Двигатель внутреннего сгорания (варианты) - RU2695174C2
Код документа: RU2695174C2
Чертежи
Описание
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания, и, более конкретно, к области двигателей внутреннего сгорания, имеющих поршень со свободным концом.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны двигатели внутреннего сгорания. Наиболее распространенными типами поршневых двигателей являются двухтактные двигатели и четырехтактные двигатели. Эти типы двигателей состоят из относительно большого количества деталей и требуют большого количества вспомогательных систем, например, смазки, охлаждения и тому подобное, для надлежащей работы.
В документе GB2183726(A) раскрыт двухтактный двигатель внутреннего сгорания двойного действия. Двигатель предусмотрен с выпускным клапаном, который перемещается на и относительно поршневого штока и не образует его нераздельный участок. Выпускной клапан оттягивается назад посредством пружины и открывается посредством поводка, когда поршень перемещается в другую сторону. Выпуск происходит, когда поршень достигает другой стороны, и выпускной клапан закрывается, как только поршень начинает перемещение к другой стороне.
Недостатками решения по документу '726 являются: необходимость изготовления выпускного клапана, совпадающего с возможностью скольжению с поршневым штоком, необходимость обеспечения пружины и механического открывающего механизма для клапана, и, неэффективный процесс газообмена.
В документе US5676097(A) раскрыт высокоэффективный двигатель внутреннего сгорания, предусмотренный с поршнем двойного действия, взаимодействующим со вспомогательными подающими впускными узлами. Выпускное отверстие расположено в центре цилиндра, и впускные отверстия расположены на краях цилиндра и используют клапан (19).
В документе US2012280513(A1) раскрыт свободнопоршневой двигатель. Двигатель является очень длинным. Поршень, расположенный на каждой стороне двигателя, соединен посредством внутреннего стержня с другим поршнем. Двигатель содержит жидкость в нем, и выпуск выполняется посредством механического клапана, расположенного на каждой стороне двигателя. Механическая энергия получается не снаружи двигателя, а внутри двигателя.
Решение по документу '513 имеет тот недостаток, что она требует специального выпускного клапана и механизма для его работы.
В документе US4831972(A) раскрыт двигатель внутреннего сгорания, имеющий свечи зажигания, расположенные в его центре. Механическая энергия, полученная двигателем, остается в двигателе.
В документе US6722322(B2) раскрыт двигатель внутреннего сгорания, содержащий два поршня, которые образуют своего рода головку двигателя. Внешняя пружина служит для удерживания внутреннего плунжера.
В документе DE102008004879(A1) раскрыт свободнопоршневой двигатель, например, для экскаватора, который имеет тепловой двигатель с тремя поршнями, линейный генератор, приводящийся в действие посредством теплового двигателя, для генерирования электроэнергии, и насосный узел, приводящийся в действие посредством теплового двигателя, для генерирования гидравлической и/или пневматической энергии.
В документе US6199519(B1) раскрыт свободнопоршневой двигатель, который является самовоспламеняющимся без необходимости свечей зажигания. Энергия не выходит из двигателя, и впуск и выпуск обеспечиваются на обеих сторонах стороны цилиндра.
В документе US4385597(A) раскрыт двухтактный двигатель внутреннего сгорания, имеющий три поршня; один центральный поршень и два боковых поршня, перемещающихся относительно центрального поршня.
В документе US4414927(A) раскрыт двухтактный двигатель с качающимся поршнем, имеющий три поршня. Никакой из поршневых штоков не служит в качестве выпускного клапана.
В документе JPS63192916(A) раскрыт линейный двигатель, имеющий три поршня.
В документе GB2353562(A) раскрывает двигатель внутреннего сгорания с узлом жесткого поршня/соединительного стержня и двумя камерами сгорания, также с теплоизоляцией и распылением воды в камеры сгорания. Недостаток двигателя по документу '562 заключается в том, что он требует впускного и выпускного клапанов на каждой стороне двигателя.
Целью настоящего изобретения является обеспечение свободнопоршневого двигателя, который существенно уменьшает или преодолевает вышеупомянутые недостатки.
Главной целью настоящего изобретения является обеспечение нового способа газообмена в двигателе внутреннего сгорания.
Дополнительной главной целью настоящего изобретения является обеспечение свободнопоршневого двигателя, который обеспечивает постоянный поток предварительного наддувочного свежего воздуха в и через цилиндр и через поршневой шток независимо от положения поршня, и, через выпускную систему, независимо от действия сгорания, совершаемого в заданное время.
Дополнительной целью настоящего изобретения является обеспечение нового циклического процесса в двигателе внутреннего сгорания, который отличается от цикла Авто, цикла Аткинсона или двухтактного цикла.
Также другой целью настоящего изобретения является обеспечение многофункционального поршня.
Еще одной другой целью настоящего изобретения является обеспечение поршня, который работает в качестве впускного клапана, и, поршневого штока, который работает в качестве выпускной трубы и в качестве выпускного клапана.
Также дополнительной целью настоящего изобретения является обеспечение свободнопоршневого двигателя, воплощающего прямой впрыск топлива низкого давления.
Еще одной другой целью настоящего изобретения является обеспечение свободнопоршневого двигателя, воплощающего работающий без напряжений в поперечном направлении поршень.
Дополнительной целью настоящего изобретения является обеспечение свободнопоршневого двигателя, который предотвращает протекание сжатого газа посредством отклонения потока газов в более длинный путь и уменьшения схождения газов по направлению к зазору между головкой двигателя и поршневым штоком.
