СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2013 года по МПК F02B71/04 F01B11/08 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к двухтактным свободнопоршневым двигателям внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в качестве силовых установок для привода стационарных и мобильных машин.

Известны традиционные ДВС (четырех- и двухтактные), у которых наличие кривошипно-шатунного механизма (КШМ) обусловливает ряд непреодолимых отрицательных свойств, в числе которых: наличие большого числа вредных составляющих усилий и их реакций, вызывающих повышенный износ деталей, вибрацию и нагрев ДВС, неполное сгорание топливной смеси, что снижает КПД двигателя и обусловливает его значительные габариты и массу.

Известен дизель-гидравлический гибрид Jngocar (Журнал «Популярная механика» 2008 г.), в котором дизель закачивает текучую среду из бака в гидравлический аккумулятор, откуда подается на исполнительные механизмы. Однако существуют трудности в создании гидроаккумулятора большой емкости, а кроме того, при такой компоновке невозможно создать ДВС большой мощности с большим крутящим моментом и малыми габаритами.

Наиболее близким аналогом является изобретение «Силовая установка» Патент RU №2199672 (МПК⁷ F02B 71/04), опубликовано 27.02.2003 - прототип.

Силовая установка, согласно указанному патенту, содержит, по меньшей мере, по одному механизму с колебательным (возвратно-поступательно) свободнопоршневым с одним поршнем звеном и жестко связанным с ним гидроцилиндром через гидромагистрали, соединенными с гидромашиной, ротор которой жестко связан с валом.

Гидромашины установлены с зеркальным размещением рабочих элементов.

Недостатками указанного изобретения являются неполное сгорание топлива, малый КПД и большой объем занимаемого пространства.

Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности создания ДВС необходимой мощности с большими крутящим моментом и КПД, с малыми габаритами и весом и возможности использования различных видов топлива (жидкого и/или газообразного) с условием его полного сгорания.

Указанный технический результат достигается тем, что в свободнопоршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем колебательное звено с гидроцилиндрами и гидромашины, установленные с зеркальным размещением рабочих элементов и роторы которых закреплены на одном валу, колебательные звенья выполнены оппозитно и размещены параллельно валу, а гидромашины - на их противоположных сторонах перпендикулярно валу.

Кроме того:

- цилиндры сгорания с разноименными тактами размещены в направлении вращения вала;

- количество колебательных звеньев является четным;

- каждая пара цилиндров сгорания с разнофазными тактами объединена каналом перетока продуктов горения;

- канал перетока продуктов горения расположен тангенциально к цилиндрам;

- канал перетока продуктов сгорания снабжен регулятором количества перетока газов и устройством подачи топлива;

- гидроцилиндры снабжены гидроаккумуляторами с регулируемым давлением;

- корпуса колебательных звеньев объединены со статорами гидромашин, внутри которых размещены гидромагистрали;

- пусковая свеча установлена на одном из цилиндров;

- надпоршневые зоны гидроцилиндров соединены каналами.

Заявленное изобретение поясняется графическими материалами, где схематически представлена компоновочная схема наилучшего на сегодня исполнения свободнопоршневого ДВС в соответствии с заявляемым изобретением.

На фиг.1 представлен вид сбоку на ДВС в сечении А-А, на которой изображены:

цилиндр 1 камеры сгорания блока Н (ход сжатия)

поршни 1.1-1.2 камеры сгорания блока Н

цилиндр 2 камеры сгорания блока М (рабочий ход)

