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
- Заявка PCT/RU2014/000825 от 29.10.14, публикация WO/2016/068744 от 06.05.16
- 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)
- Патент Франции FR2580362 от 10.04.85
Количество просмотров публикации: Please wait