Также дополнительной целью настоящего изобретения является обеспечение свободнопоршневого двигателя, имеющего механизм для предотвращения вращения поршня.
Также еще одной другой целью настоящего изобретения является обеспечение свободнопоршневого двигателя, имеющего систему для предотвращения вращения разъемного уплотнительного кольца.
Также другой целью настоящего изобретения является обеспечение свободнопоршневого двигателя, имеющего электрические генераторы по его периметру.
Также другой целью настоящего изобретения является обеспечение свободнопоршневого двигателя, который преобразует линейное движение во вращательное движение.
Еще одной другой целью настоящего изобретения является обеспечение свободнопоршневого двигателя с низкой стоимостью.
Дополнительной целью настоящего изобретения является обеспечение нового двигателя внутреннего сгорания, который является эффективным, имеет небольшое количество деталей, имеет высокое отношение мощности к весу и существенно уменьшает загрязнение воздуха и расход топлива.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Известный процесс цикла авто содержит следующие этапы: впуск - сжатие - работа - выпуск. Известный процесс двухтактного цикла содержит следующие этапы: работа и сжатие - выпуск и впуск вместе с перемещением поршня от верхней точки цилиндра к нижней точке цилиндра и снова вверх (полный цикл).
Циклический процесс настоящего изобретения, который может называться «циклом Водолей», содержит следующие этапы: работа - выпуск - продувка - наддув газа - сжатие - работа. Настоящее изобретение предлагает этот новый цикл, и настоящая конструкция позволяет ему выполняться симметрично и одновременно (т.е., когда заданная первая сторона цилиндра подвергается заданному этапу цикла, противоположная сторона цилиндра также подвергается этапу цикла, однако, на другом этапе в сравнении с этапом, выполняющимся на первой стороне цилиндра) внутри цилиндра на обеих сторонах цилиндра. Весь цикл происходит внутри цилиндра в каждом случае, когда поршень завершает свой ход от одного конца цилиндра к другому концу и одновременно.
Непрерывный поток предварительного наддувочного воздуха через цилиндр служит, помимо использования для горения, также для продувки отработавших газов, для охлаждения стенки цилиндра и поршня и для обогащения отработавших газов выпускной камеры.
В соответствии с настоящим изобретением, предложен двигатель внутреннего сгорания для генерирования линейного возвратно-поступательного движения выходного вала вдоль продольной оси, при этом двигатель содержит:
двухсторонний цилиндр, при этом цилиндр ограничен головкой двигателя на каждой его стороне;
выпускной узел, расположенный на каждой стороне цилиндра;
поршень, расположенный во внутреннем пространстве цилиндра и свободно скользящий относительно цилиндра вдоль продольной оси;
два поршневых штока, выровненных с продольной осью, при этом каждый поршневой шток соединен с другой стороной поршня, в котором:
каждый из поршневых штоков содержит выпускные отверстия.
Предпочтительно, при этом выпускные отверстия содержат по меньшей мере одно из группы: проемов, продольных щелей и канавок.
Типично, каждый из поршневых штоков предусмотрен с полостью, продолжающейся по меньшей мере от открытого конца поршневого штока, который удален от поршня, к выпускному отверстию, которое расположено ближе всего к поршню.
Предпочтительно, выпускные отверстия образуют выпускные клапаны, которые выполнены за одно целое с поршневыми штоками.
Более предпочтительно, каждый из поршневых штоков образует золотник.
Еще более предпочтительно, поршень образует впускной клапан и выпускной клапан.
Типично, поршень является симметричным относительно своей средней плоскости.
Инновационно, двигатель работает с циклом «Водолей», при этом цикл «Водолей» содержит этапы:
(a) работы, (b) выпуска, (c) продувки, (d) наддува газа, (e) сжатия.
Предпочтительно, выпускные отверстия расположены в по меньшей мере одной группе.
Типично, выпускные отверстия расположены во множестве групп.
Если требуется, цилиндр содержит впускные отверстия на его центральном участке.
На практике, цилиндр содержит непрерывный поток предварительного наддувочного воздуха через него.
Предпочтительно, цилиндр содержит стенку цилиндра на его внутреннем участке, и, непрерывный поток воздуха продувает цилиндр от отработавших газов, охлаждает стенку цилиндра и поршень и обогащает отработавшие газы независимо от положения поршня.
Инновационно, отработавшие газы выпускаются из цилиндра через поршневой шток.
Предпочтительно, отработавшие газы выходят из цилиндра в конце эффективного рабочего хода.
Типично, поршень образует многофункциональный поршень.
Предпочтительно, поршень образует работающий без напряжений в поперечном направлении поршень.
Если требуется, двигатель содержит промежуточную камеру, соединенную с выпускным коллектором, для предотвращения утечки отработавших газов.
Типично, двигатель содержит уплотнительные кольца для уплотнения между поршневым штоком и головкой двигателя и между поршневым штоком и выпускным узлом, и в котором:
уплотнительные кольца являются неподвижными, и поршневой шток скользит в них и относительно них.
Более типично, уплотнительные кольца содержат разъемные кольца, которые стремятся закрываться внутрь относительно поршневого штока.
В некоторых вариантах осуществления, двигатель содержит впускные отверстия и выпускные отверстия, которые расположены смежно впускным отверстиям.
Если требуется, двигатель содержит выравнивающую систему для предотвращения вращения поршня вокруг продольной оси.
