Вільнопоршневий двигун внутрішнього згоряння

Винахід відноситься до двигунобудування, почасти до вільнопоршневих двигунів внутрішнього згоряння (ВПД), компресорів (ВПК) або генераторів газу (ВШГГ). Відомий вільнопоршневий двигун внутрішнього згоряння, який містить циліндри, що встановлені в корпусі, з опозитно розташованими в кожному з них поршнями, які з'єднані між собою за допомогою штанг і двоплечих важелів, кінці яких рухомо установлені в шарнірах, що розташовані в центрі штанг (пат. США № 2233630, F 02В 75/26, 1939). Недоліком двигуна є конструктивна складність та динамічна неврівноваженість, яка знижує його експлуатаційну надійність. Відомий вільнопоршневий двигун внутрішнього згоряння, що містить корпус з циліндром, в якому розташовані протилежно рухомі один від одного поршні, які жорстко з‘єднані між собою за допомогою тронка, а також синхронізатор руху поршней (a. c. СPCP № 1749508, F 02871/00 1992р.) Недоліком відомого двигуна є обмеженість його використання внаслідок можливості установки в нього тільки однієї пари поршней і одного циліндра. Найбільш близьким за технічною суттю і досягнутому результату до технічного рішення, що пропонується, є вільнопоршневий двигун внутрішнього згоряння, що містить корпус і, принаймні, одну пару паралельно установлених в ньому циліндрів з розташованими в кожному з них двома зустрічно рухомими поршнями, з'єднаними попарно з різних циліндрів між собою за допомогою проміжних ланок, а також синхронізатор руху поршней (а. с. СРСР № 1728515, F 02В 71/00, 1992). Проміжні ланки тут виконані у вигляді розташованих на валах, зв'язаних з синхронізатором, маховиків, які з'єднані з поршнями за допомогою шатунів та шарнірів. Однак, зазначена конструктивна схема з'єднання поршней з різних циліндрів попарно між собою створює змінюючі вектори сил, які діють на перші на всіх тактах роботи двигуна, залежно від кутового розташування шатунів, але не співпадають з векторами переміщення поршней. При цьому, крім осьових навантажень, які діють на поршні, виникають також бокові (тангенціальні і радіальні), які в значній мірі збільшують знос циліндро-поршневих пар, а, внаслідок цьому, знижують експлуатаційну надійність двигуна, а також його механічний к.к.д. Завдання цього винаходу полягає у створенні вільнопоршневего двигуна внутрішнього згоряння, у якому вектор сил, що створюється проміжними ланками, збігається з вектором переміщення поршней і виключає, таким чином, бокові навантаження на перші, а ,отже, збільшує довговічність цилінда-поршневих пар і його механічний к.к.д. Поставлене завдання вирішується тим, що у вільнопоршневому двигуні внутрішнього згоряння, що містить корпус і, принаймні, одну пару паралельно установлених в ньому циліндрів з розташованими в кожному з них двома зустрічно рухомими поршнями, з‘єднаними попарно з різних циліндрів між собою за допомогою проміжних ланок, а також синхронізатор руху поршней відповідно до винаходу проміжні ланки виконані у вигляді двох, установлених паралельно циліндрам з можливістю відносного переміщення між собою повзунів, кожний з яких має по дві, протилежно розташовані на них з обох їх кінців поперечні консолі, при цьому ліва консоль першого повзуна жорстко з'єднана за допомогою штоку з лівим поршнем першого циліндра, а права консоль цього повзуна - зі штоком правого поршня другого циліндра кожної пари циліндрів, права консоль другого повзуна з'єднана аналогічним чином з правим поршнем першого циліндра, а ліва його консоль - з лівим поршнем другого циліндра цієї пари циліндрів. Повзуни могуть бути розташовані паралельно один одному, або коаксіально один від одного. Повзуни в поперечному перерізі виконані прямокутної, двотаврової, циліндричної або трубчатої форми. Порівняння пропонуємого вільнопоршневого двигуна внутрішнього згоряння з відомим (прототипом) свідчить, що новими ознаками тут є такі: 1. Виконання проміжних ланок у вигляді двох, установлених паралельно циліндрам з можливістю відносного переміщення між собою повзунів, кожний з яких має по дві, протилежно розташовані на них поперечні консолі, де ліва консоль першого повзуна жорстко з'єднана за допомогою штоку з лівим поршнем першого циліндра, а права консоль цього повзуна - зі штоком правого поршня другого циліндра кожної пари циліндрів, а права консоль другого повзуна з'єднана аналогічним чином з правим поршнем першого циліндра , а ліва його консоль - з лівим поршнем другого циліндра цієї пари циліндрів. 