Область техники

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности, к двухтактным двигателям внутреннего сгорания, снабженным гидравлическим приводом.

Предшествующий уровень техники

Известен (свободнопоршневой) двигатель с гидравлическим приводом, раскрытый в патенте US3525215 от 25 августа 1970 (см. строки 7 - 61 , колонка 2), включающий цилиндры двигателя с двумя расходящимися поршнями в каждом цилиндре, гидроцилиндры с поршнями, штоки которых являются штоками поршней цилиндров двигателя, и гидропривод, включающий ротор с валом и статор с каналами подвода и отвода рабочей жидкости из гидроцилиндров для вращения ротора с валом.

Недостатком этого известного технического решения являются различные потери в передаче давления рабочей жидкости из гидроцилиндров, расположенных с двух сторон одного и того же цилиндра свободнопоршневого двигателя. Это в свою очередь приводит к неравномерности воздействия рабочей жидкости на ротор, возникновению вибраций, связанного с ними шума и потерям энергии.

Раскрытие изобретения

Техническими результатами, на достижение которых направлено заявленное изобретение, являются: устранение потерь энергии рабочей жидкости в трубопроводах, увеличение КПД, устранение вибраций из-за неравномерного воздействия на ротор гидропривода, повышение компактности. Достижение этих технических результатов обеспечивается благодаря тому, что свободнопоршневому двигателю внутреннего сгорания с гидравлическим приводом придается симметричная форма, в частности, зеркально симметричная форма.

Указанный технический результат достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, включающем, по меньшей мере, два цилиндра двигателя с двумя расходящимися поршнями в каждом цилиндре, четыре гидроцилиндра с поршнями, штоки которых являются штоками поршней цилиндров двигателя, первый гидропривод, включающий ротор с валом и статор с каналами подвода и отвода рабочей жидкости из гидроцилиндров для вращения ротора с валом, и второй гидропривод с ротором и статором с каналами подвода и отвода рабочей жидкости из гидроцилиндров для вращения ротора с валом, единым с валом ротора первого гидропривода, при этом цилиндры двигателей и гидроцилиндры расположены, параллельно валу роторов, и, в частном случае, между статорами гидроприводов.

Двигатель может включать четыре цилиндра двигателя и, соответственно, восемь гидроцилиндров, при этом каждый гидроцилиндр может быть состыкован непосредственно со статором одного из гидроприводов.

Гидроцилиндры с поршнями могут быть выполнены двухсторонними, при этом надпоршневые области гидроцилиндров, соединенных с одним и тем же гидроприводом, попарно соединены трубопроводами, а соответствующие им пары цилиндров выполнены каждая с возможностью работы поршней цилиндров в противофазе.

Статор и ротор первого гидропривода могут быть выполнены зеркально- симметричными статору и ротору второго гидропривода.

Цилиндры двигателя, работающие в противофазе, могут быть попарно соединены трубопроводом для обмена горячим газом между цилиндрами. При этом трубопровод может быть снабжен регулятором потока горячего газа.

Двигатель может быть снабжен гидроаккумулятором, соединенным с каналами подвода и отвода рабочей жидкости статора.

Двигатель может состоять из двух модулей гидроприводов, вала и четырех симметричных цилиндровых модулей, каждый из которых включает цилиндр двигателя и два гидроцилиндра. Каждый модуль гидропривода может быть выполнен с возможностью соединения с цилиндровыми модулями с двух своих противоположных сторон.

Краткое описание чертежей

Заявленное изобретение поясняется графическими материалами, где представлена компоновочная схема двигателя в соответствии с заявляемым изобретением.

