УДК 621.432.4

ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С МАГНИТНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ДВИЖЕНИЯ

Сухаревский Владимир Владимирович
Компания "Ланмотор"
г. Москва, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

Аннотация
Предложенный автором поршневой двухтактный двигатель – новый этап развития двигателей с магнитным преобразованием движения. Устранены недостатки предыдущих конструкций, намечены перспективы улучшения массогабаритных характеристик двигателя. В статье приведено описание вариантов конструкции двигателя.

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания с магнитным преобразованием движения, магнит, поршневой двухтактный двигатель, свободнопоршневой двигатель


THE TWO-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH THE MAGNETIC MOTION CONVERTER

Sukharevsky Vladimir Vladimirovich
Lanmotor company
Moscow, PhD in Physics, leading researcher

Abstract
The two-stroke piston engine proposed by the author is a new step for developing of the internal combustion engine with the magnetic motion converter. The disadvantages of the previous designs have been eliminated, the prospects for improving weight and size characteristics of the engine have been shown. The article describes the design of the engine.

Keywords: free-piston engine, internal combustion engine with the magnetic motion converter, magnet, piston two-stroke engine


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Сухаревский В.В. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с магнитным преобразованием движения // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 11 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/11/74548 (дата обращения: 27.11.2016).

Новый тип двигателей внутреннего сгорания с магнитным бесконтактным преобразованием движения –перспективное направление развития ДВС. Автором предлагается трехцилиндровый двухтактный двигатель с двумя магнитными преобразователями возвратно-поступательного движения во вращательное движение.

Известен двухтактный двухцилиндровый двигатель внутреннего сгорания с магнитным преобразованием движения, имеющий пару магнитных преобразователей возвратно-поступательного движения во вращательное движение [1]. Каждый преобразователь в [1] содержит вращающийся ротор и два штока, двигающихся возвратно-поступательно в противофазе.

Использование бесконтактного магнитного преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное движение позволяет, как показано в [2], использовать в двигателе на его основе высокие степени сжатия без негативных последствий для узлов и механизмов двигателя.

Однако, в конструкции [1] двигателя с магнитным преобразованием движения имеются следующие недостатки:

- штанги, соединяющие штоки, двигающиеся синхронно, из-за несовпадения осей цилиндров, создают изгибающую силу, действующую на штоки, которая приводит к повышенному трению и возможному заклиниванию штоков,

- магнитная сила, притягивающая магнит штока к магниту ротора в радиальном направлении, не скомпенсирована и передается на направляющие штоков,

- при изменениях температуры двигателя в процессе работы может нарушаться параллельность цилиндров, что также ведет к повышенному трению и возможному заклиниванию штоков и/или поршней.

Фиг. 1 Простейший преобразователь по [3] с роторами 4 с магнитами роторов 1, полюса магнитов роторов 7, обращенные к штоку 3 расположены вдоль линии 5, имеющей один минимум и один максимум в направлении осей штоков 3. Показаны линии 5 по верхнему краю магнитных полюсов 7, с минимумом и максимумом по оси Z, параллельной осям штоков 3 и роторов 4. Магнит штока 2 расположен в средней части штока 3, полюса магнитов штока 6 обращены к полюсам магнитов ротора 7.

Известен магнитный бесконтактный преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное движение [3], который содержит:

- пару роторов, вращающихся в противоположных направлениях вокруг одной оси, и не имеющих возможности перемещаться вдоль этой оси, с закрепленными на указанных роторах магнитами ротора,

- шток, движущийся возвратно-поступательно вдоль оси вращения ротора, с закрепленным на указанном штоке магнитом штока, с полюсами, обращенными к полюсам магнитов роторов,

- одноименные полюса магнитов роторов, обращенные к штокам, расположены вдоль замкнутых линий, имеющих в направлении оси вращения ротора локальный максимум и локальный минимум,

- форма и размеры указанных замкнутых линий таковы, что при достижении штоком верхней мертвой точки все полюса магнитов штока достигают максимумов указанных линий полюсов магнитов обоих роторов, а при достижении штоком нижней мертвой точки, все полюса магнитов штока достигают минимумов указанных линий полюсов магнитов обоих роторов.

