшей мере, одна полость во второй секции штока, которая задает проход, создающий связь, обеспечивающую протекание газа, между второй камерой сгорания и второй областью снаружи цилиндра;
- по меньшей мере, один порт на боковой стенке цилиндра, который создает связь, обеспечивающую протекание газа, между первой камерой сгорания и областью снаружи цилиндра, когда поршень находится с той же стороны этого порта, что и вторая камера сгорания, и который создает связь, обеспечивающую протекание газа, между второй камерой сгорания и областью снаружи цилиндра, когда поршень находится с той же стороны этого порта, что и первая камера сгорания;
- проходы в первой и второй секциях штока обеспечивают забор газа, соответственно, в первую и вторую камеры сгорания, и упомянутый, по меньшей мере, один порт на боковой стенке цилиндра обеспечивает выпуск газа из этих камер;
- первый такт и второй такт оба включают стадию расширения, на которой энергия химических реакций при сжигании в первой камере сгорания или второй камере сгорания превращается в механическую энергию поршня, и стадию движения по инерции, на которой поршень продолжает перемещаться к соответствующему концу цилиндра, и происходит газообмен между одной из этих камер сгорания и областью снаружи цилиндра;
- цилиндр и поршень выполнены с такими размерами, что общее расстояние, на которое поршень перемещается в каждом из первого и второго тактов, превышает расстояние, на которое этот поршень перемещается во время сжатия газа с одной его стороны, по меньшей мере, на длину этого поршня;
- цилиндр и поршень выполнены с такими размерами, что стадия расширения в первом такте, выполняющаяся с первой стороны этого поршня при его перемещении от первого конца цилиндра к его второму концу, происходит одновременно с фазой удаления и/или фазой нагнетания газа со второй стороны поршня;
- цилиндр и поршень выполнены с такими размерами, что стадия движения по инерции в первом такте, выполняющаяся с первой стороны этого поршня при его перемещении от первого конца цилиндра к его второму концу, происходит одновременно со сжатием газа во второй камере сгорания, находящейся со второй стороны поршня;
- по меньшей мере, один порт на боковой стенке цилиндра, который создает связь, обеспечивающую протекание газа, между первой камерой сгорания и областью снаружи цилиндра, когда поршень находится с той же стороны этого порта, что и вторая камера сгорания, и который создает связь, обеспечивающую протекание газа, между второй камерой сгорания и областью снаружи цилиндра, когда поршень находится с той же стороны этого порта, что и первая камера сгорания;
- проходы в первой и второй секциях штока обеспечивают забор газа, соответственно, в первую и вторую камеры сгорания, и упомянутый, по меньшей мере, один порт на боковой стенке цилиндра обеспечивает выпуск газа из этих камер;
- первый проход и второй проход в секциях штока выполнены таким образом, что отсутствует газообмен между цилиндром и областью снаружи цилиндра по пути, пересекающему первую и вторую торцевые поверхности поршня;
- первый проход и второй проход получены путем удаления части материала первой и второй секций штока;
- первый проход и/или второй проход включают канавку в соответствующей из первой и второй секций штока;
- первый и второй проходы обеспечивают ввод газа, обеспечивающего сжигание, соответственно, в первую и вторую камеры сгорания из области снаружи цилиндра;
- первый и второй проходы включают вытянутые в длину каналы, проходящие внутри первой и второй секций штока;
- первая и вторая секции штока выполнены как единое целое;
- первая и вторая секции штока соединены друг с другом посредством двухстороннего поршня;
- дополнительно обеспечены, по меньшей мере, один порт в первой секции штока, который имеет с первым проходом связь, обеспечивающую протекание текучей среды, и, по меньшей мере, один порт во второй секции штока, который имеет со вторым проходом связь, обеспечивающую протекание текучей среды;
- упомянутый, по меньшей мере, один порт, обеспеченный как в первой, так и во второй секциях штока, включает множество удлиненных щелей;
