Оппозитный бесшатунный двигатель-генератор

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к двигателестроению. Данный оппозитный бесшатунный двигатель-генератор (ОБДГ) имеет широкий спектр коммерческого применения: использование в вертолете, гибридном автомобиле и как компактный экономичный источник электроэнергии. ОБДГ, включающий оппозитно расположенные цилиндры, штоки, поршни, камеры сгорания, топливный насос, форсунки, впускные и выпускные отверстия, характеризуется тем, что в блок-корпус с гильзой поршня, поршень, шток, крышка корпуса - дополнительно введены постоянный магнит, например, на основе неодим-железо-бор, обмотка съема электроэнергии, разгонно-тормозные обмотки, диэлектрическая (изолирующая) прокладка между корпусом и крышкой цилиндра, переменный конденсатор, образованный корпусом с гильзой цилиндра, поршнем, крышкой и прокладкой, а также индуктивность, выпрямитель, тригерный счетчик, таймер-обнулитель, компьютер и источник питания. ОБДГ характеризуется также тем, что имеется газодинамический затвор, служащий для запирания газов в камере сгорания. ОБДГ характеризуется также тем, что блок цилиндров снабжен системой наддува предпоршневого пространства. ОБДГ характеризуется также тем, что обмотка отбора электрической энергии снабжена системой охлаждения, например, воздушной. ОБДГ характеризуется также тем, что окружные канавки выполнены прямоугольными или треугольными, а угол наклона канавок относительно направления движения поршня составляет 5-90 градусов. 1 н.п. ф-лы, 4 илл.

F02B 75/24

F02B 63/04

ОППОЗИТНЫЙ БЕСШАТУННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ-ГЕНЕРАТОР

Описание

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к двигателестроению. Данный оппозитный бесшатунный двигатель-генератор (далее - ОБДГ) имеет широкий спектр коммерческого применения: использование в вертолете, гибридном автомобиле и как компактный экономичный источник электроэнергии.

Известно, что в кривошипно-шатунных механизмах двигателей внутреннего сгорания почти четвертая часть полезной мощности уходит на трение. Другая отрицательная сторона таких моторов - увеличение сил инерции, количества вспышек с повышением числа оборотов, а следовательно, и рост тепловой напряженности цилиндра. Действительно, преобразование прямолинейного перемещения поршня во вращательное движение коленчатого вала с помощью шатуна вызывает появление бокового усилия на стенку цилиндра. Чтобы избежать связанного с этим повышенного износа поршней, им придают конусную форму, а их юбки делают эллипсными. Однако это не решает проблемы в корне. Неизбежная боковая нагрузка на стенку цилиндра увеличивает потери на трение, отрицательно отражающиеся на величине механического КПД двигателя. Бороться с этим явлением можно с помощью конструкции, в которой шатун бы двигался только возвратно-поступательно, не совершая угловых качаний относительно поршневого пальца.

В 1944 году был создан ОМБ - особый мотор С.С.Баландина. Испытания этого образца и его модификации, дали потрясающие результаты. Бесшатунный двигатель оказался на 33% мощнее и на 84% меньше в площади поперечного сечения, вдвое уменьшились размеры радиаторов систем охлаждения и смазки. Но самое главное - за счет резкого сокращения потерь на трение между поршнем и цилиндром механический КПД увеличился с 0,86 до 0,94, а моторесурс вырос в 18 раз. Снизился и удельный расход топлива.

Бесспорность перехода авиации на реактивную тягу привела в начале 50-х годов прошлого века к сворачиванию деятельности ОКБ Баландина, хотя уже тогда удалось разработать поршневые моторы, равные по мощности, габаритам и массе турбовинтовым двигателям, к тому же более экономичные.

