Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению и предназначено для повышения эффективности транспортных средств с электроприводом движителя (гребной винт, электрические моторы и т.п.). Двигатель состоит из торообразного корпуса 1, разделенного на секции: "впуск-выпуск"; впрыск топлива 3, сжатие 4 и расширение 5 (последние снабжают катушками индукции 6 и 7). Внутри корпуса свободно вращаются поршни 8 - 11, конструктивно выполненные взаимозаменяемыми и состоящими из основного поршня, вспомогательного, перемещаемого по трубчатой оси, один конец которой открыт в рабочий канал корпуса, а в торце другого выполнены отверстия. С внешней стороны основной корпус снабжен уплотнительными кольцами, между которыми набраны изолированные кольца из ферромагнитного материала. С внешней стороны корпуса секций 4 и 5 осуществлена намотка катушек индукции 6 и 7. По одному варианту намотка осуществлена изолированным проводом непосредственно по корпусу. По другому варианту, между корпусом и катушками индукции устанавливается промежуточная рубашка, внутри которой циркулирует охлаждающая жидкость. 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к конструкции ДВС, совмещающей функции двигателя и генератора тока и может быть применено в транспортных средствах с электроприводом движителя (гребной винт, электрические мотор-колеса и т.п.).

Известны конструкции ДВС с механическим приводом [1]. Наличие кривошипно-шатунных механизмов усложняет конструкцию; периодичность движения поршней вызывает в работе большие знакопеременные нагрузки, что утяжеляет конструкцию и снижает ее работоспособность. Для расширения диапазона применяемых топлив применяют сложной конструкции поршни, обеспечивающие переменную степень сжатия [2] . В значительной степени указанных недостатков лишены свободнопоршневые дизель - компрессоры и дизель - генераторы газа [1]. Однако и они имеют периодичный ход поршней. Двигатель Ванкеля имеет вращающийся сложной формы поршень, сложность формы и уплотнения снижают возможности его применения.

Целью изобретения является устранение отмеченных выше недостатков.

Указанная цель достигается тем, что корпус выполняют в виде тора, в котором свободно вращаются поршни, делящие объем тора на функциональные зоны: впуск воздуха, его сжатие, рабочий ход и выпуск; в районе зон сжатия и расширения с внешней стороны на корпусе осуществляют намотку катушек индукции соответственно для разгона поршней и объема электротока при прохождении поршня, выполняемого из ферромагнитных материалов; турбокомпрессор устанавливают внутри располагаемых рядно торовых корпусов по оси последних; поршень выполняют полым, внешнюю часть поршня набирают из ферромагнитных, изолированных друг от друга колец, размещаемых между кольцами уплотнения; внутри поршня устанавливают свободно перемещающийся вспомогательный поршень; корпус основного поршня снабжают отверстиями для всоса и сброса воздуха; корпус тора секционируют поперечными разъемами на секции впуск - выпуск и впрыска топлива, причем их длина равна или больше длины поршня; все секции конструктивно выполняют взаимозаменяемыми; прокладки на разъемах выполняют из токо(магнито)проводящих материалов, позволяющих использовать корпус тора в качестве магнитопровода трансформатора; трубы охлаждения корпуса, закрепляемые с внешней стороны, одним концом присоединяют к воздушному напорному тракту турбокомпрессора, а другим - к корпусу в зоне расширения газов, где давление газа меньше давления воздуха; трубы охлаждения при намотке чередуют с витками катушек индукции; корпус по всему периметру снабжают рубашкой, внутреннее пространство которой заполняют охлаждающей жидкостью с магнитными свойствами; в качестве охлаждающей жидкости применяют электролит, в секциях впуск - выпуск и впрыска топлива между корпусом и рубашкой устанавливают, преимущественно, радиально пластины аккумулятора; корпуса тора образуют замкнутую спираль.

На фиг. 1 изображен схематично общий вид предлагаемого двигателя; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 - сечение В-В на фиг. 1; на фиг. 5 - вариант компоновки двигателя в виде замкнутой спирали; на фиг. 6 - вариант исполнения поршня.