поршни 2.1- 2.2 камеры сгорания 2 блока М

гидроцилиндр левый 3 блока Н

гидроцилиндр правый 4 блока Н

поршень 5 левого гидроцилиидра блока Н

поршень 6 правого гидроцилиндра блока Н

шток 7 левой поршневой группы камеры сгорания блока Н

шток 8 правой поршневой группы камеры сгорания блока М

поршень 9 левого гидроцилиндра блока М

поршень 10 правого гидроцилиндра блока М

гидромашина левая 11

гидромашина правая 12

трубопровод 13 левой гидросистемы

трубопровод 14 правой гидросистемы

отверстия выхлопа 15.1-15.2 цилиндра 1 камеры сгорания блока Н

отверстия продувки 15.3-15.4 цилиндра 1 камеры сгорания блока Н

дыхательные отверстия 15.5-15.6 цилиндра 1 камеры сгорания блока Н

вал 16

маховик 17

свечи зажигания 18.1-18.2 цилиндров 1 и 2

трубопровод 19 топливной и горящей смеси

вентиль 20 объема топливной смеси

На фиг.2 представлен вид с торца на ДВС в сечении В-В, на которой изображены:

камера 21 гидромашины 12

ротор 22 гидромашины 12

шибер 23

шибер 24

каналы 25 и 26 гидромашины 12

обратные клапаны 27 и 28

полости давления 29 и 30

гидроаккумулятор 31

трубопроводы 32 гидроаккумулятора 31

На фиг.3 представлен вид ДВС в сечении С-С, на которой изображены:

цилиндры 1 и 2

трубопровод 19 топливной и горящей смеси

вентиль 20 объема топливной смеси.

Обратимся к фиг.1, на которой в сечении А-А изображены блок Н, включающий колебательные звенья (поршни 1.1 и 1.2. камеры сгорания 1, объединенные каждый штоками 7 и 8 с поршнями 5 и 6 гидроцилиндров 3 и 4 левой и правой поршневых групп) в режиме «рабочий ход» и блок М, включающий колебательные звенья (поршни 2.1 и 2.2 цилиндра 2, объединенные каждый штоками с поршнями 9 и 10 гидроцилиндров) в режиме «сжатие».

По обе стороны колебательных звеньев блоков Н и М размещены гидромашины 11 и 12, роторы которых выполнены зеркально, жестко установлены на одном валу 16, снабженном маховиком 17.

Цилиндры 1 и 2 снабжены свечами зажигания соответственно 18.1 и 18.2, отверстиями 15.1-15.2 выхлопа, отверстиями 15.3-15.4 продувки и дыхательными отверстиями 15.5-15.6 (на блоке М показаны без обозначений).

Надпоршневые области гидроцилиндров соединены каналами 13 и 14 для предотвращения «охлопывания» и синхронизации хода поршней 1.1-1.2 и 2.1 и 2.2.

Обратимся к фиг.2, на которой в сечении В-В изображена гидромашина 12 с размещенными в ее статоре ротором 22 в виде диска с впадинами, которые обеспечивают создание перемещающихся полостей давления 29 и 30 рабочего тела и каналами 25 и 26, снабженными обратными клапанами соответственно 27 и 28.

Для обеспечения постоянного заполнения рабочим телом, в качестве которого может быть использовано, например, масло для гидравлических систем или аналогичная по функциональному назначению жидкость, используется гидроаккумулятор 31 (устройство гидроаккумуляторов хорошо известны специалистам в области гидравлических систем), соединенный трубопроводами 32 с гидравлической системой.

Гидромашина снабжена шиберами 23 и 24, которые могут перемещаться при контакте с поверхностями ротора 12 и его впадин.

Свободные концы гидроцилиидров крепятся к статорам гидромашин 11 и 12.

Обратимся к фиг.3, на которой в сечении С-С изображены цилиндры 1 и 2 камер сгорания блоков Н и М, соединенные тангенциально трубопроводом 19 топлива и горящей смеси, снабженного вентилем 20 объема подачи топливной смеси.

В примере конкретного выполнения дана схема, содержащая четыре колебательных звена и две гидромашины, каждая из которых снабжена ротором с двумя впадинами. Однако ДВС может иметь большее (четное) количество колебательных звеньев, равномерно размещенных вокруг (продольно) вала, а роторы могут иметь большее количество впадин, что в совокупности обеспечивает увеличение до максимума крутящего момента, мощности и КПД ДВС.

