АВТОНОМНЫЙ ПОРШЕНЬ БИНАРНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2009 года по МПК F02B75/28 

Изобретение относится к области разработки и создания поршневых двигателей внутреннего сгорания, а именно бинарных ДВС, у которых рабочий объем цилиндра разделен на две изолированные друг от друга камеры автономным поршнем, не связанным с валом двигателя.

Известно устройство автономного поршня бинарного ДВС, который разделяет рабочий объем цилиндра на камеры нагнетания и сгорания и состоящее из корпуса, представляющего полый цилиндр с концентрическими торцевыми полками, ограничивающими его внутреннюю полость со стороны камеры нагнетания и со стороны камеры сгорания, в которой располагаются шайба, перфорированная сквозными каналами, и упругий элемент, обеспечивающий, при соответствующих перепадах давлений между камерами, прижатие шайбы к торцевой полке со стороны камеры нагнетания для разобщения камер, перевод шайбы во взвешенное положение для сообщения камер, возвращение шайбы на полку для разобщения камер. Указанное устройство описано в патенте №2146007 от 27.02.2000 г., МПК F02В 3/4, 25/10 и принято за прототип.

Недостатком прототипа является наличие в составе автономного поршня упругого элемента в виде цилиндрической пружины, что увеличивает габариты и массу поршня, а также ограничивает время подачи свежей порции окислителя в камеру сгорания за счет преждевременного возвращения шайбы на торцевую полку со стороны камеры нагнетания. Отмеченные недостатки обуславливают ограничение работоспособности двигателя.

Целью изобретения является сокращение габаритов и массы автономного поршня и увеличение времени на подачу свежей порции окислителя в камеру сгорания.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве используют не менее двух упругих элементов, размещенных в нишах на корпусе поршня и воздействующих на фиксаторы, которые противоположной стороной постоянно контактируют с телом шайбы, передавая на нее усилие со стороны упругого элемента, причем фиксаторы распределены равномерно по окружности шайбы, а в местах контакта на теле шайбы выполнены фаски или канавки для фиксации шайбы в двух положениях, либо в прижатом к полке, либо во взвешенном. Кроме того, указанная цель достигается тем, что упругие элементы выполнены в виде пластин, а фиксаторы - в виде сферических тел, при этом в нишах установлены буртики, исключающие выпадение фиксаторов из ниш, а фаски или канавки, фиксирующие шайбу в крайних положениях, имеют разную глубину, причем юбка поршня имеет конусность с уменьшением диаметра в сторону камеры нагнетания.

На фиг.1, 2 и 3 представлены элементы конструктивного исполнения предлагаемого устройства автономного поршня. Здесь: 1 - корпус поршня; 2 - ниша в корпусе для размещения элементов фиксации; 3 - фиксаторы; 4 - упругий элемент; 5 - шайба; 6 - торцевая полка корпуса поршня со стороны камеры нагнетания; 7 - буртик; 8 - фиксирующая канавка; 9 - фиксирующая фаска; 10 - каналы (оси каналов), перфорирующие шайбу.

На фиг.1:

a) - положение элементов автономного поршня в режиме разобщения камер;

b) - положение элементов автономного поршня при переходах из режима разобщения в режим сообщения камер и обратно;

c) - положение элементов автономного поршня в режиме сообщения камер.

Левая половина представляет положение элементов поршня при разобщении камер, а правая - при их сообщении.

На фиг.2 представлен увеличенный масштаб фрагмента фиксирующего устройства

(план) для объяснения его работы:

a) - положение элементов автономного поршня в режиме разобщения (сообщения) камер;

b) - положение элементов автономного поршня при переходах из режима разобщения в режим сообщения камер и обратно.

На фиг.3 представлены варианты шайбы с использованием фиксирующих фасок - вариант а); фиксирующей фаски и канавки - вариант b); и с юбкой конического исполнения - вариант с).

Устройство работает следующим образом.

В процессе работы на шайбу 5 действует результирующая сила

F=Fкс-Fкн±Fуэ,

которая может быть либо положительной и прижимать шайбу к полке со стороны камеры нагнетания, либо отрицательной и отжимать шайбу от полки, для перевода ее во взвешенное положение.

Сила Fкн=pкн*Sкн обусловлена давлением рабочего тела, находящегося в камере нагнетания, а сила Fкс=ркс*Sкс обусловлена давлением рабочего тела, находящегося в камере сгорания. Sкн и Sкс - площади по обе стороны шайбы, находящиеся под воздействием рабочих тел, заполняющих камеры нагнетания и сгорания соответственно. Давления рабочих тел в камерах нагнетания и сгорания - ркн и ркс соответственно.