Двигатель состоит из торообразного корпуса 1, разделенного на секции: впуск-выпуск 2, впрыска топлива 3, сжатия 4 и расширения 5; последние снабжают катушками индукции 6 и 7. Внутри корпуса свободно вращаются поршни 8, 9, 10, 11, конструктивно выполненные взаимозаменяемыми и состоящими из основного поршня 12, вспомогательного поршня 13, перемещаемого по трубчатой оси 14, один конец которой 15 открыт в рабочий канал корпуса, а в торце другого выполнены отверстия 16. С внешней стороны основной корпус снабжен уплотнительными кольцами 17, между которыми набраны изолированные кольца 18 из ферромагнитного материала. С внешней стороны корпуса секций 4 и 5 осуществлена намотка катушек индукции 6 и 7. По одному из вариантов (фиг. 3 снизу) намотка осуществлена изолированным проводом 19 непосредственно по корпусу. Между проводами могут располагаться трубы охлаждения 20, плотно скрепляемые, например, сваркой с корпусом. Воздух, проходящий через трубы охлаждения, сбрасывается через отверстия 21 в секцию расширения газа. Чередование проводов 19 и труб 20 способствует охлаждению обмотки катушек индукции.

По другому варианту, между корпусом и катушками индукции (фиг. 3, вверху) устанавливается промежуточная рубашка 22, внутри которой циркулирует охлаждающая жидкость. В качестве охлаждающей жидкости могут применяться ныне употребляемые в ДВС, а также обладающие магнитными свойствами и электролит. В последнем случае в секциях 2 и 3 могут устанавливаться пластины аккумулятора 23. Корпус 1 соединен с турбокомпрессором 24 трубопроводами 25 отвода выпускных газов и трубопроводами 26 впуска воздуха. Секции 2 и 3 снабжены трубопроводами впрыска топлива 27. Все трубопроводы снабжены запорной арматурой. Между фланцами разъемов установлены прокладки 28.

Работает конструкция следующим образом. Примем на фиг. 1 вращение поршней по часовой стрелке и в правой нисходящей ветви тора условимся расположить зону сжатия 4. Тогда секция 2 будет соответствовать функционально впуску воздуха, для чего на трубопроводах 25 и 26 секции 2 запорная арматура должна быть открыта, а на аналогичных трубопроводах секции 3 закрыта. На трубопроводе подвода топлива арматура должна быть открыта в секции 3 и закрыта в секции 2. Секция 5 выполняет в данном случае функцию зоны расширения газов. Итак, воздух поступает в секцию 2 сразу же после прохождения поршня 8 мимо трубопровода 25. Поршень 8 разгоняется катушкой 6 и расстояние между ним и следом двигающимся поршнем 11 резко увеличивается, что приводит к быстрому заполнению объема между поршнями воздухом. Когда поршень 8 займет положение поршня 9, а поршень 11 положение поршня 8 и последний начнет ускорять движение, порция воздуха ранее располагаемая между ними начнет сжиматься. При дальнейшем движении поршней сжатая порция воздуха перемещается в секцию 3, где в нее впрыскивается топливо. Если двигатель работает в режиме Дизеля, то топливо от температуры сжатого воздуха воспламеняется - давление газов растет и под его воздействием поршень слева, который в данном случае будет 9 переместившимся на место поршня 10, начнет ускоряться по часовой стрелке, а поршень справа, наоборот, будет подтормаживаться, поскольку выталкивающая электродвижущая сила катушки 6 и давление газов действуют на него в разные стороны. Движущийся, предварительно намагниченный в катушке 6 ферромагнитный поршень (весь или его часть в виде ферромагнитных колец 18) создает в катушке 7 дополнительную магнитную индукцию, а последняя наводит в обмотке электрический ток [3], снимаемый с катушки как развиваемая мощность двигателя. Полезная мощность в данном случае будет как разность развиваемой в катушке 7 и затрачиваемой в катушке 6. Движущийся в катушке 7 поршень постепенно теряет скорость из-за сопротивления электродвижущей силы катушки и из-за сопротивления выталкивания предыдущей расширившейся части газа через трубопровод 26 секции 2. Когда поршни еще не перекрывают трубопроводы, то воздух трубопровода 25 осуществляет продувку оставшегося газа через трубопровод 26. [По аналогии вентиляции в двухтактном двигателе часть воздуха при этом теряется, однако, если турбокомпрессор оснащен дополнительной камерой сгорания (дожигания), то потери могут быть сведены к минимуму]. После закрытия поршнем трубопровода 26 и открытия трубопровода 25 процесс повторяется. Таким образом, правая часть тора работает на сжатие, а левая на расширение. Если катушки функционально поменять местами путем перекоммутации, то правая часть будет работать на расширение, а левая на сжатие. Для этого функционально надо поменять местами и секции 2 и 3. Сказанное выше позволяет более равномерно осуществлять износ корпуса, продлить срок его службы. Если функционально изменить трубопроводы 25 и 26, то можно осуществить реверс двигателя, хотя это и не актуально при съеме мощности в виде электротока. Рассмотрим процесс охлаждения поршня. (фиг. 3).