- упомянутый, по меньшей мере, один порт, обеспеченный как в первой, так и во второй секциях штока, включает множество отверстий, созданных в штоке;
- первый проход и/или второй проход в первой и второй секциях штока включают множество канавок, созданных на внешней боковой поверхности соответствующей секции штока;
- первая полость и/или вторая полость в первой и второй секциях штока включают участок штока, имеющий уменьшенный диаметр;
- первый проход в первой секции штока и второй проход во второй секции штока обеспечивают забор газа, соответственно, в первую и вторую камеры сгорания;
- первая секция штока проходит от первой торцевой поверхности двухстороннего поршня через первую камеру сгорания и первую головку цилиндра;
- первая полость в первой секции штока, задает первый проход, создающий связь, обеспечивающую протекание газа, между первой камерой сгорания и первой областью снаружи цилиндра;
- вторая секция штока проходит от второй торцевой поверхности двухстороннего поршня через вторую камеру сгорания и вторую головку цилиндра;
- вторая полость во второй секции штока задает второй проход, создающий связь, обеспечивающую протекание газа, между второй камерой сгорания и второй областью снаружи цилиндра;
- по меньшей мере, один порт на боковой стенке цилиндра, создающий связь, обеспечивающую протекание газа, между по меньшей мере, одной областью снаружи цилиндра и поочередно первой и второй камерами сгорания;
,
- двухсторонний поршень, первая секция штока и упомянутый, по меньшей мере, один порт выполнены таким образом, что, при его перемещении из первого положения во второе положение этот поршень минует указанный порт до того, как открытая область в первой полостисозданной в первой секции штока, войдет в первую камеру сгорания, чтобы сделать возможным протекание газа между этими камерой и полостью;
,
- двухсторонний поршень, вторая секция штока и упомянутый, по меньшей мере, один порт выполнены таким образом, что, при его перемещении из второго положения в первое положение этот поршень минует указанный порт до того, как открытая область во второй полостисозданной во второй секции штока, войдет во вторую камеру сгорания, чтобы сделать возможным протекание газа между этими камерой и полостью;
- первая полость в первой секции штока и вторая полость во второй секции штока представляют собой средства впуска, служащие для забора газа, и упомянутый, по меньшей мере, один порт на боковой стенке цилиндра представляет собой средство выпуска, служащее для выпуска газа;
- кроме того, обеспечены, по меньшей мере, одна дополнительная полость в первой секции штока и, по меньшей мере, одна дополнительная полость во второй секции штока;
- двухсторонний поршень, первая секция штока и упомянутый, по меньшей мере, один порт на боковой стенке цилиндра выполнены таким образом, что при нахождении этого поршня между первой головкой цилиндра и указанным портом открытая область в первой полости находится снаружи цилиндра, и двухсторонний поршень препятствует протеканию газа между первой камерой сгорания и указанным портом, и двухсторонний поршень, вторая секция штока и упомянутый, по меньшей мере, один порт на боковой стенке цилиндра выполнены таким образом, что при нахождении этого поршня между второй головкой цилиндра и указанным портом открытая область во второй полости находится снаружи цилиндра, и двухсторонний поршень препятствует протеканию газа между второй камерой сгорания и указанным портом;
,
- полости в первой секции поршня и второй секции поршня включают центральное отверстиепроходящее через каждую из этих секций;
- открытые области в полостях, созданных в первой секции штока и второй секции штока, включают порт с криволинейной геометрией в соответствующей внешней стенке каждой из этих секций;
- открытые области в полостях, созданных в первой секции штока и второй секции штока, включают удлиненную щель в соответствующей внешней стенке каждой из этих секций;
- полости в первой и второй секциях штока заданы участками уменьшенного диаметра;
- упомянутый, по меньшей мере, один порт представляет собой выпускной порт, находящийся в центральной, если смотреть в осевом направлении, части боковой стенки цилиндра.