Фиг.2 Вариант изготовления магнитов ротора 1, набираемых из магнитных пластин, с полюсами 7 направленными к оси ротора 4.

Симметрия замкнутых линий полюсов магнитов роторов и полюсов штока относительно оси ротора приводит к компенсации вращающих моментов, вектор которых перпендикулярен оси ротора, и соответственно, приводит к уменьшению трения. Также, компенсируются силы магнитного натяжения в направлениях, перпендикулярных оси ротора, что также уменьшает трение в направляющих штока.


Фиг.3 Вариант изготовления ротора 4 с наборным магнитом ротора 1.


Фиг.4 Вариант изготовления штока 3 с магнитами 2 с полюсами 6.


Фиг.5 Схема работы магнитной системы преобразователя, шток 3 с магнитами 2 движется возвратно-поступательно, магниты 1 различных роторов вращаются в противоположных направлениях.

Раскрытие изобретения

Технический результат изобретения заключается в создании двухтактного двигателя внутреннего сгорания с магнитным преобразованием движения.

Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с магнитным преобразованием движения, имеющий пару магнитных преобразователей возвратно-поступательного движения во вращательное движение, каждый из которых имеет:

- пару роторов, вращающихся в противоположных направлениях вокруг одной оси, и не имеющих возможности перемещаться вдоль этой оси, с закрепленными на указанных роторах магнитами ротора,

- шток, движущийся возвратно-поступательно вдоль оси вращения ротора, с закрепленным на указанном штоке магнитом штока, с полюсами, обращенными к полюсам магнитов роторов,

- одноименные полюса магнитов роторов, обращенные к штокам, расположены вдоль замкнутых линий, имеющих в направлении оси вращения ротора локальный максимум и локальный минимум,

- форма и размеры указанных замкнутых линий таковы, что при достижении штоком верхней мертвой точки все полюса магнитов штока достигают максимумов указанных линий полюсов магнитов обоих роторов, а при достижении штоком нижней мертвой точки, все полюса магнитов штока достигают минимумов указанных линий полюсов магнитов обоих роторов,

- все поршни и штоки, движущиеся синхронно, жестко соединены,

- по крайней мере, два ротора различных указанных преобразователей синхронизированы между собой,

отличающийся тем, что:

- имеет три цилиндра, на одной оси со штоками и роторами указанных преобразователей,

- такт сжатия в центральном цилиндре соответствует такту расширения в крайних цилиндрах.

Фиг. 6 Схема двигателя по Модификации 1. Двигатель включает два преобразователя 8 возвратно-поступательного движения во вращательное, поршни 9, центральный цилиндр 10, крайние цилиндры 11 с клапанами 12. Продувка осуществляется через продувочные окна 13 или клапана 12, выпуск – через выпускные окна 14. Роторы 4 каждого преобразователя 10 вращаются в противоположные стороны. Два ротора 4, вращающихся в одну сторону, ремённой передачей 15 соединены с выходным валом 16.

Расположение всех цилиндров на одной оси с роторами и штоками устраняет изгибающие силы в двигателе.

Синхронизация по крайней мере двух роторов различных преобразователей дает синхронизацию встречно-движущихся поршней, что необходимо для нормальной работы двигателя.

Синхронизация вращения роторов в одном направлении может обеспечиваться, например, ремённой или шестеренчатой или цепной передачей с роторов на общий вал.

Раскрытое выше изобретение может быть изготовлено в различных модификациях.

Модификация 1. Раскрытый выше двигатель, у которого:

- в центральном цилиндре прямоточная бесклапанная продувка и два встречно-движущихся поршня соединены каждый со штоком разных указанных преобразователей,

- в крайних цилиндрах по одному поршню, каждый из которых соединен со штоком разных указанных преобразователей, клапанно-щелевая либо бесклапанная петлевая продувка.

