Двоциліндровий двигун з вільнопоршневим газогенератором

1. Двоциліндровий двигун з вільнопоршневим газогенератором, кінематична схема якого складена з вільнопоршневого газогенератора з регулятором потужності та швидкості, блока циліндрів з поршнями двосторонньої дії, кривошипношатунного механізму, системи каналів та труб подачі робочих газів та відводу відпрацьованих газів, системи охолодження, змащування, забезпечення паливною сумішшю, який відрізняється тим, що в кінематичну схему двигуна введено реверсний перемикач, який має циліндричний корпус з п'ятьма камерами ("а", "б", "в", "г", "д"), що взаємодіють з двома клапанами, з'єднаними міцно зі штоком, блок циліндрів має два циліндри, які розміщені один до одного під кутом 60 градусів та кожен циліндр має по дві розподільчі коробки з трьома отворами (15, 16, 17), за допомогою яких він з'єднаний з патрубками, при цьому робочий газ по C2 2 UA 1 3 (назва російською мовою). Цей винахід прийнятий, як аналог запропонованому винаходу. Великим досягненням С.С.Баландіна є те, що йому вдалося вирішити питання двостороннього робочого процесу в циліндрах двигуна, значно підвищити цим потужність двигуна і знизити його металоємність на одиницю потужності. Наявність великої кількості переваг двигуна С.С. Баландіна над існуючими поршневими двигунами внутрішнього спалювання, він має ті ж суттєві недоліки, що його робочий процес складається із чотирьох тактів, з яких тільки один є робочим. Найсуттєвішими недоліками двигуна С.С.Баландіна та інших двигунів внутрішнього спалювання є те, що: а) затрати значної частки енергії на три підготовчі такти і, як висновок цього, низький індикаторний ККД (коефіцієнт корисної дії), який завжди дорівнює 0,25-0,28; б) складність конструкції двигуна та велика металоємність на одиницю потужності; в) двигуну Баландіна не вдалося зменшити витрати палива на одиницю потужності та на 100 км пробігу автотранспорту; г) особливі вимоги до матеріалу, з якого виготовлені елементи та деталі двигуна, до жаростійкості, хімічної стійкості, до механічних та температурних дій. Запропонований «Двоциліндровий двигун з вільнопоршневим газогенератором» дозволить значно покращити конструкцію та принцип роботи блока циліндрів, досягти кожного ходу поршня робочим; а це дає можливість скасувати всі підготовчі такти. Як приклад приводимо порівняння основних технічних показників 8-ми циліндрового поршневого двигуна внутрішнього спалювання з пропонованим двоциліндровим двигуном, в якому кожен хід поршня є робочим тактом, а камери спалювання розміщені окремо - в вільнопоршневому газогенераторі, який запатентований як винахід №90550 та зареєстрований в Державному реєстрі патентів України на вихід 11.05.2010 року. При цьому передбачимо, що в обох двигунах однакові наступні параметри: а) діаметри циліндрів Д=Дп; б) довжина ходу поршня L=Lп; в) ефективний тиск Рср=Рп; г) число обертів колінчатого вала П=Пп. Необхідно відзначити, що у восьмициліндровому двигуні робочий хід одного і того поршня відбувається через два оберти колінчатого вала, а в пропонованому двигуні кожен хід поршня є робочим, то один циліндр пропонованого двигуна по працездатності замінить вісім циліндрів, тоді два циліндри пропонованого двигуна будуть еквівалентні роботі 16-ти циліндрам чотиритактного двигуна внутрішнього спалювання (аналога). Враховуючи ці можливості пропонованого двигуна та можливості двигуна аналога отримуємо наступні порівняльні технічні характеристики: а) потужність пропонованого двигуна більш ніж в два рази потужності аналога, при цьому це без врахування затрат потужності на підготовчі такти двигуна аналога; б) в пропонованому двигуні значно зменшаться затрати потужності, в зв'язку з відсутністю під 95745 4 готовчих тактів, а на поршні діє ефективна сила робочих газів в процесі всього робочого ходу поршня, при цьому на стінки колінчатого вала зразу діють дві сили від двох поршнів, ці всі дії значно піднімають ККД двигуна; в) при відповідному конструктивному втручанні можна значно зменшити затрати тепла через стіни: циліндрів, реверсного перемикача, розподільчих коробок та каналів подачі робочих газів, що дає можливість підвищити ККД; г) в пропонованому двигуні вдалося вирішити питання двостороннього робочого процесу в кожному циліндрі; д) значно спрощуються деталі та вузли систем: змащування двигуна, охолодження, управління автомашиною, блока циліндрів з кривошипношатунним механізмом, колінчатого вала, системи забору потужності; е) в пропонованому двигуні зменшиться вага і габарити, збільшується маневреність автомашин, а з введенням в конструктивну систему двигуна реверсного перемикача, дозволить колінчатому валу мати як прямі, так і зворотні оберти, що дозволить спростити конструкцію коробки передач, при цьому задній хід може мати стільки швидкостей, що й передній з однаковою потужністю. Основним вузлом в запропонованому двигуні є «Вільнопоршневий газогенератор», який запатентований як винахід № 90550 та зареєстрований в Державному реєстрі патентів України 11.05.2010 року, в якому розташована камера спалювання горючої суміші одна для всіх циліндрів та накопичення робочих газів в камері постійного тиску, а в двигунах аналогах камери спалювання розташовані над поршнем кожного циліндра. Значну роль відіграє в пропонованому двигуні реверсний перемикач, він дозволив вирішити питання: прямих та зворотних обертів колінчатого вала двигуна; значно спростити конструкцію коробки передач; крім того, задній хід має стільки швидкостей, що й передній з цією ж потужністю. В двигунах аналога питання реверса колінчатого вала не вирішено зовсім. Від системи газорозподілу робочих та відпрацьованих газів залежить роботоспроможність блока циліндрів, їх компактність і конструктивні особливості. Для компактності спрощення, надійності в роботі передбачені на кожному циліндрі двигуна по дві зовсім однакові по конструкцію і по принципу роботи розподільчі коробки: одна з них працює на розподіл робочих газів в верхню чи нижню порожнини циліндра; друга для відводу з нижньої чи верхньої порожнини циліндра відпрацьованих газів, крім того, їх конструкція дозволяє при переключенні реверсного перемикача на зворотний хід колінчатого вала мінятися своїми ролями. Розподільчі коробки мають безпосередній зв'язок з колінчатим валом двигуна через кулачковий механізм, що дозволило значно спростити систему передач від колінчатого вала до розподільчих клапанів. Перелік фігур на кресленнях Пропонований «Двоциліндровий двигун з вільнопоршневим газогенератором» зображений на наступних кресленнях: 5 а) Фіг.1, на якій зображений двоциліндровий двигун з вільно поршневим газогенератором в аксонометричній проекції, другий циліндр умовно не показаний, а колінчатий вал, для кращої наочності, паралельно зміщений вниз, при цьому системи охолодження, змащення і кріплення умовно не показані; б) Фіг.2, на якій зображена кінематична схема двоциліндрового двигуна з вільно поршневим газогенератором в розрізі, при цьому вільнопоршневий газогенератор на кресленнях зображений без детальної розшифровки (всі його функції можна прочитати в патенті на винахід №90550), а його канал видачі робочих газів з'єднаний з регулятором потужності та швидкості обертання колінчатого вала, а далі каналом з реверсним перемикачем і далі показані канали з розподільчими коробками, які в свою чергу з'єднані каналами з циліндрами двигуна; в) Фіг.3, на якій зображений реверсний перемикач з виглядом зверху та розріз по осі А-А г) Фіг.4, на якій зображена розподільча коробка в розрізі по осі. Відомості, які підтверджують можливість здійснення винаходу та детальний опис двигуна. В кінематичну та конструктивну схему двоциліндрового двигуна з вільнопоршневим газогенератором входять такі