На практике, выравнивающая система содержит выравнивающие стержни, которые направлены параллельно относительно продольной оси и соединены с поршневым штоком посредством соединительных кронштейнов.
Предпочтительно, выравнивающие стержни содержат обмотки катушек, и двигатель содержит электрический мотор, который генерирует электроэнергию посредством катушек статоров, на которые подается энергия посредством линейного перемещения назад и вперед выравнивающих стержней через них.
Типично, двигатель содержит воображаемую периферийную огибающую кривую, которая проходит вокруг и расположена на расстоянии от продольной оси; и
катушки статоров электрического мотора расположены вокруг периферийной огибающей кривой и расположены на расстоянии от продольной оси.
Более предпочтительно, двигатель содержит систему для преобразования линейного движения во вращательное движение.
В некоторых вариантах осуществления, система содержит:
первую шестерню, вращаемую первой зубчатой рейкой, которая соединена с первым выравнивающим стержнем, при этом первая шестерня вращается в одном направлении;
вторую шестерню, вращаемую второй зубчатой рейкой, которая соединена со вторым выравнивающим стержнем, который расположен рядом с первым выравнивающим стержнем, при этом вторая шестерня вращается в одном направлении, которое является таким же, что и направление вращения первой шестерни; и
первая шестерня и вторая шестерня выровнены и вращаются вокруг выходной оси.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для лучшего понимания настоящего изобретения и для того, чтобы показать, как оно может быть осуществлено на практике, ссылка теперь будет делаться на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 представляет собой общий вид свободнопоршневого двигателя в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.2 представляет собой вид сбоку в продольном разрезе двигателя фиг.1, в соответствии с первым вариантом осуществления;
Фиг.3 представляет собой общий вид с разнесением деталей двигателя фиг.1;
Фиг.4 представляет собой общий вид цилиндра двигателя фиг.1;
Фиг.5 представляет собой общий вид сверху цилиндра фиг.4;
Фиг.6 представляет собой общий вид поршня и поршневых штоков двигателя фиг.1;
Фиг.7 представляет собой общий вид выпускного узла двигателя фиг.1;
Фиг.8 представляет собой общий вид модифицированного варианта головки двигателя, когда используются клапаны;
Фиг.9 представляет собой общий вид верхнего участка впускного коллектора двигателя фиг.1;
Фиг.10 представляет собой общий вид нижнего участка впускного коллектора двигателя фиг.1;
Фиг.11 представляет собой вид сбоку в продольном разрезе другого варианта осуществления свободнопоршневого двигателя в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.12 представляет собой общий вид с разнесением деталей двигателя фиг.11;
Фиг.13 представляет собой общий вид цилиндра двигателя фиг.11;
Фиг.14 представляет собой общий вид головки двигателя фиг.11;
Фиг.15 представляет собой общий вид поршня и поршневых штоков двигателя фиг.11;
Фиг.16 представляет собой общий вид поршневой выравнивающей системы двигателя фиг.11;
Фиг.17 представляет собой общий вид другого варианта осуществления свободнопоршневого двигателя в соответствии с настоящим изобретением, показывающий соединение генерирующего электроэнергию узла с двигателем;
Фиг.18 представляет собой вид общий вид другого варианта осуществления свободнопоршневого двигателя в соответствии с настоящим изобретением, оснащенного механизмом для преобразования линейного движения во вращательное движение;
Фиг.19 представляет собой общий вид другого варианта осуществления поршневого штока в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.20 представляет собой схематичный продольный разрез свободнопоршневого двигателя в соответствии с настоящим изобретением во время первого этапа цикла Водолей;
Фиг.21 представляет собой схематичный продольный разрез свободнопоршневого двигателя в соответствии с настоящим изобретением во время второго этапа цикла Водолей;
Фиг.22 представляет собой схематичный продольный разрез свободнопоршневого двигателя в соответствии с настоящим изобретением во время третьего этапа цикла Водолей; и
Фиг.23 представляет собой схематичный продольный разрез свободнопоршневого двигателя в соответствии с настоящим изобретением во время четвертого этапа цикла Водолей.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Сначала внимание обращается на фиг.1-10, на которых показан свободнопоршневой двигатель 10 в соответствии с настоящим изобретением. Свободнопоршневой двигатель 10, имеющий продольную ось A, представляет собой двигатель внутреннего сгорания. С целью упрощения, свободнопоршневой двигатель 10 в дальнейшем будет называться «двигателем».
Двигатель 10 содержит двухсторонний цилиндр 12, имеющий множество распределенных по периферии впускных отверстий 14 в центральном участке 16 цилиндра 12. Типично, впускные отверстия 14 равномерно распределены по периферии цилиндра 12. Впускные отверстия 14 связаны по периферии посредством впускного коллектора 18. Впускной коллектор 18 содержит верхний участок 20 впускного коллектора, который соединен с нижним участком 22 впускного коллектора. Верхний участок 20 впускного коллектора содержит, на своем верхнем участке, воздухозаборник 24, через который предварительный наддувочный свежий воздух проходит в цилиндр 12. Каждая сторона цилиндра 12 закрыта головкой 26 двигателя и предусмотрена с множеством разнесенных дискообразных охлаждающих ребер 28. В некоторых случаях, в соответствии с требованиями конструкции, двигатель 10 может охлаждаться посредством использования охлаждающего агента типа, известного в данной области техники.