Дополнительные устройства: для впрыска топлива, зажигания, смазки, продувки цилиндров не показаны, т.к. их функциональные и конструктивные варианты исполнения хорошо известны специалистам в этой области и могут быть выбраны для использования в предлагаемой конструкции ДВС.

Свободнопоршневой двухтактный двигатель внутреннего сгорания согласно приведенной схеме работает следующим образом.

С помощью одного из известных устройств, например электростартера, приводится во вращение вал, который, вращая роторы, с помощью шиберов вытесняет текучую среду из полостей, образованных впадинами ротора, в подпоршневую зону гидроцилиндров 3 и 4, поршни 5 и 6 гидроцилиндров через штоки 7 и 8 перемещают поршни 1.1 и 1.2 камеры сгорания блока Н, сближая их и производя тем самым такт «сжатие», по окончании которого производится поджиг топлива с помощью свечи зажигания 18.1, которое, сгорая, перемещает поршни 1.1 и 1.2, разводя их в противоположные стороны и осуществляя тем самым такт «рабочий ход», окончание которого изображено на фиг.1 блока Н, где отверстия 15.1 и 15.2 выхлопа и отверстия 15.3-15.4 продувки открыты.

Текучая среда, вытесненная из гидроцилиидров 3 и 4, перемещается в полость давления 29, вращая ротор (против часовой стрелки), при этом ранее находившаяся в этой полости текучая среда, вытесняемая шибером 24 по каналу 26, перемещается в подпоршневые полости гидроцилиндров блока М, производя такт «сжатие». Далее такты чередуются и вращают ротор 22 гидромашины 12 и синхронно зеркальный ему ротор гидромашины 11, установленный на другом конце вала 16, обеспечивая его вращение, т.е. работу двигателя в целом.

При одновременном движении поршней 1.1 и 1.2 цилиндра 1 блока Н навстречу друг другу (такт «сжатие») и друг от друга (такт «рабочий ход») в другом цилиндре 2 блока М на короткое время открывается доступ топливной смеси по трубопроводу 19 и часть горящих газов поступает из цилиндра 2 блока М в цилиндр 1 блока Н, увлекая за собой новую порцию топлива, количество которого регулируется вентилем 20 (форсунка или шибер).

Одновременно текучая среда, находящаяся в надпоршневых зонах гидроцилиндров блока Н, по каналам 13 и 14 перетекает в надпоршневые зоны соседних гидроцилиндров, перемещая их поршни 9 и 10 в противоположные стороны до открытия каналов выхлопа и продувки.

Топливная смесь подается в цилиндр I по касательной и интенсивно перемешивается, вследствие чего в конце такта «сжатие» смесь представляет собой гомогенизированную субстанцию, сгорающую наиболее эффективно.

Кроме того:

- минимальные зазоры между поршнями камеры сгорания в одном цилиндре при такте «сжатие» обеспечиваются расположением отверстий для перетока текучей среды из надпоршневой зоны одного гидроцилиндра в другой по трубопроводам левой 13 и правой 14 гидросистемы;

- степень сжатия регулируется гидроаккумулятором 31 с автоматическим регулятором давления, конструкция которого также хорошо известна специалистам в этой области.

Поступление горячего газа из цилиндра 1, в котором совершается такт «рабочий ход», в цилиндр 2 с тактом «сжатие» осуществляется по каналу 19, расположенному тангенциально по отношению к образующей цилиндров и снабженному регулятором 20 количества топлива.

При этом канал 19 расположен таким образом, что в цилиндре с тактом «рабочий ход» давление должно быть больше, чем давление в цилиндре, совершающем такт «сжатие».

Описанный цикл, многократно повторяясь, обеспечивает непрерывную работу ДВС. При этом возможно использование одной свечи зажигания только в одном цилиндре, т.к. в другом цилиндре топливо смешивается с догорающими газами.