основні вузли та деталі: - вільнопоршневий газогенератор (дивись патент України на винахід №90550), як подавач робочих газів, які розраховані за необхідним тиском та обсягом подачі цих робочих газів двигуну; - регулятор потужності та швидкості обертів колінчатого вал, який з'єднаний з заборним каналом вільнопоршневого газогенератора; - реверсний перемикач з'єднаний каналом з регулятором потужності та швидкості обертів колінчатого вала, в свою чергу він виконує дії, пов'язані з зміною обертів колінчатого вала двигуна з прямих на зворотні; - розподільчі коробки, які встановлені біля циліндрів по дві на кожний циліндр, при цьому одна для розподілу робочих газів, а інша для розподілу випуску відпрацьованих газів і навпаки, при цьому розподільчі коробки мають чотири канали, які з'єднані з реверсним перемикачем, а також має прямий зв'язок за допомогою штовхача з роликом з колінчатим валом; - циліндри з поршнями, які мають по три отвори, що каналами з'єднані з розподільчими коробками, при цьому кожен циліндр з поршнем має дію поршня в двох напрямках та кожен хід поршня є робочим; - кривошипно-шатунний механізм, який на ділянці переміщення поршня і до з'єднання з кривошипом має прямий шток, який з'єднаний міцно, а колінчатий вал має кулачки, по яких переміщується ролик штовхача розподільчої коробки. Конструкція пропонованого двигуна відображена на кресленнях на фігурах 1; 2; 3 та 4, при цьому на кресленнях зображені основні робочі вузли та деталі двигуна, а другорядні вузли як система охолодження двигуна, змащення маслами, кріплення та деякі інші вузли на кресленнях не відображені. 95745 6 Всі деталі та вузли двигуна виконані з металу середньої стійкості до механічних, хімічних, температурних дій, а штоки кривошипа вала, клапани, шатуни виконані з металу підвищеної механічної стійкості: 1 - вільнопоршневий газогенератор достовірно описаний в патенті на винахід, - є виробником та подавачем робочих газів в циліндрі двигуна з розрахунковим тиском і в потрібному обсязі; 2 - регулятор забору робочих газів чи як регулятор потужності та швидкості обертів колінчатого вала (зафіксований в патенті на винахід); 3 - реверсний перемикач. Велику роль в роботі пропонованого двигуна відіграє реверсний перемикач, конструкція якого виникла у зв'язку з появою в схемі двигуна вільнопоршневого газогенератора. Цей перемикач вдало вписується в загальну схему пропонованого двигуна і складається із наступних деталей дивись фігури 1; 2; 3 і 4: 3 - корпус реверсного перемикача, який поділений на п'ять камер: «а», «б», «в», «г» і «д», при цьому камера «а» з'єднана з камерою «д», камера «б» є приймальною - в неї надходить робочий газ із камери газогенератора; камера «г» - це камера відпрацьованих газів; а камера «а», «в» і «д» - є змінними, в них може проходити як робочий газ, так і відпрацьований газ, їх роль залежить від положення двох клапанів двосторонньої дії «8»; 4 - вхідний патрубок, він з'єднує газогенератор з камерою «б»; 5 і 6 - є з'єднувальними як по одному, так і по іншому може проходити робочий газ, так і відпрацьований газ, все залежить від положення клапанів «8»; 7 - патрубок відпрацьованих газів; 8 - клапани двосторонньої дії; 9 - шток, до якого кріпляться клапани «8», він має вухо для тяги та кріпиться до корпусу за допомогою направляючої втулки; 10 - обвідний патрубок; він з'єднує камеру «а» з камерою «д». Конструкція реверсного перемикача не складна, але з метою зменшення втрат тепла бажано внутрішню частину виконати із механічно стійкого теплоізоляційного матеріалу. Конструкція циліндрів, поршнів, штока, шатуна та колінчатого вала не являє собою особливої новизни, щоб виготовити поршень двосторонньої дії достатньо переконструювати поршень із будьякого сучасного двигуна внутрішнього спалювання, правда, при цьому необхідно замінити систему змащення та охолодження. Можуть бути