Сила Fуэ представляет осевую составляющую силы, действующей на шайбу со стороны упругого элемента, и определяется величиной жесткости упругого элемента и углом скоса фаски или канавки шайбы, в которой находится фиксатор при данном положении шайбы.

Если Skc всегда неизменна и равна площади шайбы S, определяемой ее диаметром D, то Sкн зависит от того, находится шайба на полке или нет. При взвешенном положении S'кн=S, а при положении шайбы на полке S''кн<S, поскольку определяется диаметром расточки торцевой полки со стороны камеры нагнетания Dкн. При взвешенном положении шайбы разность Fкс-Fкн однозначно определяется разностью давлений в камерах и, если ркс>ркн, будет всегда положительной, т.е. направленной в сторону полки. При положении шайбы на полке разность Fкс-Fкн может оставаться положительной даже при некоторых значениях ркс<ркн, поскольку определяется соотношением диаметров шайбы D и внутренней расточки полки со стороны камеры нагнетания Dкн.

Для обеспечения возможности расширения диапазона работы автономного поршня используется дополнительная сила, в данном случае воздействие на шайбу со стороны упругого элемента, Fуэ. Такая сила в случае прижатия шайбы к полке (варианты а/ на фиг.1 и 2) имеет положительное направление и совпадает с направлением силы, действующей со стороны камеры сгорания, а в случае удержания ее во взвешенном положении (варианты c/ на рисунках) имеет противоположное направление и совпадает с направлением силы, действующей со стороны камеры нагнетания. Таким образом, сила Fуэ увеличивает перепад давлений между камерами, при котором шайба остается во взвешенном положении, т.е. увеличивается период сообщения камер. То же касается и обратного перехода.

Если фаски или канавки на теле шайбы выполнить различной глубины, то Fуэ будет разной в прижатом и во взвешенном положениях. Благодаря этому можно регулировать как момент подключения камеры нагнетания к камере сгорания, так и время наполнения камеры сгорания свежей порцией окислителя, что расширяет маневренные и эксплуатационные возможности двигателя.

Такую же цель преследует и конусное исполнение юбки автономного поршня с уменьшением диаметра в сторону камеры нагнетания. Такая конусность позволяет уменьшить время до возвращения шайбы на полку и тем самым исключить в процессе сгорания негативное обратное перетекание газов из камеры сгорания в камеру нагнетания.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, у которых рабочий объем цилиндра разделен на две изолированные друг от друга камеры автономным поршнем, т.е. бинарным ДВС. Техническим результатом является сокращение габаритов и уменьшение массы автономного поршня и направлено на повышение эффективности работы бинарного ДВС. Указанная цель достигается тем, что в устройстве используются не менее двух упругих элементов, размещенных в нишах корпуса поршня и воздействующих на фиксаторы, которые противоположной стороной постоянно контактируют с телом шайбы, передавая на нее усилие со стороны упругого элемента. Фиксаторы распределены равномерно по окружности шайбы, а в местах контакта на теле шайбы выполнены фаски или канавки для фиксации шайбы в одном из двух положений: либо в прижатом к полке, либо во взвешенном. Упругие элементы могут быть выполнены в виде пластин, а фиксаторы - в виде сферических тел. В нишах могут быть установлены буртики, исключающие выпадение фиксаторов из ниш, при этом фаски или канавки, фиксирующие шайбу в различных положениях, имеют разную глубину, а юбка поршня имеет конусность с уменьшением диаметра в сторону камеры нагнетания. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Автономный поршень бинарного двигателя внутреннего сгорания, состоящий из корпуса, представляющего полый цилиндр с концентрическими торцевыми полками, ограничивающими его внутреннюю полость со стороны камеры нагнетания и со стороны камеры сгорания, в которой располагаются шайба, перфорированная сквозными каналами, и упругий элемент, обеспечивающий при соответствующих перепадах давлений между камерами прижатие шайбы к торцевой полке со стороны камеры нагнетания для разобщения камер, перевод шайбы во взвешенное состояние для сообщения камер, возвращение шайбы на полку для разобщения камер, отличающийся тем, что в устройстве используют не менее двух упругих элементов, размещенных в нишах корпуса поршня и воздействующих на фиксаторы, которые противоположной стороной постоянно контактируют с телом шайбы, передавая на нее усилие со стороны упругого элемента, причем фиксаторы распределены равномерно по окружности шайбы, а в местах контакта на теле шайбы выполнены фаски или канавки для фиксации шайбы в одном из двух положений - либо в прижатом к полке, либо во взвешенном.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упругие элементы выполнены в виде пластин, а фиксаторы в виде сферических тел.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нишах установлены буртики, исключающие выпадение фиксаторов из ниш.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фаски или канавки, фиксирующие шайбу в различных положениях, имеют разную глубину.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что юбка поршня имеет конусность с уменьшением диаметра в сторону камеры нагнетания.