2. Розташування повзунів паралельно один одному, або коаксіально один від одного. 3. Виконання повзунів в поперечному перерізі прямокутної, двотаврової, циліндричної або трубчатої форми. Виконання проміжних ланок у вигляді двох, установлених паралельно циліндрам з можливістю відносного переміщення між собою, повзунів, кожний з яких має по дві, протилежно розташовані на них поперечні консолі, де ліва консоль першого повзуна жорстко з'єднана за допомогою штока з лівим поршнем першого циліндра, а права консоль цього повзуна - зі штоком правого поршня другого циліндра кожної пари циліндрів, а права консоль другого повзуна з'єднана аналогічним чином з правим поршнем першого циліндра, а ліва його консоль - з лівим поршнем другого циліндра цієї пари циліндрів дозволяє створити дві безшарнірні жорсткі ланки, що попарно з'єднують протилежно розташовані поршні кожної пари циліндрів. Ці дві жорстких ланки однієї пари циліндрів утворюють замкнену кінематичну систему, яка забезпечує періодичну взаємодію пари поршней у кожній парі циліндрів і збігання вектора сил, які діють на перші, з векторам їх переміщення і не визивають, таким чином, бокові навантаження на поршні, а, отже, збільшують довговічність циліндро-поршневих пар і механічний к.к.д двигуна. Розташування повзунів паралельно один одному, або коаксіально один від одного дає змогу залежно від форми виконання повзунів в поперечному перерізі збільшити момент опору повзунів, а, отже, жорсткість поздовжню та поперечну цих ланок і підвищити ,таким чином, точність збігання вектора передаваємих ними навантажень на поршні з вектором переміщення останніх. Виконання повзунів в поперечному перерізі прямокутної, або двотаврової, або циліндричної форми дозволяє забезпечити потрібну жорсткість повзунів при мінімальних габаритах, а ,отже, незмінність вищезазначених вектора навантажень на поршні і вектора переміщення останніх. Виконання повзунів в поперечному перерізі трубчатої форми, крім необхідної жорсткості, забезпечує малі габарити двигуна. Аналогічних рішень з подібними ознаками у патентно-інформаційному пошуку не встановлено. Це дозволяє зробити висновок, що дане технічне рішення є новим, промислово корисним і має винахідницький рівень. Винахід пояснюється кресленнями, де на фіг.1 зображена кінематична функціональна схема пропонуємого двигуна з однією парою циліндрів в момент розведення поршней в першому циліндрі; на фіг.2 - теж саме, в момент зведення поршней в першому циліндрі; на фіг.3 - кінематична функціональна схема двигуна з двома парами циліндрів; на фіг.4 - кінематична принципова схема двигуна з двома парами циліндрів; на фіг.5 - переріз АА на фіг.4; на фіг.6 - конструктивні схеми виконання повзунів в поперечному перерізі: а) прямокутна ;б) циліндрична, в) двотаврова, г) трубчата. Двигун містить корпус 1 і, принаймні, одну пару паралельно установлених в ньому циліндрів 2 і 3 з зустрічно рухомими поршнями 4 і 5, 6 і 7, з'єднаними попарно з різних циліндрів між собою за допомогою проміжних ланок. Останні виконані у вигляді двох, установлених в направляючих 8, виконаних в корпусі, паралельно циліндрам 2 і 3 з можливістю відносного переміщення між собою повзунів, зовнішнього 9 і внутрішнього 10. На зовнішньому повзуні 9 виконані повздовжні пази 11, що розташовані з обох його кінців. Кожний з повзунів має по дві, протилежно розташовані на них з обох їх кінців 12 і 13, а також 14 і 15 поперечні консолі 16 і 17, а також 18 і 19. Ліва консоль 16 зовнішнього повзуна 9 жорстко з'єднана за допомогою штоку 20 з лівим поршнем 4 першого циліндра 2, а права консоль 17 цього повзуна - зі штоком 21 правого поршня 7 другого циліндра 3 кожної пари циліндрів. Права консоль 18 і ліва консоль 19 внутрішнього повзуна 10 входять вільно, тобто з зазором в повздовжні пази 11 зовнішнього повзуна 9, при цьому консоль 18 жорстко з'єднана за допомогою штока 22 з правим поршнем 5 першого циліндра 2, а консоль 19 - за допомогою штока 23 з лівим поршнем 6 другого циліндра 3 цієї пари циліндрів. При розташуванні в корпусі 1 другої пари циліндрів 24 і 25 