використані конструкції циліндрів, штоків, шатуна, поршнів у гідромоторах, парових двигунах, насосах поршневих, компресорах і. т. д. Отримали велику популярність і клапанні затвори з різними приводами при їх роботі, так що конструкція самих клапанних розподілювачів також не нова. Необхідно відзначити, що конструкції поршнів та циліндрів двосторонньої дії до цього часу у двигунах внутрішнього спалення не застосовувались, також не застосовувалась конструкція розподільчих коробок, кулачкові механізми яких встановлені безпосередньо на колінчатому валу. 7 Розподільчі коробки передбачаються в пропонованому двигуні на кожний циліндр дві: одна для розподілу робочих газів, друга для розподілу відпрацьованих газів, при цьому кожна із розподільчих коробок «11» може розподіляти робочий газ або відпрацьований газ, все залежить від положення клапанів «8» реверсного перемикача. Розподільчі коробки складаються із таких вузлів та деталей: 11 - корпус розподільчої коробки, що має три отвори, два із них з'єднані патрубками «15» і «16» або «17» з верхньою та нижньою частинами циліндра та одна за допомогою патрубка «14» з реверсним перемикачем «3»; 12 - клапани двосторонньої дії, які перекривають то верхній, то нижній отвори клапанної коробки «11», що мають зв'язок з верхньою та нижньою частинами циліндра; 13 - штовхач з роликом, який має упорну тарілку та притискну пружину, за допомогою цієї пружини клапан «12» притискається до гнізда нижнього отвору клапанної коробки, а ролик служить для спільної роботи з кулачком, розміщеним на колінчатому валу «29»; 14 - канали чотири штуки, які з'єднують розподільчі коробки з реверсним перемикачем; 15; 16; 17 - патрубки розподільчих коробок. Така конструкція розподільчих коробок з клапанами двосторонньої дії дозволяє почергово подавати робочий газ то в верхню, то в нижню частину циліндра або випускати відпрацьований газ то з верхньої, то з нижньої частини циліндра двигуна, що і є основною відмінною особливістю пропонованої розподільчої коробки від діючих клапанів та коробок. Крім того, така конструкція розподільчої коробки дозволяє при переключенні реверсного перемикача на зворотний хід обертів колінчатого вала міняються своїми ролями, тобто кожна розподільча коробка може служити для розподілу як робочих газів, так і відпрацьованих газів. Блок циліндрів з поршнями, осі яких пересікаються в центрі колінчатого вала та розміщені під кутом 60 градусів, при цьому кожен циліндр має три отвори, які каналами та патрубками з'єднані з розподільчими коробками. 18 - корпус циліндра, який має три отвори з'єднані з каналами системи газорозподілу; 19 - поршень з'єднаний зі штоком міцно, який діє разом з кривошипно-шатунним механізмом на вал «9»; 20 - шток, який з'єднаний з поршнем «19»; 21 - кривошипно-шатунний механізм; 22 - колінчатий вал має кулачки, які діють на шток розподільчої коробки. Дія двоциліндрового двигуна з вільнопоршневим газогенератором в робочому стані. В момент пуску вільнопоршневого газогенератора регулятор потужності та швидкості обертів колінчатого вала двигуна «2» повинна бути зачиненою. При відчиненні цього регулятора робочий газ, який знаходиться в камері газогенератора «1» через регулятор «2» реверсний перемикач «3»; систему розподільчих каналів та труб «14»; та розподільчих коробок «11» подається в циліндрі дви 95745 8 гуна, при цьому необхідно відзначити, що робота газогенератора не залежить від обертів колінчатого вала двигуна, а залежить від тиску в накопичувальній камері газогенератора. Велику роль в роботі двигуна має реверсний перемикач «3». Він в блоці пропонованого двигуна працює наступним чином: (дивись фігури «2» і «3») робочий газ із камери накопичення газогенератора через регулятор «2», вхідний патрубок «4» надходить в камеру «б», а далі в камеру «в», а з неї в патрубок «5» і далі через систему труб та каналів «14» в