На фиг. 1 представлен двигатель включающий четыре цилиндра двигателя и восемь гидроцилиндров. Двигатель показан с разрезом двух, работающих в противофазе, цилиндров двигателя и четырех гидроцилиндров. Сделаны следующие обозначения:

1 - цилиндр двигателя (ход сжатия);

1.1 и 1.2 - поршни цилиндра 1 ;

2 - цилиндр двигателя (рабочий ход); 2.1 и 2.2 - поршни цилиндра 2;

3 и 4 - гидроцилиндры;

5 - поршень гидроцилиндра 3;

6 - поршень гидроцилиндра 4;

7 - шток поршня 1.1 и поршня 5;

8 - шток поршня 1.2 и поршня 6;

9 и 10 - поршни гидроцилиндров, имеющих общие штоки с поршнями цилиндр 2 двигателя;

1 1- первый гидропривод;

12 - второй гидропривод;

13 и 14 - трубопроводы, соединяющие надпоршневые полости гидроцилиндров, соединенных с одним и тем же гидроприводом;

15.1 и 15.2 - отверстия выхлопа цилиндра 1 ;

15.3 и 15.4 - отверстия продувки цилиндра 1 ;

15.5 и 15.6 - дыхательные отверстия цилиндра 1 ;

16 - вал;

17 - маховик;

18.1 и 18.2 - свечи зажигания цилиндров 1 и 2;

19 - трубопровод горячего газа;

20 - вентиль трубопровода 19;

На фиг. 2 показан разрез гидропривода. Сделаны следующие обозначения:

21 - камера гидропривода 12;

22 - ротор в камере 21 гидропривода 12;

23 и 24 - шибер;

25 и 26 - каналы статора гидропривода 12;

27 и 28 - обратные клапаны;

29 и 30 - полости в камере 21 , образуемые ротором 22;

1 - гидроаккумулятор;

32 - трубопроводы, соединяющие гидроаккумулятор 31 с каналами 25 и 26 статора гидропривода 12.

На фиг. 3 показано сечение двух цилиндров двигателя и соединяющего их трубопровода. Варианты осуществления изобретения

Обратимся к фиг. 1, на которой в сечении А-А изображен двигатель, включающий:

Цилиндровый модуль - блок Н, включающий цилиндр 1 двигателя и гидроцилиндры 3 и 4. Штоки 7 и 8 поршней 1.1 и 1.2 цилиндра 1, находящегося в такте «рабочий ход», являются одновременно штоками поршней 5 и 6 гидроцилиндров 3 и 4; и

Цилиндровый модуль - блок М, включающий находящийся в такте «сжатие» цилиндр 2 с поршнями 2.1 и 2.2., штоки которых являются одновременно штоками поршней 9 и 10 гидроцилиндров.

По обе стороны идентичных блоков Н и М размещены гидроприводы 1 1 и 12, статоры и роторы которых выполнены зеркально симметричными, а роторы установлены на одном валу 16, снабженным 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 полости гидроцилиндров соединены трубопроводами 13 и 14 для предотвращения «схлопывания» поршней 1.1-1.2 и 2.1 и 2.2 и синхронизации их хода.

Обратимся к фиг. 2, где в сечении В-В изображен гидропривод 12 с ротором 22, размещенными в статоре и выполненном в виде диска с двумя симметричными срезами по хордам, обеспечивающим создание перемещающихся (при вращении ротора) полостей 29 и 30 с рабочей жидкостью, подводимой и отводимой по каналам статора 25 и 26, снабженными обратными клапанами, соответственно, 27 и 28.

Для обеспечения постоянного заполнения полостей 29 и 30 и каналов 25 и 26 рабочей жидкостью, в качестве которой может быть использовано, например, масло для гидравлических систем или аналогичная по функциональному назначению жидкость, используется гидроаккумулятор 31 с регулируемым давлением (устройство гидроаккумуляторов хорошо известны специалистам в области гидравлических систем), соединенный трубопроводами 32 с каналами 25 и 26.

Статор гидропривода снабжен шиберами 23 и 24, которые прижаты к поверхности ротора 12 и скользят по ней при вращении ротора.

Гидроцилиндры состыкованы со статорами гидроприводов 1 1 и 12 так, что каналы статора 25 и 26 являются продолжением внутренней полости гидроцилиндров.