- во время сжатия и сжигания газа в первой или второй камере сгорания поршень работает как выпускной клапан, предотвращающий выход выхлопного газа из одной из этих камер и в то же время делающий возможным выход выхлопного газа из другой из них;
- выпускной порт находится на боковой стенке цилиндра, по существу, в центральной части этого цилиндра, между первой головкой цилиндра и второй головкой цилиндра;
,
- по меньшей мере, одно средство впуска газа, обеспечивающего сжигание, которое находится не на боковой стенке цилиндра, причем это средство и выпускной порт выполнены с возможностью совместной работы таким образом, что газобеспечивающий сжигание, введенный через это средство, выводится из цилиндра через выпускной порт на его боковой стенке;
- длина двухстороннего поршня, измеряемая от одной его торцевой поверхности до другой, меньше или равна 1/2 расстояния от первой и/или второй головок цилиндра до выпускного порта;
- дополнительно обеспечена первая секция штока, проходящая от первой торцевой поверхности двухстороннего поршня через первую камеру сгорания и первую головку цилиндра, причем упомянутое, по меньшей мере, одно средство впуска газа, обеспечивающего сжигание, находится в этой секции;
- дополнительно обеспечена вторая секция штока, проходящая от второй торцевой поверхности двухстороннего поршня через вторую камеру сгорания и вторую головку цилиндра, причем упомянутое, по меньшей мере, одно средство впуска газа, обеспечивающего сжигание, находится в этой секции;
- упомянутое, по меньшей мере, одно средство впуска газа, обеспечивающего сжигание, включает первый проход, имеющий связь, обеспечивающую протекание текучей среды, с первым впускным коллектором, находящимся рядом с первой головкой цилиндра, и второй проход, имеющий связь, обеспечивающую протекание текучей среды, со вторым впускным коллектором, находящимся рядом со второй головкой цилиндра;
- первый вытянутый в длину канал, находящийся в первой секции штока, служит в качестве средства впуска, обеспечивающего забор газа из области снаружи цилиндра через первый конец первой камеры сгорания в область внутри этой камеры;
- второй вытянутый в длину канал, находящийся во второй секции штока, служит в качестве средства впуска, обеспечивающего забор газа из области снаружи цилиндра через второй конец второй камеры сгорания в область внутри этой камеры;
- длина двухстороннего поршня, длина цилиндра, местоположение средства выпуска и местоположение открытой области для доступа в канал в первой и второй секциях штока выбраны таким образом, что, когда поршень находится в положении, соответствующем стадии расширения в первой камере сгорания, он блокирует связь средства выпуска с первой камерой сгорания, и открытая область для доступа в первый канал, созданная в первой секции штока, находится снаружи первой камеры сгорания, при этом средство выпуска имеет со второй камерой сгорания связь, обеспечивающую протекание текучей среды, и открытая область для доступа во второй канал находится внутри второй камеры сгорания;
- расстояние между открытой областью для доступа в канал, созданной в первой секции штока, и первой торцевой поверхностью поршня, а также местоположение средства выпуска выбраны такими, что, когда упомянутая область находится внутри первой камеры сгорания, и поршень находится с той же стороны средства выпуска, что и вторая камера сгорания, происходит удаление газообразных продуктов сжигания из первой камеры сгорания через это средство выпуска;
- расстояние между открытой областью для доступа в канал, созданной в первой секции штока, и первой торцевой поверхностью поршня, а также местоположение средства выпуска выбраны такими, что после удаления газообразных продуктов сжигания из первой камеры сгорания происходит нагнетание газа в эту камеру при продолжающемся вводе в нее предварительно сжатого воздуха через упомянутую область;
- расстояние между открытой областью для доступа в канал, созданной во второй секции штока, и второй торцевой поверхностью поршня, а также местоположение средства выпуска выбраны такими, что, когда поршень миновал средство выпуска при его перемещении ко второму концу второй камеры сгорания, и упомянутая область находится снаружи второй камеры сгорания, происходит сжатие газа внутри этой камеры;
- расстояние между открытой областью для доступа в канал, созданной во второй секции штока, и второй торцевой поверхностью поршня, а также местоположение средства выпуска выбраны такими, что, когда упомянутая область находится внутри второй камеры сгорания, и поршень миновал средство выпуска при его перемещении к первому концу первой камеры сгорания, происходит удаление газообразных продуктов сжигания из второй камеры сгорания через это средство выпуска;
- расстояние между открытой областью для доступа в канал, созданной во второй секции штока, и второй торцевой поверхностью поршня, а также местоположение средства выпуска выбраны такими, что после удаления газообразных продуктов сжигания из второй камеры сгорания происходит нагнетание газа в эту камеру при продолжающемся вводе в нее предварительно сжатого воздуха через упомянутую область;