розподільчі коробки, а потім в циліндри двигуна. Відпрацьований газ надходить в патрубок «6», потім в камеру «д», а далі в камеру «г», а з неї в патрубок «7» і далі в вихлопну трубу. Для того, щоб здійснити зворотний хід обертів колінчатого вала двигуна достатньо зробити перемикання клапанів з положення, як вони показані на фігурах «2» та «3» в нове положення, при цьому клапани «8» за допомогою штока «9» перекривають камеру «в» від камери «б», та камеру «г» від камери «д». В цьому випадку робочий газ піде по наступних патрубках та каналах, з регулятора «2» патрубок «4» в камеру «б», а далі в камеру «а» по обвідному патрубку «10» в камеру «д», а далі в патрубок «6», в цю мить відпрацьований газ від циліндрів двигуна надійде в патрубок «5», потім в камеру «в», далі в камеру «г» і в патрубок «7» і далі в вихлопну трубу. Значну роль в роботі циліндрів двигуна виконують розподільчі коробки «11», в яких проходить розподіл робочих газів та відпрацьованих газів. Кожний циліндр блока має дві розподільчі коробки, одна для розподілу робочих газів, друга для відводу відпрацьованого газу (дивись фігури 1; 2 і 3). В разі необхідності реверса колінчатого вала, ці розподільчі коробки змінюють свої ролі. Робочий газ з вільнопоршневого газогенератора, пройшовши реверсний перемикач «3», надходить через патрубок «5» в систему трубопроводів та каналів «14» в розподільчі коробки. Розподільча коробка має клапани «12», які за допомогою штовхача з роликами «13» взаємодіє з колінчатим валом «22» двигуна за допомогою кулачка, який розміщений на цьому валу, який в заданій послідовності відчиняє отвір то внизу, то в верху коробки «11». Таким чином здійснюється впуск робочих газів в верхню чи в нижню порожнину циліндра в залежності від обертів колінчатого вала. На фігурі «2» зображена схема роботи двигуна. В циліндрі «а» зображена мить, коли поршень знаходиться в верхній мертвій точці, а в розподільчій коробці зображена мить, коли клапан закрив верхній отвір і відкрив нижній отвір, а в цю мить робочі гази по обвідному каналу «10» наповнюють верхню порожнину циліндра робочим газом, при цьому поршень стрімко йде вниз. В розподільчій коробці для відпрацьованих газів проходить та ж мить її роботи так, як і в коробці для робочих газів. За допомогою кулачкового механізму колінчатого вала «22» та штока з роликом 9 «21», клапан двосторонньої дії «12» перекриває верхній отвір та відкриває нижній отвір, з'єднаний з нижньою частиною камери циліндра. Відпрацьований газ виходить з циліндра через патрубок «16» в розподільчу коробку «11», систему трубопроводів та каналів «14» і далі в реверсний перемикач «3». В циліндрі «б» показана мить, коли поршень пройшов майже половину свого шляху при переміщенні вниз, схема подачі робочих газів і відвід відпрацьованих газів досконало описаний вище, при цьому необхідно відзначити особливість роботи циліндрів пропонованого двигуна: при попаданні поршня циліндра «а» в мертві точки роботи, поршень циліндра «б» знаходиться в максимальному навантаженні і навпаки, тобто спільна робота двох циліндрів двигуна, розміщених під кутом 60 градусів один до одного швидко виводять один 95745 10 одного з мертвих точок, що сприяє більш рівномірному обертанню колінчатого вала пропонованого двигуна (без ривків). Перелік використаної інформації: 1. Теорія механізмів та машин і деталі машин Мишнева М.М. 2. Двигуни внутрішнього спалювання, автомобілі, трактори та їх експлуатація Сергеев В.В. 3. Авторське свідоцтво №118471 «Двигун внутрішнього спалювання з безшатунним механізмом». 4. Гідравлічні двигуни в СРСР і за кордоном Мариніна Н.Ф. 5. Гальма локомотивів Крилов В.І. 6. Технічні журнали та інша інформація. 7. Патент України на винахід №90550 «Вільнопоршневий газогенератор». 11 95745 12 13 Комп’ютерна верстка Н. Лисенко 95745 Підписне 14 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601