Обратимся к фиг. 3 на которой в сечении С-С изображены цилиндры 1 и 2 блоков Н и М, соединенные трубопроводом 19 горячего газа, снабженного вентилем 20, регулирующего подачу горячего газа. В примере, описанном выше, и на чертежах представлен двигатель, включающий четыре цилиндра двигателя с двумя расходящимися поршнями в каждом цилиндре, восемь гидроцилиндров с поршнями, штоки которых являются штоками поршней цилиндров двигателя, первый гидропривод, включающий ротор с валом и статор с каналами подвода и отвода рабочей жидкости из гидро цилиндров для вращения ротора с валом, и второй гидропривод с ротором и статором с каналами подвода и отвода рабочей жидкости из гидроцилиндров для вращения ротора с валом, единым с валом ротора первого гидропривода, при этом цилиндры двигателей и гидроцилиндры расположены между статорами гидроприводов, параллельно валу роторов.

Однако, ясно, что двигатель может включать только два цилиндра и четыре гидроцилиндра, показанных на фиг. 1 (сечение А - А на фиг. 2) или только один цилиндр и два гидроцилиндра. При этом роторы гидроприводов могут быть выполнены в виде дисков и с большим количеством срезов по хордам этих дисков. Вместе с тем, для этих вариантов конструкции двигателя необходимо, чтобы вал с роторами гидроприводов обладал достаточным моментом инерции, обеспечивающим поворот роторов между воздействиями на него жидкости, поступающей из гидроцилиндров.

Двигатель может иметь и большее, чем четыре, но обязательно четное количество цилиндров двигателя и, соответственно, вдвое большее число гидроцилиндров, расположенных параллельно валу роторов гидроприводов и равномерно распределенных по окружности в плоскости перпендикулярной этому валу. При этом роторы должны быть выполнены в виде дисков с большим количеством срезов по хордам этих дисков - по одному срезу на каждую пару цилиндров двигателя (пару цилиндровых модулей). Если двум парам, как описывалось выше, должно соответствовать два среза, то, например, одной паре достаточен один срез, трем парам - три среза, а четырем парам цилиндров двигателя - четыре среза. При этом срезы целесообразно равномерно распределять по окружности. Увеличение числа пар работающих в противофазе цилиндров двигателя и, соответственно, гидроцилиндров, позволяет увеличить мощность двигателя и в то же время сделать вращение ротора более равномерны, т.е. снизить вибрацию и, соответственно, увеличить КПД двигателя.

Двигатель внутреннего сгорания с гидравлическим приводом работает следующим образом.

С помощью одного из известных устройств, например, электростартера, приводится во вращение вал и роторы. Шиберы вытесняют рабочую жидкость из полостей, образованных в статоре срезами диска ротора в полости гидроцилиндров 3 и 4. Поршни 5 и 6 гидроцилиндров через штоки 7 и 8 перемещают поршни 1.1 и 1.2 цилиндра 1 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.

Рабочая жидкость, вытесненная из гидроцилиндров 3 и 4 перемещается в полость 29, вращая ротор (против часовой стрелки), при этом ранее находившаяся в этой полости рабочая жидкость, вытесняемая шибером 24 в канал 26, перемещается в подпоршневые полости гидроцилиндров блока М, производя такт «сжатие». Далее такты чередуются и под воздействием давления рабочей жидкости вращается ротор 22 гидропривода 12 и одновременно зеркальный ему ротор гидропривода 1 1 , установленный на другом конце вала 16.

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 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 трубопроводам 13 и 14 перетекают в надпоршневые зоны соседних цилиндров, перемещая их поршни 9 и 10 в противоположные стороны до открытия каналов выхлопа и продувки.

Топливная смесь подается в цилиндр 1 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 13 и 14;

- давление рабочей жидкости, необходимое для обеспечения требуемой степени 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 трубопроводу 19, расположенному тангенциально по отношению к образующей цилиндров и снабженному регулятором 20 количества топлива.

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, поступающими по трубопроводу 19.

Существенно использование маховика 17, особенно при наличии только двух или четырех цилиндров двигателя. Маховик позволяет сгладить толчки, возникающие при такте «рабочий ход».

Следует дополнительно отметить компактность и отсутствие вибраций при работе заявленного свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания. Все его составные части группируются в непосредственной близости от вала 16. Габариты двигателя определяются габаритами статора гидропривода и габаритами расположенных между гидроприводами цилиндровых блоков. Исключено использование трубопроводов между гидроприводами и цилиндровыми блоками.