Следует отметить, что термины направленности, появляющиеся на протяжении описания изобретения и формулы изобретения, например «вперед», «назад», «верхний», «нижний» и т.д., используются в качестве удобных терминов для различения расположения различных поверхностей относительно друг друга. Эти термины заданы со ссылкой на фигуры, однако, они используются только для иллюстративных целей, и не предназначены для ограничения объема прилагаемой формулы изобретения.
Поршень 30 расположен во внутреннем пространстве 32 цилиндра 12 и может свободно скользить назад и вперед вдоль внутреннего пространства 32 цилиндра, в направлении продольной оси A. Поршень 30 является двухсторонним, монолитным и симметричным относительно своей средней плоскости P.
Поршневой шток 34 соединен с каждой стороной поршня 30, в его центре, симметрично относительно продольной оси A. Каждый из двух поршневых штоков 34 является полым, т.е., содержит продолжающуюся в продольном направлении полость 36, которая проходит вдоль всей длины поршневого штока 34. Так как поршень 30 является монолитным, как было упомянуто выше, должно быть очевидным, что полость 36 заданного поршневого штока 34 не соединена с полостью 36 другого поршневого штока 34, и газ не может протекать через поршень 30 от его одной стороны к его другой стороне.
Каждый поршневой шток 34, содержащий неотъемлемую часть «золотника» (как будет описываться позже) и многофункционального поршня, предусмотрен с множеством выпускных отверстий 38. В соответствии с конкретным вариантом осуществления настоящего изобретения, выпускные отверстия 38 каждого поршневого штока 34 расположены в три группы, а именно, внутреннюю группу 40, которая расположена ближе всего к поршню 30, наружную группу 42, которая расположена дальше всего от поршня 30, и центральную группу 44, которая расположена между внутренней группой 40 и наружной группой 42.
Расстояние между группами выпускных отверстий и их расположение относительно поршня, или, если требуется, количество групп определяются в соответствии с требованиями конструкции. Каждая группа, т.е., внутренняя группа 40, наружная группа 42 и центральная группа 44 предусмотрены с множеством выпускных отверстий 38. Выпускные отверстия 38 каждой группы равно разнесены от поршня 30. Более того, в соответствии с конкретным вариантом осуществления настоящего изобретения, выпускные отверстия 38 заданной группы равно распределены по периферии вокруг поршневого штока 34.
Расстояние выпускных отверстий 38 внутренней группы 40 от поршня 30, измеренное от самой ближней точки выпускных отверстий 38 до поршня 30, определяет степень сжатия двигателя 10.
Каждая из головок 26 двигателя содержит область для расположения в ней свечи зажигания и топливной форсунки 45. В качестве альтернативы, топливная форсунка 45 может быть предусмотрена на центральном участке 16 цилиндра или на стенке 33 цилиндра.
Дистальный конец каждой из головок 26 двигателя закрыт выпускным узлом 48. Выпускной узел 48 соединен с каждой из головок 26 двигателя, или, может комбинироваться с или представлять собой неотъемлемую часть каждой из головок 26 двигателя. Каждый выпускной узел 48 содержит выпускную камеру 50, на его внутреннем участке, и, выпускные охлаждающие ребра 52, на его внешнем участке. Верхний участок каждого из выпусков 48 содержит выпускное отверстие 54.
Теперь будет приведено общее описание работы двигателя. Когда поршень 30 скользит во внутреннем пространстве 32 цилиндра, он закрывает и открывает, соответственно, впускные отверстия 14, через которые входит предварительный наддувочный воздух, требующийся для работы всего двигателя, т.е., сгорания, охлаждения, продувки и окисления отработавших газов. В соответствии с предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения, воздух, который входит в цилиндр, является предварительный наддувочный (посредством системы, которая не показана). Когда поршневые штоки 34 перемещаются, они открывают и закрывают, соответственно, выпускную камеру 50. В этом положении, выхлопные газы могут вытекать из выпускной камеры 50 в выпускное отверстие 54. Если требуется, выхлопные газы могут протекать дальше в систему турбонаддува (не показана).
Когда поршень 30 перемещается из центрального участка 16 цилиндра 12 по направлению к головке 26 двигателя, впускные отверстия 14 и выпускные отверстия 38 закрываются, и происходит ход сжатия (см. фиг.23, когда поршень перемещается в правую сторону). Топливо впрыскивается во внутреннее пространство 32 цилиндра, через форсунку 45 (см. фиг.11), и воспламеняется посредством свечи 46 зажигания (см. фиг.20). Воспламенение топливовоздушной смеси образует сгорание, которое известно как ход расширения или рабочий ход (см. фиг.21).
Следует отметить, что двигатель настоящего изобретения использует одну центральную форсунку, вместо нескольких форсунок, использующихся в традиционных двигателях. В качестве альтернативы, двигатель может использовать две форсунки, по одной на каждой головке двигателя или рядом с верхним концом стенки 33 цилиндра.
Кроме того, топливо впрыскивается через форсунку в начале хода сжатия, причем, обычно, в двигателях по уровню техники, топливо впрыскивается в камеру сгорания только в конце хода сжатия. Этот признак обеспечивает возможность выполнения двигателем настоящего изобретения «прямого впрыска низкого давления», т.е. обеспечивает возможность впрыска топлива, в камеру, содержащую воздух, при около 0,3 МПа, вместо впрыска топлива, в камеру, содержащую воздух, при около 10 Мпа или больше. Этот прямой впрыск низкого давления, в противоположность широко применяемому впрыску высокого давления, имеет различные преимущества, как может быть понятно специалисту в данной области техники. Например, (1) безопасность - использование низкого давления существенно уменьшает вероятность протечки, (2) экономия энергии вследствие необходимости впрыска топлива при низком давлении, (3) лучшее распыление воздуха и топлива, приводит к лучшему сгоранию и более низкому расходу топлива, и, следовательно, уменьшенному загрязнению воздуха.
Теперь, во время рабочего хода, поршень 30 перемещается по направлению к противоположной стороне цилиндра 12 и перемещает вместе с ним поршневые штоки 34. Во время перемещения поршневых штоков 34 (в правую сторону, как видно на фиг.21), выпускные отверстия 38 (которые расположены позади поршня, т.е. выпускные отверстия, которые расположены слева поршня) открываются во внутреннее пространство 32 цилиндра и обеспечивают возможность протекания отработавших газов через поршневой шток 34 по направлению к выпускной камере 50 и в выпускное отверстие 54 (см. изменение от фиг.21 к фиг.22).
Это уникальное и особенное действие обеспечивает возможность выпуска отработавших газов непосредственно после завершения эффективного рабочего хода. Эффективный рабочий ход задан в виде разницы между высоким давлением после сгорания, приводящего к эффективному ходу (перемещению поршня), и затем увеличением свободного пространства цилиндра, вызывающим пониженное давление в этом пространстве, в результате чего давление газа больше не является эффективным, а перешло в кинетическое усилие, перемещающее поршень. Таким образом, вследствие относительно короткого периода времени пребывания отработавших газов в цилиндре 12, цилиндр поддерживается относительно холодным, а выпускной узел 48 горячим.
Во время продолжения перемещения поршня 30 впускные отверстия 14 открываются, и предварительный наддувочный свежий воздух поступает, через воздухозаборник 24, во внутреннее пространство 32 цилиндра, которое только что прошло через рабочий ход (см. фиг.23). Предварительный наддувочный воздух продувает внутреннее пространство 32 цилиндра от каких-либо остатков отработавших газов, охлаждает цилиндр изнутри и обогащает отработавшие газы на выпускном узле свежим воздухом, таким образом какие-либо остатки несгоревшего топлива сгорают. Другой важный вопрос заключается в том, что, когда поршень 30 продолжает перемещаться по направлению к другому концу цилиндра 12, предварительный наддувочный воздух заполняет увеличивающийся размер свободного пространства цилиндра, таким образом, исключая всасывание отработавших газов обратно в цилиндр.
Одновременно, воздух, который был на противоположной стороне поршня 30, сначала нагнетается до тех пор, пока отверстия выпускного клапана не закроются, и затем сжимается, таким образом, начиная другой ход сжатия на другой стороне. Работа выпускных отверстий, которые открываются, периодически, во внутреннее пространство 32 цилиндра, и, в выпускную камеру 50, и также обеспечивают возможность протекания отработавших газов из внутреннего пространства 32 цилиндра в выпускную камеру 50, может определяться как работа «золотника».
Следует отметить, что, когда поршень 30 достигает своего максимального хода влево (см. фиг.2) во внутреннем пространстве 32 цилиндра, все выпускные отверстия 38 левого поршневого штока 34, т.е. выпускные отверстия внутренней группы 40, центральной группы 44 и наружной группы 42, расположены в левой выпускной камере 50, и выпускные отверстия 38 наружной группы 42 не открываются в атмосферу ни при каких обстоятельствах. В этом положении, выпускные отверстия 38 наружной группы 42 другого поршневого штока 34, т.е. правого поршневого штока 34, расположены в правой выпускной камере 50, при этом выпускные отверстия 38 внутренней группы 40 и центральной группы 44 правого поршневого штока 34 расположены во внутреннем пространстве 32 цилиндра.
Внимание теперь обращается на другой вариант осуществления настоящего изобретения, показанный на фиг.11-12, 15-16. Как показано, поршневой шток 34 предусмотрен, вместо круглых выпускных отверстий, с продолжающимися в продольном направлении выпускными щелями 56. В показанном варианте осуществления, поршневой шток 34 предусмотрен с четырьмя группами 58 выпускных щелей 56 на каждой стороне поршня 30. В каждой группе 58 выпускных щелей 56, каждая из выпускных щелей 56 симметрично расположена относительно продольной оси A и относительно выпускных щелей 56 на другой стороне средней плоскости P.
В соответствии с другими вариантами осуществления настоящего изобретения (непоказанными на фигурах), аналогичная работа «золотника» для выхлопных газов может достигаться посредством использования поршневого штока, имеющего разные диаметры вдоль его длинны. Таким образом, поршневой шток имеет полноразмерный диаметр рядом с поршнем и на внешнем конце выпускного узла, и меньший диаметр между ними. С этой конструкцией, выхлопные газы могут свободно протекать из внутреннего пространства 32 цилиндра в выпускную камеру 50, когда поршень скользит от одного конца к другому.
Более того, поршневые штоки 34 соединены с выравнивающей системой 60 (см. фиг.16) для предотвращения вращения поршневых штоков 34 вокруг продольной оси A, таким образом характеризуя «поршень с выровненным перемещением». Каждый из поршневых штоков 34 соединен, на его свободном конце 62, удаленном от поршня 30, с соединительным кронштейном 64. Соединение соединительного кронштейна 64 с поршневым штоком 34 является таким, что соединительный кронштейн 64 не может вращаться относительно поршневого штока 34 вокруг продольной оси A. Это выполняется, например, посредством резьбового сцепления между поршневым штоком 34 и соединительным кронштейном 64, или, посредством образования свободного конца 62 поршневого штока 34 в виде выступа с некруглой формой, и, монтажа на него соединительного кронштейна 64, имеющего соответствующее некруглое углубление. Крепежный болт 66 надежно прикрепляет соединительный кронштейн 64 к соответствующему поршневому штоку 34.
Выравнивающий стержень 68, имеющий цилиндрическую форму и ось B выравнивающего стержня, перпендикулярно соединяется с каждым концом соединительных кронштейнов 64. Выравнивающие стержни 68 соединены внутри относительно двигателя 10, и направлены таким образом, что ось B выравнивающего стержня является параллельной относительно продольной оси A.
Как показано на фиг.11, каждый выпускной узел 48 предусмотрен, снаружи своей выпускной камеры 50, с выравнивающими отверстиями 69, которые соответствуют выравнивающим стержням 68 по размеру и расположению. Таким образом, когда двигатель 10 собран и каждый из выравнивающих стержней 68 свободно скользит в своем соответствующем выравнивающем отверстии 69, гарантируется, что поршень 30 вместе с поршневыми штоками 34 будет перемещаться назад и вперед только вдоль продольной оси A, при этом вращение поршня 30 и поршневых штоков 34 вокруг продольной оси A успешно предотвращено.
Для предотвращения прохода газов между поршневым штоком 34 и внешним концом выпускного узла в атмосферу, а также герметизации относительно протечки газов между поршневым штоком 34 и головкой 26 двигателя и также для предотвращения прохода газов от одной стороны поршня 30 во внутреннем пространстве 32 цилиндра к другой стороне поршня 30 во внутреннем пространстве 32 цилиндра, двигатель 10 предусмотрен с уплотнительными кольцами 70.
Уплотнительные кольца 70 на обоих концах выпускного узла 48 имеют аналогичную конструкцию. Каждое уплотнительное кольцо 70, расположенное в корпусе 72 для уплотнительного кольца, образованном в выпускном узле 48, содержит два выпускных кольца 74, имеющих кольцевую распорку 76 между ними. Выпускные кольца 74 представляют собой разъемные кольца и образованы таким образом, что они стремятся сжиматься внутрь для уплотнения зазора между выпускным кольцом 74 и поршневым штоком 34. Уплотнительные кольца 70 являются неподвижными, причем поршневые штоки 34 скользят в них.
Крепежный штифт 78, соединенный с выпускным закрывающим элементом 80, направлен в зазор, образованный между двумя краями разъемного кольца, тем самым предохраняя разъемное кольцо, т.е., выпускное кольцо 74, от вращения вокруг продольной оси A относительно поршневого штока 34. Выпускное кольцо 74 может располагаться на конце головки 26 двигателя, как описано выше, и необязательно устанавливается на выпускной камере 50.
Таким образом, посредством выравнивающей системы 60 и крепежных штифтов 78, обеспечивается т, что какое-либо относительное вращательное движение между поршневыми штоками 34 и разъемными кольцами (т.е. выпускными кольцами 74) предотвращено, таким образом, обеспечивая неограниченное свободное скольжение поршневых штоков 34 относительно уплотнительных колец 70 без какого-либо риска того, что выпускные щели 56 поршневых штоков 34 могут совпадать с зазором между разъемными кольцами. При сборке системы, следует уделить внимание обеспечению того, что уплотнительные кольца 70 являются неподвижными и, что поршневые штоки 34 могут свободно скользить через уплотнительные кольца 70.
Уплотнительные кольца поршня 30 имеют аналогичную конструкцию относительно вышеописанных с той разницей, что разъемные кольца стремятся проходить наружу, в противоположность вышеописанным, таким образом, обеспечивая то, что уплотнительное кольцо принудительно прижимается к стенке 33 цилиндра, таким образом, обеспечивая надлежащее уплотнение поршня 30 относительно стенки 33 цилиндра.
Для обеспечения лучшего уплотнения между поршневым штоком 34 и головкой 26 двигателя на выходном отверстии из головки 26 двигателя, применяется специальная конструкция. В соответствии с конструкцией, сжатые газы побуждаются возвращаться во внутреннее пространство 32 цилиндра вместо нагнетания в зазор между поршневым штоком 34 и головкой 26 двигателя. Специальная конструкция перемещает промежуток между портом головки и поршневым штоком 34 от вершины параболы на камере сгорания головки двигателя в нижнюю точку ближе к верхнему концу цилиндра. При ходе сжатия газы побуждаются изменять направление на обратное и не нагнетаются в зазор между портом головки и поршневым штоком 34 и вытекают.
На фиг.17 показан другой вариант осуществления двигателя 10 в соответствии с настоящим изобретением. Как показано на фиг.17, каждый из соединительных кронштейнов 64 имеет Х-образную форму, таким образом, имея четыре края 82 соединительного кронштейна. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, четыре края 82 соединительного кронштейна соединены между собой, таким образом, образуя, в общем смысле, квадратную форму, которая охватывает имеющие Х-образную форму соединительные кронштейны. Выравнивающие стержни 68 проходят вдоль всей длины двигателя 10 и соединены, на обоих своих концах, с краями 82 соединительных кронштейнов.
Каждый из выравнивающих стержней 68 предусмотрен с роторным узлом и обмотками 84 катушек, которые, на практике, образуют ротор 86 электрического мотора 88. Такой ротор 86 перемещается назад и вперед с поступательным движением вместе с соединительными кронштейнами 64, которые соединены с поршневыми штоками 34, аналогично линейному двигателю, как известно в данной области техники.