Модификация 2. Раскрытый выше двигатель, у которого:

- во всех цилиндрах по два встречно-движущихся поршня и бесклапанная прямоточная продувка,

- штоки преобразователей соединены каждый с одним поршнем крайнего цилиндра и с помощью штанг с движущимися с ними синхронно поршнями центрального цилиндра.

В двигателе по Модификации 1 роль клапанов в крайних цилиндрах может играть гильзовый газораспределительный механизм.

Топливовоздушная смесь в цилиндрах может самовоспламеняться, либо поджигаться искрой. Например, в двигателе по Модификации 1 в центральном цилиндре – самовоспламенение, в крайних цилиндрах – воспламенение искрой.

В двигателе по Модификации 2 центральный цилиндр преимущественно имеет вдвое большую площадь сечения, нежели крайние цилиндры, а в двигателе по Модификации 1 площади сечения всех цилиндров преимущественно одинаковы. Вращающий момент выходного вала в таком случае более равномерный.

Боковая поверхность поршня или весь поршень может быть изготовлен из графита, а цилиндры изготовлены из сплава с заданным коэффициентом температурного расширения, равным коэффициенту температурного расширения графита поршня в радиальном направлении, т.е. в направлении от оси цилиндра к стенкам цилиндра.

Указанный двигатель используется в транспортном средстве, и/или генераторной установке, которая в свою очередь используется в транспортном средстве или для выработки электроэнергии на электростанции.

Генераторная установка, использующая предложенный двигатель, может использовать в качестве электрогенератора, например, синхронную электрическую машину.

Транспортное средство, использующее двигатель с преобразователями по настоящему изобретению или генераторную установку, использующую двигатель по настоящему изобретению, может быть воздушным, водным, сухопутным.

В автомобиле двигатель с предложенным преобразователем благодаря его вытянутой форме можно устанавливать в центральном тоннеле кузова и использовать, например, в составе генераторной установки.

Двигатель, генераторная установка и электростанция, по настоящему изобретению, может использовать различное жидкое или газообразное топливо, преимущественно углеводородное.


Фиг.7 Внутренняя часть варианта изготовления трехцилиндрового двигателя с противоположным движением поршней 9 по Модификации 2. Движущиеся синхронно штоки 3 с поршнями 9 жестко соединены штангами 17. Показана магнитная система преобразователей 8, с замыкающими магнитопроводами ротора 18.

ФИГ.8 Один из возможных вариантов изготовления трехцилиндрового двигателя, с корпусом в виде полого каркаса 19 соединенного с впускными коллекторами 20. Корпуса 21 подшипников роторов соединены с коллекторами 20. На цилиндрах 10, 11 установлены выпускные коллекторы 22. Вспомогательные системы двигателя, такие как стартер, продувочный компрессор, форсунки, система управления впрыском, не показаны.

Осуществление изобретения.

На Фиг. 6 представлена схема предложенного двигателя по Модификации 1.

Для пуска двигателя желательно придать валу отбора мощности 16 начальное вращение в необходимом направлении, на тот случай, если штоки 3 находятся в мертвых точках и направление движения роторов 4 при начале их движения не определено. Пуск можно осуществлять подачей сжатого воздуха компрессором попеременно в центральный цилиндр 10 и крайние цилиндры 11, либо путем вращения выходного вала 16 стартером (на фиг.6-8 стартер и компрессор не показаны)

Во время хода поршней 9 роторы 4 под действием магнитной силы взаимодействия магнитов штоков 2 и магнитов роторов 1 вращаются. Корпус, топливная система, продувочный компрессор на Фиг.6 не показаны.

Изображенный на Фиг.6 вариант двигателя (Модификация 1) наглядно демонстрирует принцип работы предлагаемого двигателя, имеет высокую эффективность, но использует петлевую или клапанно-щелевую продувку. Наличие клапанов 12 предполагает наличие системы газораспределения (на Фиг.6 не показана), например, электронной, что существенно удорожает конструкцию. При петлевой продувке клапана 12 отсутствуют, а часть выпускных окон 14 в крайних цилиндрах используются как продувочные.