В рабочем положении поршень движется по направлению стрелки. Если поршень ускоряется (а это имеет место в катушке 6), то вспомогательный поршень 13, если его выполнить из немагнитного материала, отстает от движения основного 12, двигаясь к задней стенке последнего. При этом через отверстия 15 и 16 воздух поступает внутрь поршня и охлаждает его. При торможении поршень 13 устремляется вперед и вытесняет воздух через отверстие 15 в полость корпуса, что имеет место при прохождении поршня через катушку 7. Свежий воздух позволяет дожигать топливо, снижая выбросы CO. Если поршень выполнить из ферромагнитного материала, то конструктивно внутренняя часть поршня будет иной (фиг. 6), ибо магнитный вспомогательный поршень при ускорении в катушке 6 будет двигаться быстрее основного поршня, засасывая воздух через отверстия в торце. При прохождении катушки 7 вспомогательный поршень будет сильнее тормозиться, отставая от основного и выталкивать воздух в рабочий объем торового цилиндра. Возможны и комбинации работы поршней относительно друг друга с использованием емкостей масла, пружин, как это имеет место в поршнях с переменной степенью сжатия [2]. Охлаждение корпуса дано в виде нескольких вариантов. Один из них - воздушное охлаждение, когда часть воздуха от напорного турбокомпрессора направляется через трубы 20 и затем сбрасывается в зону низкого давления при расширении через отверстия 21, где также, как и воздух поршня, участвует в дожигании топлива. При более интенсивном нагреве корпуса может быть организовано охлаждение жидкостью с отводом тепла через радиатор (на черт. не показано), что ведет к потере тепла в окружающую среду. Можно организовать охлаждение магнитной жидкостью, циркулирующей под воздействием электродвижущей силы катушек индукции - перенос тепла при этом осуществляется от более горячей части корпуса (зона горения) в более холодную (зоны впуска и сжатия воздуха), где тепло передается воздуху, хотя это с термодинамической точки зрения и не бесспорно. С одной стороны тепло не теряется, а с другой - увеличиваются затраты на сжатие более горячего воздуха. В качестве жидкости охлаждения может быть использован электролит, тогда возможно конструктивное совмещение аккумулятора с частью корпуса (фиг. 4), что снижает суммарные габариты и массу машины. На фиг. 5 в качестве варианта изображена конструкция ДВС в виде замкнутой спирали, что позволяет осуществлять движение всех поршней по всем корпусам непрерывно. Если прокладки 28 выполнять токо(магнито)проницаемыми, то корпус в виде тора можно представить как трансформатор, тогда запитку током ускоряющей катушки, можно осуществить в режиме трансформатора. Регулирование степени сжатия может быть осуществлено изменением силы тока в ускоряющей катушке, что позволяет считать предлагаемый двигатель универсальным по топливу. Более энергичный пуск двигателя может быть осуществлен путем переключения и катушки 7 на режим ускорения, изменив направление движения тока в катушке. Разумеется, ДВС может быть создан и для работы в режиме 2-х тактного, что позволит увеличить единичную мощность двигателя. При работе двигателя с карбюратором ДВС необходимо оснастить соответствующей системой зажигания - искровой или накаливания путем установки, например, дополнительной катушки ТВЧ, разогревающей в зоне зажигания металлическое кольцо, запрессованное в металлокерамику корпуса. При выполнении корпуса или отдельного сектора его из пористой металлокерамики можно через нее под внешним давлением осуществлять подачу масла для смазки пары "корпус(цилиндр) - поршень" (по аналогии с подачей воды [4]).