И все-таки двигатель Баландина так и не получил широкого распространения. Почему? Главный изъян мотора - появление так называемых избыточных кинематических связей. Дело в том, что шток, связывающий между собой поршни, имеет три опоры. Дополнительная опора в этом случае играет роль избыточной связи. Чтобы такой механизм надежно функционировал, необходима либо высокая податливость опор, либо безупречная точность изготовления деталей. А поскольку опоры коленчатого вала или сам вал сделать податливыми нельзя, остается уповать на технологию высочайшего уровня, доступную эксклюзивным производствам. Но даже при выполнении этого условия естественный износ деталей во время работы может свести все усилия по получению высокой точности на нет.

Однако остается еще один способ выбраться из тупика - изменить кинематическую схему. Как раз этим и воспользовался инженер А.Вуль из Харькова, предложивший собственный способ решения проблемы. Вообще, вопросами бесшатунного двигателя украинский последователь А.Вуль вместе со своими единомышленниками занимается с 1994 года. В настоящее время им построен и испытан 150 л.с. дизельный оппозитный бесшатунный двигатель, который показал очень хорошие результаты и готовится к серийному выпуску.

Повышенный механический КПД бесшатунного двигателя обеспечивается переносом трения юбки поршня о гильзу из «горячей» зоны с ухудшенными условиями смазки внутрь механизма, где используются линейные подшипники скольжения с эффективной жидкостной смазкой. Помимо всего прочего это приводит к заметному увеличению ресурса цилиндропоршневой группы. Увеличенный тепловой КПД стал возможен благодаря иному закону движения поршня. Расчетное уменьшение расхода топлива в этом случае достигает 5-7%. При прочих равных условиях поршень в таком двигателе находится дольше возле верхней мертвой точки, что увеличивает объем топлива, сгоревшего при постоянном объеме (1).

Известна заявка РФ 94027354. Предложение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях двигателей внутреннего сгорания. Целью изобретения является упрощение конструкции и увеличение механического КПД двигателя. Двигатель имеет по меньшей мере четыре оппозитных цилиндра с поршнями, попарно связанными штоками. В середине штоков имеются отверстия, в которых перемещаются распорки, один конец которых связан шарнирно с одним коленчатым валом, на другом конце имеется паз с сухарем, шарнирно связанным с другим синхронно вращающимся с первым коленчатым валом, при этом межосевые расстояния указанных шарниров и осей коленчатых валов равны (2).

Известен патент РФ 2296871. Изобретение относится к машиностроению, в частности к конструкции многоцилиндровых бесшатунных двигателей внутреннего сгорания. Технический результат заключается в уменьшении габаритов и металлоемкости двигателя. Сущность изобретения состоит в том, что двигатель внутреннего сгорания содержит два закрепленных оппозитно на общем картере как минимум восьмицилиндровых блока с цилиндрами, расположенными симметрично и параллельно оси вала двигателя. В цилиндрах размещены поршни, попарно оппозитно закрепленные на штоках. Над каждым блоком цилиндров расположено по газораспределительному узлу. Картер выполнен в форме полого цилиндра с фланцами с обеих сторон, а во фланцах выполнены окна для поршневых штоков. В корпусе картера параллельно его оси выполнены как минимум четыре паза, а между фланцами над пазами в корпусе картера и параллельно им установлены планки с пазами. Вал двигателя имеет увеличенный в диаметре по сравнению с двумя полуосями центральный узел, расположенный в полости картера. На цилиндрической поверхности центрального узла вала выполнена замкнутая синусоидальная профильная канавка. Две полуоси вала с установленными на них подшипниками качения проходят через центральные отверстия в блоках цилиндров. Каждые четыре поршня с использованием двух штоков и жесткой перемычки между штоками попарно оппозитно соединены в Н-образные штокопоршневые узлы (ШПУ). При этом на межштоковой перемычке перпендикулярно осям штоков и валу двигателя установлена ось с тремя роликами. Один из роликов входит в синусоидальную канавку, выполненную на боковой поверхности центральной части вала, и передает полезную работу на вал двигателя, а два других ролика входят соответственно в паз картера и в паз направляющей планки, воспринимают тангенциальные нагрузки и обеспечивают перемещение штокопоршневого узла параллельно оси двигателя (3).