з‘єднання їх поршней 26 і 27 , а також 28 і 29 з повзунами 9 і 10 здійснюється аналогічним чином, що і поршней 4 - 7 першої пари циліндрів 2 і 3. Таке з‘єднання кожного повзуна з відповідною цьому парою поршнем створює жорстку замкнену систему, дія сил в кожної точці якої сприймається в інших точках системи в тих же напрямках, що і в точці прикладання сили. Повзуни 9 і 10 розташовані або паралельно один одному або коаксіально один від одного. В поперечному перерізі повзуни можуть бути виконані прямокутної, двотаврової, циліндричної або трубчатої форми (фіг.6). Двигун також має синхронізатор руху поршней, який виконаний у вигляді звернених один до одного зубчастих рейок 30 і 31, які взаємодіють з шестернею 32, ось 33 якої розташована в кронштейні 34, що закріплений на корпусі 1. Повзуни 9 і 10 з'єднані з пристроєм 35 для зйому потужності (компресор, вібратор, генератор струму і т.п.). Робота двигуна здійснюється наступним чином. При переміщенні поршней в циліндрах кожної пари циліндрів, які здійснюються при виконанні робочих та допоміжних тактів в двигуні з одного крайнього положення (внутрішнього) в друге (зовнішнє), одночасно з ними здійснюють зворотно-поступальне переміщення в направляючих 8 повзуни 9 і 10. При здійсненні робочого ходу (такту) у процесі впорскуванні палива (на фіг. не вказаний) в зазори між поршнями, які зведені один до одного, наприклад поршнями 4 і 5 циліндра 2, зазначені поршні рухаються в різні боки. Одночасно з поршнем 4, який переміщується в крайнє ліве положення, переміщається також вліво з‘єднаний жорстко за допомогою штоку 20 і поперечної консолі зовнішній повзун 9, а також з'єднаний за допомогою штоку 21 і консолі 17 правий поршень 7 другого циліндра 3. Правий поршень 5 при здійсненні робочого такту при цьому рухається в крайнє праве положення. Одночасно з ним переміщується вправо жорстко з'єднаний за допомогою штоку 22 і консолі 18 внутрішній повзун 10, а також з'єднаний з цим повзуном за допомогою консолі 19 ї штоку 23 лівий поршень 6 другого циліндра 3 цієї пари циліндрів. Консолі 18 і 19 в процесі руху поршней 5 і 6 перемішуються при цьому в зазорах між поздовжніми пазами 11 і, таким чином, повзуни 9 і 10 не взаємодіють між собою. Виконання проміжних ланок у вигляді двох, установлених паралельно циліндрам повзунів 9 і 10, кожний з яких має по дві, протилежно розташовані на них з обох їх кінців поперечні консолі, що жорстко зв'язані за допомогою штоків з відповідними поршнями, які різнобічно розташовані в різних циліндрах кожної пари циліндрів, створює жорстку замкнену кінематичну систему, що забезпечує паралельність дії вектора сил Ρ від зазначених повзунів і вектора d переміщення цих поршней. Це виключає створення бокових (тангенціальних і радіальних) навантажень на поршні, які мають місце у відомому двигуні (прототипі), що позитивно позначається на довговічності циліндро-поршневих груп, а також к.к.д двигуна. Розташування повзунів паралельно один одному, або коаксіально один від одного дає змогу збільшити момент опору повзунів, а, отже, їх жорсткість в поздовжньому і поперечному напрямках і підвищує, таким чином, точність збігання вектора передаваємих ними навантажень з вектором переміщення поршнем. Виконання повзунів в поперечному перерізі прямокутної, двотаврової або циліндричної форми дозволяє забезпечити потрібну жорсткість повзунів при мінімальних їх габаритах, а, отже, незмінність векторів Ρ і d . В свою чергу, виконання повзунів трубчатої форми і коаксіальне розташування їх один від одного крім потребної жорсткості забезпечує малі габарити двигуна. При неузгодженому переміщенню поршней в різних циліндрах кожної пари циліндрів здійснюється випереджуюче зміщення одного повзуна відносно другого і відносне переміщення однієї зубчастої рейки, наприклад рейки 30 відносно другої рейки 31. Остання рейка за допомогою шестерні 32, що обертається навколо осі 33, при цьому получає додатковий імпульс руху в той або інший бік і швидкість руху поршней при цьому синхронізується. Експериментальні дослідження промислової моделі двигуна, що пропонується, показують, що за рахунок відсутності бокових навантажень на циліндро-поршневі групи, довговічність їх збільшується в 1,4 1,5 рази, а механічний к.к.д. при цьому зростає на 9 - 12%.