Катушки 90 статоров, соединенные с поддерживающими кронштейнами 92 статоров, которые расположены вдоль и вокруг двигателя 10, образованы вокруг каждого из роторов 86. Как показано, электрический мотор 88 образован вокруг двигателя 10, таким образом, образуя эффективную и компактную конструкцию. Более того, катушки 90 статоров расположены таким образом, что образуют новое и уникальное «расположение магнитной полярности» производящего электроэнергию устройства.
В соответствии с вышеобъясненным, двигатель в соответствии с настоящим изобретением представляет собой линейный, свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания, который служит в качестве приводного усилия для генератора мощности, посредством преобразования химической энергии, хранящейся в топливе, в полезную механическую энергию. Двигатель может применяться для электрического движителя, электрических аккумуляторов и других потребляющих электроэнергию применений, или может использоваться для сжатия воздуха или приведения в движение винта.
Для демонстрации преимуществ двигателя в соответствии с настоящим изобретением, выполнено сравнение относительно традиционного четырехцилиндрового двигателя.
Более того, нижеследующий перечень деталей, который имеется в традиционном двигателе, исключен из двигателя в соответствии с настоящим изобретением:
Коленчатый вал, подшипники коленчатого вала, маслоудерживающие устройства коленчатого вала, корпус маслоудерживающих устройств для втулок шатунов, подшипники шатунов, масляный насос, система смазки, маслоотстойник, водяной насос, кулачковый вал, синхронизирующая система, клапаны, направляющие клапанов, уплотнения клапанов, коромысла, крышки клапанов, обратный вал, верхние маслоудерживающие устройства и уплотнения.
Как можно увидеть из вышеприведенного перечня и таблицы, двигатель настоящего изобретения обеспечивает существенные преимущества относительно двигателей по уровню техники, например, уменьшенное количество деталей, уменьшенный вес, уменьшенное загрязнение воздуха, улучшенное отношение мощности к весу, простое техническое обслуживание, повышенная механическая надежность, уменьшенный объем, и не требует внутренней системы смазки.
Более того, так как поршень в соответствии с настоящим изобретением предполагает многофункциональность или представляет собой «мультиразмерный поршень» посредством: (a) управления сгоранием и ходом расширения, (b) работы в качестве впускного клапана, (c) работы в выпускном процессе, поршень может рассматриваться в качестве «3D» поршня.
Кроме того, так как поршень 30 перемещается линейно вдоль продольной оси A, и, так как давление, прикладываемое к поршню 30 поршневым штоком 34, направлено непрерывно вдоль одной и той же линии, нет боковых усилий, действующих на поршень, как в традиционных двигателях, где основание поршневого штока вращается вокруг коленчатого вала, тем самым, прикладывая чередующиеся боковые усилия к поршню, и, следовательно, поршень в соответствии с настоящим изобретением может рассматриваться в качестве «работающего без напряжений в поперечном направлении поршня». Таким образом, вследствие отсутствия боковых механических напряжений, исключена необходимость системы смазки. Этот признак также может уменьшать накопленное тепло во время процесса и может уменьшать необходимость подачи охлаждения.
Таким образом, при работе вдоль одной линейной линии и наличии поршневого штока, служащего в качестве выпускного клапана, работающего внутри двигателя, т.е., внутреннего выпускного клапана или «золотника», двигатель в соответствии с настоящим изобретением может рассматриваться в качестве «двигателя внутреннего сгорания, с линейным 3D поршнем, самопродуваемой и охлаждаемой системой прямого впрыска топлива низкого давления, выровненным перемещением поршня и работающим золотником».
Хотя настоящее изобретение было описано с определенной степенью подробности, следует понимать, что различные альтернативы и модификации могут быть выполнены, не отступая от идеи или объема изобретения, как в дальнейшем определено в формуле изобретения.
Например, двигатель не ограничен на наличии только одного цилиндра, а он может иметь два или более цилиндров.
Не требуется, чтобы выпускные отверстия были равно распределены по периферии вокруг поршневого штока, а они могут быть расположены с другим расположением в соответствии с требованиями конструкции.
Не требуется, чтобы полость поршневого штока проходила вдоль всей длины поршневого штока. Предпочтительно, полость проходит по меньшей мере от открытого конца поршневого штока, который удален от поршня, к выпускному отверстию, которое расположено ближе всего к поршню.
Не требуется, чтобы выпускные отверстия в поршневом штоке были образованы, как описано. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, поршневой шток не образован с выпускными отверстиями или с полостью, продолжающейся вдоль длины поршневого штока. В качестве альтернативы, как показано на фиг.19, поршневой шток 34 представляет собой монолитный шток и предусмотрен на его поверхности с продолжающимися в продольном направлении канавками 91. Так как поршень 30, с поршневыми штоками 34, перемещается в продольном направлении вдоль внутреннего пространства цилиндра, продолжающиеся в продольном направлении канавки 91 открываются, как требуется, во внутреннее пространство цилиндра или в выпускную камеру, таким образом, выполняя работу выпуска.
Не требуется, чтобы охлаждающие ребра выполнялись, как показано, т.е., имели дискообразную форму или квадратную форму, а любая другая форма охлаждающих ребер может выбираться в соответствии с требованиями конструкции и внешнего вида.