Таким образом, может быть создан качественно новый ДВС с большими крутящим моментом и КПД, с малыми габаритами и весом и возможностью использования различных видов топлива (жидкого и/или газообразного) с условием его полного сгорания.

Например, ДВС, состоящий из четырех цилиндров, двух гидромашин, роторы которых закреплены на одном валу на противоположных сторонах колебательных звеньев и снабжены двумя впадинами каждый, при условии, что такт «рабочий ход» происходит одновременно в двух цилиндрах, расположенных диаметрально противоположно и каждый из которых содержит по два поршня, то на вал единовременно воздействуют усилия от четырех поршней при повороте на 90 градусов. Таким образом, при попарном воздействии за полный оборот в 360 градусов на вал будут воздействовать усилия от шестнадцати поршней, что позволит создать ДВС с очень большим крутящим моментом и мощностью с более рациональным использованием различных видов топлива.

Перечень графических обозначений

1 цилиндр камеры сгорания блока Н (ход сжатия)

1.1 и 1.2 - поршни камеры сгорания блока Н

2 - цилиндр камеры сгорания блока М (рабочий ход)

2.1 и 2.2 - поршни камеры сгорания блока М

3 - гидроцилиндр левый блока Н

4 - гидроцилиндр правый блока Н

5 - поршень левого гидроцилиндра блока Н

6 - поршень правого гидроцилиндра блока Н

7 - шток левой поршневой группы блока Н

8 - шток правой поршневой группы блока Н

9 - поршень левого гидроцилиндра блока М

10 - поршень правого гидроцилиндра блока М

11 - гидромашина левая

12 - гидромашина правая

13 - трубопровод левой гидросистемы

14 - трубопровод правой гидросистемы

15.1-15.2 - отверстия выхлопа камеры сгорания блока Н

15.3-15.4 - отверстия продувки камеры сгорания блока Н

15.5-15.6 - дыхательные отверстия блока Н

16 - вал

17 - маховик

18.1-18.2 - свечи зажигания цилиндров 1 и 2

19 - трубопровод топливной и горящей смеси

20 - вентиль объема топливной смеси

21 - камера гидромашины 12

22 - ротор гидромашины 12

23, 24 - шиберы

25, 26 - каналы гидромашины 12

27, 28 - обратные клапаны

29, 30 - полости давления

31 - гидроаккумулятор

32 - трубопроводы гидроаккумулятора

Заявленное изобретение относится к области двигателестроения, в частности к двухтактным свободнопоршневым двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в качестве силовых установок для привода стационарных и мобильных машин. Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания содержит колебательные звенья с поршнями камер сгорания и объединенными с ними попарно поршнями гидроцилиндров и размещенные по обе стороны от них зеркально выполненными гидромашинами, роторы которых закреплены на одном валу. Колебательные звенья расположены вдоль вала и вокруг него. Изобретение обеспечивает повышение крутящего момента и КПД, уменьшение габаритов и веса. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий колебательное звено с гидроцилиндрами и гидромашины, установленные с зеркальным размещением рабочих элементов, роторы которых закреплены на одном валу, отличающийся тем, что колебательные звенья выполнены оппозитно и размещены параллельно валу, а гидромашины - на их противоположных сторонах перпендикулярно валу.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что цилиндры сгорания с разноименными тактами размещены в направлении вращения вала.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что количество колебательных звеньев является четным.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждая пара цилиндров сгорания с разнофазными тактами объединена каналом.

5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что канал расположен тангенциально к цилиндрам.

6. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что канал снабжен регулятором количества топлива.

7. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что гидроцилиндры снабжены гидроаккумулятором с регулируемым давлением.

8. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что корпуса колебательных звеньев объединены со статорами гидромашин, внутри которых размещены гидромагистрали.

9. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что пусковая свеча установлена на одном из цилиндров.

10. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что надпоршневые зоны гидроцилиндров соединены каналами.