В заключение следует отметить, что в сечении корпус может быть не только в виде круга, но и другой формы: овал, квадрат и т.п.

Конструкция обладает повышенной степенью компактности.

Основной принцип конструкции - ускорение движения поршня, имеет вполне реальный прототип, так называемую электромагнитную пушку [5].

Попутно, учитывая, что в устройстве циркулируют электротоки большой мощности, можно реализовать и очистку дымовых газов от окислов азота и серы, поскольку, как известно, что пропуская ток через выхлопные газы дизеля, можно снизить содержание окислов азота и серы в 20 раз [6].

Источники информации, принятые во внимание 1. "Двигатели внутреннего сгорания" под ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова М. , "Машиностроение", 1980, ст. 265 2. "Двигатели с переменной степенью сжатия" В.П.Демидов М., "Машиностроение", 1978.

3. Ф.Е.Евдокимов "Теоретические основы электротехники" Изд. "Высшая школа" М., 1968, стр. 175 - 188.

4. Ж."Изобретатель и рационализатор" N 3, 1996, стр 24 (рубрика 1Б).

5. Патент США N 4870888 кл. F 41 F 1/02 "Ускоритель движущейся волны электромагнитной пушки".

6. Ж."Изобретатель и рационализатор" N 4 1996, стр. 25 (рубрика 3В-24).

Формула изобретения

1. Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания (СДВС), состоящий из корпуса и поршней, снабженный турбокомпрессором, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде тора, в котором свободно вращаются поршни, делящие объем тора на функциональные зоны: впуск воздуха, его сжатие, рабочий ход и выпуск, в районе зон сжатия и расширения с внешней стороны на корпусе осуществляют намотку катушек индукции соответственно для разгона поршней и съема электротока при прохождении поршня, выпрямляемого из ферромагнитных материалов.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что турбокомпрессор устанавливают внутри располагаемых рядно торовых корпусов по оси последних.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что поршень выполняют полым, его внешнюю часть набирают из ферромагнитных изолированных друг от друга колец, размещаемых между кольцами уплотнения.

4. Двигатель по пп.1 и 3, отличающийся тем, что внутри поршня устанавливают свободно перемещающийся вспомогательный поршень.

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что корпус тора секционируют поперечными разъемами на секции впуск-выпуск и впрыска топлива, причем длина их равна ил больше длины поршня.

6. Двигатель по пп.1 и 5, отличающийся тем, что все секции конструктивно выполняют взаимозаменяемыми.

7. Двигатель по пп.1 и 5, отличающийся тем, что прокладки на разъемных выполняют из токо(магнито)проводящих материалов, позволяющих использовать корпус тора в качестве магнитопровода трансформатора.

8. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что трубы охлаждения корпуса, закрепляемые с внешней стороны, одним концом присоединяют к воздушному напорному тракту турбокомпрессора, а другим - к корпусу в зоне расширения газов, где давление газа меньше давления воздуха, трубы охлаждения при намотке чередуют с витками катушек индукции.

9. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что корпус по всему периметру снабжают рубашкой, внутреннее пространство которой заполняют охлаждающей жидкостью с магнитными свойствами.

10. Двигатель по пп.1 и 9, отличающийся тем, что в качестве охлаждающей жидкости применяют электролит, в секциях впуск - выпуск и впрыска топлива между корпусом и рубашкой устанавливают пластины аккумулятора, преимущественно, радиально.

11. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что корпуса тора образуют замкнутую спираль.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6