Поршень может быть монолитным, без сквозного отверстия, как описано выше, где каждый из поршневых штоков, независимо или иным образом, соединен с его стороной поршня. В качестве альтернативы, поршень может быть предусмотрен со сквозным отверстием для соединения через него каждого из поршневых штоков друг с другом. Однако, следует уточнить, что газы не могут протекать от одной стороны поршня к другой стороне поршня через поршневые штоки.
Уникальная конструкция центральной системы подачи воздуха, заполняющей цилиндр предварительным наддувочным свежим воздухом, обеспечивает возможность применения традиционных клапанов, по одному или более на каждой стороне головки цилиндра. Клапаны закрываются посредством пружины и открываются посредством механического механизма. В качестве альтернативы, они могут приводиться в действие электрическим образом. Клапаны могут открываться непосредственно после того, как рабочий ход завершит свое эффективное перемещение, и остаются открытыми до тех пор, пока поршень не переместится к противоположному концу и назад в направлении хода сжатия. Одновременно, воздух, входящий в цилиндр, заполняет увеличенный объем цилиндра, когда поршень перемещается в противоположном направлении. Использование традиционных клапанов или портов, требует применения небольших выпускных узлов на концах головки двигателя для сбора и предотвращения выхода каких-либо протекающих газов в атмосферу.
Небольшая выпускная камера представляет собой автономный узел или часть головки двигателя. Горячие газы захватываются в выпускную камеру и направляются в выпускной коллектор для последующей обработки.
На фиг.8 показан модифицированный вариант головки 93 двигателя, когда используются клапаны.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления (см. фиг.18), линейное перемещение двух соседних выравнивающий стержней 68, например, верхнего выравнивающего стержня 94 и нижнего выравнивающего стержня 96 (и, следовательно, линейное перемещение двигателя 10), используется для создания вращательного движения R вокруг выходной оси C. Верхний выравнивающий стержень 94 предусмотрен, в своем центральном участке, с верхней зубчатой рейкой 98, и нижний выравнивающий стержень 96 предусмотрен, в своем центральном участке, с нижней зубчатой рейкой 100. Верхняя зубчатая рейка 98 обращена к нижней зубчатой рейке 100, и каждая из них сцепляется с разными шестернями. Верхняя зубчатая рейка 98 сцепляется с первой шестерней 102, и нижняя рейка 100 сцепляется со второй шестерней 104, которая является параллельной относительно первой шестерни 102 и отделена от нее.
Первая шестерня 102 и вторая шестерня 104 смонтированы на общей оси, т.е. выходной оси C. Каждая из шестерен предусмотрена с однонаправленным подшипником, представляющим собой механический или электрический подшипник. В показанном варианте осуществления, первая шестерня 102 вращается против часовой стрелки, когда верхний выравнивающий стержень 94 перемещается в левую сторону, и остается холостой, когда верхний выравнивающий стержень 94 перемещается в правую сторону. Подобным образом, вторая шестерня 104 вращается против часовой стрелки, когда нижний выравнивающий стержень 96 перемещается в правую сторону, и остается холостой, когда нижний выравнивающий стержень 96 перемещается в левую сторону.
Таким образом, когда поршень двигателя 10 линейно перемещается в заданном направлении, вместе с выравнивающими стержнями 68, только одна шестерня вращается, тогда как другая шестерня остается холостой. Когда поршень двигателя 10 линейно перемещается в противоположном направлении, вместе с выравнивающими стержнями 68, вращается другая шестерня. Таким образом, посредством поочередного вращения выравнивающими стержнями, каждой шестерни посредством разного направления выравнивающих стержней, шестерни вращают общую выходную ось C только в одном направлении (против часовой стрелки, как произвольно показано на фиг.17, или, в противоположном направлении, т.е., по часовой стрелке). Следовательно, двигатель настоящего изобретения может использоваться для создания вращательного движения для любого известного механического применения, например пропеллера 106 воздушного судна, создающего электроэнергию генератора и тому подобное. Более того, двигатель настоящего изобретения может использоваться для сжатия жидкостей или газов.
Вращательное движение R устанавливается, по существу, вокруг выходной оси C, которая является перпендикулярной относительно продольной оси A двигателя 10.
Двигатель не ограничен на использовании топлива, которое воспламеняется посредством свечи зажигания, и, если требуется, двигатель может использовать дизельное самовоспламеняющееся топливо. В этом случае, свеча зажигания исключается из двигателя.
В некоторых вариантах осуществления, для предотвращения утечки отработавшего газа, двигатель содержит промежуточную камеру, которая соединена с выпускным коллектором.
В некоторых вариантах осуществления, выпускные отверстия расположены рядом с впускными отверстиями.
Реферат
Изобретение относится к свободнопоршневым двигателям внутреннего сгорания. Двигатель имеет двухсторонний цилиндр, который ограничен головкой двигателя на каждой стороне цилиндра. Выпускной узел расположен на каждой стороне цилиндра. Поршень расположен во внутреннем пространстве цилиндра и свободно скользит относительно цилиндра вдоль продольной оси. Два поршневых штока выровнены с продольной осью. Каждый поршневой шток соединен на другой стороне поршня. Каждый из поршневых штоков имеет выпускные отверстия. Изобретение обеспечивает газообмен в двигателе за счет постоянного потока предварительного наддувочного свежего воздуха в цилиндр, и через цилиндр, и через поршневой шток независимо от положения поршня, и через выпускную систему. 3 н. и 24 з.п. ф-лы, 23 ил.