- расстояние между открытой областью для доступа в канал, созданной в первой секции штока и первой торцевой поверхностью поршня, а также местоположение средства выпуска выбраны такими, что, когда поршень миновал средство выпуска при его перемещении к первому концу первой камеры сгорания, и упомянутая область находится снаружи первой камеры сгорания, происходит сжатие газа внутри этой камеры;
- степень сжатия в двигателе зависит от, по меньшей мере, одного из следующего: минимального расстояния между открытой областью для доступа в канал, созданной в первой секции штока, и первой торцевой поверхностью двухстороннего поршня и минимального расстояния между открытой областью для доступа в канал, созданной во второй секции штока, и второй торцевой поверхностью двухстороннего поршня;
- поршень для двигателя внутреннего сгорания, включающий цилиндрическую первую часть, имеющую первый диаметр, цилиндрическую вторую часть, имеющую первый диаметр, и цилиндрическую третью часть, имеющую второй диаметр, который меньше первого диаметра, и находящуюся между упомянутыми первой и второй частями, причем до сборки первая часть поршня и вторая часть поршня являются отдельными элементами, а также включающий непрерывное, не имеющее зазора поршневое кольцо, окружающее упомянутую третью часть, которое выполнено таким образом, что при нагреве оно деформируется в поршне в осевом направлении;
- третья часть поршня задает канавку между его первой и второй частями;
- до сборки третья часть поршня и первая часть являются единым целым, а вторая часть поршня является отдельным элементом;
- канавка, расположенная на внешней боковой поверхности поршня, имеет первый край и второй край, находящийся на расстоянии от первого края;
- поршневое кольцо, расположенное в канавке, имеет геометрию с изгибами, такую, чтобы форма этого кольца отличалась от формы канавки, и такую, чтобы при установке это кольцо занимало канавку не полностью, причем поршневое кольцо изготовлено из такого материала, чтобы при его нагреве форма изгибов изменялась, что позволяет этому кольцу расширяться в поршне в осевом направлении между краями канавки;
- изгибы имеют форму волны;
- гребни волны поочередно идут к противоположным краям канавки;
- поршневое кольцо изготовлено таким образом, что при нагреве оно расширяется в поршне в осевом направлении, а не в радиальном;
- поршневое кольцо имеет волнистую форму, если смотреть сбоку, и круглую форму, если смотреть спереди;
- поршневое кольцо включает множество обособленных плоских поверхностных областей примыкания на торцевых поверхностях;
- плоские поверхностные области примыкания созданы таким образом, что они поочередно примыкают к противоположным краям канавки;
- зазор между поршневым кольцом и первым и вторым краями канавки делает возможным расширение и сжатие этого кольца в осевом направлении при сохранении, если смотреть спереди, круглой формы этого кольца, имеющего, по существу, постоянный внешний диаметр;
- поршневое кольцо имеет волнистую форму, если смотреть сбоку, и включает множество обособленных плоских поверхностных областей примыкания на торцевых поверхностях, причем плоские поверхностные области примыкания созданы таким образом, что они поочередно примыкают к первому и второму краям канавки так, что участки поршневого кольца, находящиеся между этими областями, находятся на расстоянии от упомянутых краев;
- поршень, полученный в результате сборки из отдельных элементов, включающих два крайних диска, каждый из которых имеет первый внешний диаметр, и центральный диск, имеющий второй внешний диаметр, который меньше первого внешнего диаметра, причем центральный диск обеспечивает тепловой зазор между двумя крайними дисками;
- дополнительно обеспечен центральный диск поршня, имеющий твердость, отличающуюся от твердости крайних дисков поршня;
- центральный диск поршня выполнен как единое целое с одним из двух его крайних дисков.
В рассмотренные примерные варианты могут быть внесены различные изменения, и в них могут быть сделаны различные модификации, что не приведет к выходу за пределы сущности или объема этого изобретения, которые определены в пунктах приложенной Формулы изобретения. Например, газообразные продукты сжигания, возникающие в двигателе 10, можно использовать для приведения в действие турбокомпрессора. Сжатие вводимого в цилиндр воздуха можно выполнять при помощи внешнего компрессора, который приводится в действие при помощи секций штока, которые проходят от противоположных концов цилиндра и перемещаются возвратно-поступательно. Другие модификации могут включать создание вихревого потока при вводе газа в цилиндр за счет изменения угла наклона впускных портов и выпускных портов, в результате чего этот газ поступает в цилиндр и из него наружу не в радиальном направлении.