На Фиг.7 показана внутренняя часть трехцилиндрового двигателя с противоположным движением поршней 9 и бесклапанной продувкой всех цилиндров (Модификация 2). Синхронизация движения поршней 9 осуществляется жестко соединенными с поршнями 9 штангами 17. Направляющими штоков 3 являются стенки цилиндров 10, 11 (цилиндры на Фиг.7 не показаны).

Поршни 9 крайних цилиндров 11 жестко соединены с штоками 3 преобразователей 8, состоящих из наборных магнитов 1 роторов 4 (роторы не показаны на Фиг.7), замыкающих магнитопроводов 18, штоков 3 и магнитов 2 штоков. Магнитопроводы 18 повышают эффективность магнитной системы и устраняют помехи для электронных устройств.

При работе по двухтактному циклу необходимо, чтобы в крайних цилиндрах 11 такт расширения происходил одновременно, при этом в центральном цилиндре 10 будет происходить сжатие воздуха или топливовоздушной смеси.

На Фиг. 8 показан трехцилиндровый двухтактный двигатель внутреннего сгорания с двумя преобразователями с противоположно вращающимися роторами 4, синхронизированными передачами 15 с двумя валами 16. На цилиндрах 10, 11 установлены выпускные коллекторы 22, впускные коллекторы 20. Впускные коллекторы крайних цилиндров соединены с корпусами 21 подшипников роторов и полым корпусом двигателя 19. Полость корпуса 19 используется в качестве продувочного ресивера, продувка от компрессора (на Фиг. 8 не показан)

Регулировка мощности производится регулировкой количества топлива, подаваемого в цилиндры 10,11 через форсунки (на Фиг.8 не показаны), путем изменения как продолжительности впрыска, так и количеством задействованных форсунок.

Удары поршней 9 друг о друга исключаются благодаря плоской форме поршней 9 и наличию тормозящей прослойки между ними из топливо-воздушной смеси или воздуха.

Цилиндры двигателя 10, 11 разгружены от боковых усилий, поэтому нет необходимости в жидкой смазке. При этом боковая поверхность поршня 9 или весь поршень 9 для снижения трения может быть изготовлен, например, из графита.

При использовании графитовых поршней 9 и цилиндров 10, 11 из сплава с заданным коэффициентом температурного расширения, равным коэффициенту температурного расширения графита поршня в радиальном направлении, можно отказаться от поршневых колец. Зазор между поршнями 9 и стенками цилиндров 10, 11 будет минимально возможным и постоянным, и при высоких частотах колебаний поршня 9 практически исключит утечки.

Охлаждение цилиндров 10, 11 может быть воздушным или жидкостным.

Высокая эффективность двигателя достигается благодаря отсутствию боковой нагрузки поршней 9 на стенки цилиндров 10, 11, возможности отказаться от жидкой смазки и поршневых колец, а также использованию высоких степеней сжатия.

Наилучший вариант выполнения изобретения

Наилучшим вариантом предлагаемого двигателя, является Модификация 1, изображенная схематично на Фиг.6, т.к. в ней можно максимально облегчить движущиеся возвратно-поступательно массы за счет переноса растягивающих сил с соединительных штанг 17 на корпус двигателя 19 (корпус на фиг. 6 не показан). Таким образом, можно повысить частоту колебаний поршня 9 и соответственно увеличить удельную мощность двигателя.

Промышленная применимость

В работе [2] построена математическая модель двигателя, аналогичного по рабочему процессу с предлагаемым двигателем. Расчет показал, что двигатель работоспособен и обладает высоким КПД.


Библиографический список
  1. Заявка PCT/RU2014/000825 от 29.10.14, публикация WO/2016/068744 от 06.05.16
  2. Сухаревский В.В. Кинематика и динамика двигателя внутреннего сгорания с магнитным преобразователем возвратно-поступательного движения во вращательное // Современные научные исследования и инновации. 2016 №2 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/02/64331 (дата обращения: 25.05.2016)
  3. Патент Франции FR2580362 от 10.04.85


Все статьи автора «Сухаревский Владимир Владимирович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация