Безвальний двотактний двигун внутрішнього згоряння

Предлагаемое изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания и предназначается для использования на транспорте, например, в качестве судовых двигателей и в электроэнергетике, особенно для обеспечения пиковых нагрузок в сети. Известен комбинированный двухтактный двигатель 16 ДРПН23/2 ´ 309 (61Б-3) с противоположно движущимися поршнями (Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. - М.: Машиностроение, 1990). Общим признаком этого аналога и предлагаемого двигателя является наличие двух противоположно движущихся поршней в одном и том же цилиндре. Отличительными признаками предлагаемого двигателя являются: 1) наличие одного цилиндра вместо шестнадцати у аналога; 2) отсутствие кривошипно-шатунного механизма; 3) наличие гидропневматической системы, передающей механическую энергию от двигателя к исполнительным механизмам и обеспечивающей движение поршней на такте сжатия; 4) отсутствие маховика; 5) прямоугольная форма поперечного сечения цилиндра, изготавливаемого из листового проката. Основные недостатки взятого аналога определяются двумя обстоятельствами. Вопервых, использование кривошипно-шатунного механизма является причиной высокой металлоемкости двигателя, сложной технологии изготовления коленвала и высоких требований к его прочностным характеристикам. Во-вторых, большое число цилиндров приводит к большим тепловым потерям через их стенки. Эти обстоятельства делают, нерентабельным изготовление дизелей мощностью в несколько десятков тысяч киловатт. Известна поршневая машина Кашеварова (Патент России №2008472, кл. F02B71/00), в корпусе которой расположены соосно два цилиндра, разделенные перегородкой, в каждом из которых помещаются поршни, соединенные проходящим через перегородку штоком, жестко связанным с поршнями. Цилиндры в зоне между поршнями и головками являются цилиндрами двигателя внутреннего сгорания и одновременно, в зоне между поршнями и перегородкой, цилиндрами насоса или компрессора. Общими признаками этого прототипа и предлагаемой конструкции являются наличие жесткой связи между поршнем и штоком и непосредственное использование возвратнопоступательного движения поршня двигателя внутреннего сгорания для работы гидронасоса без использования кривошипно-шатунного механизма. Отличительными признаками предлагаемого двигателя являются: 1) наличие только одного цилиндра с двумя противоположно движущимися поршнями в нем; 2) наличие многих штоков, равномерно распределенных по площади поршня; 3) наличие отдельных от цилиндра двигателя внутреннего сгорания силовых гидроцилиндров; 4) наличие цилиндров со сжатым воздухом, обеспечивающих возвратное движение поршней на такте сжатия; 5) прямоугольная форма поперечного сечения сборного цилиндра, изготавливаемого из листового проката. Основные недостатки взятого прототипа по сравнению с предлагаемой конструкцией связаны с тем, что поршень гидронасоса гонит всю массу воды, находящейся в гидроцилиндре, с той же скоростью, с какой движется сам. При увеличении хода поршня двигателя внутреннего сгорания с целью уменьшить тепловые потери через поршень и головку цилиндра увеличивается масса столба жидкости, приходящейся на единицу площади поршня. При этом скорость движения поршня замедляется, падает мощность двигателя, растут тепловые потери через стенки цилиндра и потери энергии в гидравлической системе за счет турбулентности потока жидкости. Это ведет к увеличению длительности рабочего цикла машины. Только по одной этой причине при ходе поршня, равном 1м, длительность цикла в прототипе в два раза больше, чем в предлагаемом двигателе, что понижает в два раза и мощность. При попытке увеличить мощность в прототипе за счет увеличения площади поршня, возрастающий пропорционально квадрату диаметра поршня, объем жидкости приходится продавливать через клапаны, пропускная способность которых растет пропорционально первой степени диаметра, что приводит к росту величины гидравлических потерь. Наконец, давление нагнетаемой жидкости резко падает по мере продвижения поршня, что создает значительные неудобства в процессе эксплуатации прототипа в качестве насоса. Задачей предлагаемой конструкции является изготовление двигателей в широком диапазоне мощностей вплоть до нескольких десятков тысяч киловатт без увеличения удельных металло- и капиталоемкости, с минимальным временем пуска и регулируемой в широких пределах мощностью, с простотой изготовления, высокой долговечностью и экономичностью. Поставленная задача решается с помощью единственного цилиндра тепловой машины прямоугольной формы, в котором синхронно в противоположных направлениях перемещаются два поршня. С каждым из них связана система жестко закрепленных пустотелых штоков, часть из которых входит в гидроцилиндрические цилиндры, а часть в пневматические. Гидравлические цилиндры связаны с исполнительной системой, которая не является предметом изобретения. На фиг.1 изображен схематически продольный разрез одной половины цилиндра двигателя с находящимся в ней поршнем; на фиг.2 - поперечное сечение по Б - Б цилиндра двигателя и системы штоков поршня; на фиг.3 - принципиальная схема гидросинхронизатора. Вторая половина двигателя представляет собой зеркальное отображение изображенной на фиг.1 конструкции относительно плоскости А - А. В цилиндре 1 помещается поршень 2, с которым жестко связана система пустотелых штоков 3, входящих в гидравлические 4 и пневматические 5 цилиндры гидропневматического привода. Гидравлические цилиндры 4 соединяются с силовым цилиндром 8, в котором помещается поршень 6 и шток 7. В стенках цилиндра 1 имеются окна 9. Внешняя силовая конструкция, противостоящая внутреннему давлению на стенки цилиндра, состоит из системы кольцеобразных бандажей 10 и ребер жесткости (контрфорсов) 11, упирающихся в стенки цилиндра 1 и силовые бандажи 10. На фиг.2 показан один из возможных вариантов размещения пустотелых штоков 3 по площади поршня, причем штоки двух описанных выше гидравлической и пневматической систем чередуются в шахматном порядке. На схеме гидросинхронизатора не указаны детали, изображенные на фиг.1. Жестко связанные с поршнями 2 двигателя штоки 12 с поршнями 13 гидросинхронизатора размещены в его цилиндрах 14, заполненных жидкостью и соединенных попарно трубопроводами 15. Боковые стенки цилиндра стыкуются попарно так, что при тепловом расширении каждой из них могут скользить относительно торца стыкующейся с ней второй стенки, в результате чего внутренние размеры цилиндра не меняются. Стыковочный узел содержит уплотняющие вкладыши (на чертеже не показаны), обеспечивающие герметичность стыковки. На фиг.1 не указаны такие элементы конструкции двигателя, как системы смазки, охлаждения, продувки цилиндра, подачи топлива и зажигания. Они отличаются от традиционно используемых в двигателях внутреннего сгорания лишь в той мере, в какой необходимо учитывать особенности предлагаемой конструкции. Предлагаемый двигатель работает следующим образом. После воспламенения сжатой горючей смеси, заполняющей полость между поршнем 2 и его зеркальным повторением оба поршня 2 начинают синхронно двигаться в противоположных направлениях. Пустотелые штоки 3, входящие в гидроцилиндры 4 привода, вытесняют заполняющую их жидкость, которая давит на поршень 6. Посредством штока 7 это усилие передается поршню гидронасоса исполнительной системы (на чертеже не показано). Пустотелые штоки 3, входящие в пневматические цилиндры 5, испытывают на себе давление сжатого воздуха, заполняющего эти цилиндры 5. На такте расширения поршень 2 проскакивает по инерции окна 9, и обработанные газы покидают цилиндр 1. С помощью продувочной системы через те же окна 9 в цилиндр 1 поступает порция свежего воздуха. Под действием давления в пневматических цилиндрах 5 поршни 2 на такие сжатия возвращаются в исходное положение. Одновременно это происходит с элементами гидропередачи и исполнительной системы. Если эта система предназначена для производства электроэнергии, то для нее можно использовать известную конструкцию в виде напорного гидропневматического цилиндра, часть объема которого (около 10%) заполнена жидкостью, а оставшийся объем - воздухом под высоким давлением. Гидронасос через входной клапан нагнетает рабочую жидкость в гидропневматический цилиндр в пульсирующем режиме, через второе отверстие эта жидкость поступает на лопатки гидротурбины, вращающей электрогенератор. Изображенный на фиг.3 гидросинхронизатор обеспечивает строго согласованное движение поршней двигателя.