Известен патент РФ 2386826. Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в качестве источника механической энергии. Техническим результатом является повышение мощностных и экономических показателей двигателя, надежности и долговечности, улучшение уравновешенности. Сущность изобретения заключается в том, что в цилиндрах двигателя устанавливаются кольцевые поршни с возможностью образования с каждой стороны торцов поршней камер сгорания, а внутри каждого из упомянутых поршней размещен вал, соединенный с другими валами цилиндрическими шестернями для передачи вращения на маховик двигателя. При этом кольцевые поршни взаимодействуют с валами посредством передаточного механизма, преобразующего возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение вала и включающего две оси, жестко закрепленные на поршне, и подвижные ролики, контактирующие с бесконечным зигзагообразным пазом, выполненным на цилиндрической поверхности вала. От проворачивания поршни зафиксированы посредством продольных пазов на наружной поверхности поршней и входящих в пазы роликов на осях, укрепленных на блоке цилиндров (4).

Известен патент РФ 2398121. Изобретение относится к бесшатунным механизмам вращения и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Механизм преобразования вращения содержит два кривошипных вала, два штока, соединенные концевыми головками с поршнями, а средними головками - с кривошипной осью среднего кривошипного вала, гипоциклический механизм и планетарный механизм обратного хода. Планетарный механизм содержит неподвижную коронную шестерню с внутренним венцом, подвижное водило с тремя цапфами и три сателлитные шестерни с внешним венцом, установленные на цапфах. При этом одна из сателлитных шестерен состоит из двух венцов с передаточным числом 2/3 или кратно 12/18 и кинематически взаимосвязана со штоком. Изобретение позволяет использовать механизм как в одноцилиндровых, так и в многоцилиндровых двигателях под любым углом расположения цилиндров (5).

Известен патент РФ 2406838. Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению. Техническим результатом является повышение экономичности и ресурса двигателя за счет уменьшения трения поршней о стенки цилиндра. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит коленвал с радиусом кривошипа, равным четверти хода поршня, размещенный на кривошипе эксцентрик с эксцентриситетом, равным четверти хода поршня, и ползун, надетый на эксцентрик и опирающийся на боковые поверхности картера. Ползун соединен с поршнем при помощи штока. Для прохождения «мертвых» точек механизм оснащен фиксаторами в виде подпружиненных роликов, которые позволяют вращаться коленвалу только в одну сторону, а эксцентрику - в противоположную. Например, на эксцентрике устанавливается упор в виде эвольвентного зуба или цилиндрического штифта, а на картере выполняются ответные впадины (6).

Однако, двигатели по источникам информации 2-6 имеют излишние кинематические связи, которые, в свою очередь, снижают надежность, возникающее в этих связях трение вызывает износ деталей и, как следствие, преждевременный выход из строя двигателя. Наиболее близким по технико-функциональной сущности аналогом относительно заявляемого решения является вышеописанный двигатель А.Вуля, включающий оппозитно расположенные цилиндры, штоки, поршни, камеры сгорания, топливный насос, форсунки, впускные и выпускные отверстия (1).

Предлагаемая полезная модель направлена на преодоление важнейшей проблемы бесшатунных механизмов - склонности к образованию избыточных кинематических связей.

Техническим результатом является преобразование механической линейной, колебательной энергии в электрическую, минуя стадию преобразования ее во вращательную.

Технический результат достигается тем, что оппозитный бесшатунный двигатель-генератор (ОБДГ), включающий оппозитно расположенные цилиндры, штоки, поршни, камеры сгорания, топливный насос, форсунки, впускные и выпускные отверстия, характеризуется тем, что в блок - корпус с гильзой поршня, поршень, шток, крышка корпуса - дополнительно введены постоянный магнит, например, на основе неодим-железо-бор, обмотка съема электроэнергии, разгонно-тормозные обмотки, диэлектрическая (изолирующая) прокладка между корпусом и крышкой цилиндра, переменный конденсатор, образованный корпусом с гильзой цилиндра, поршнем, крышкой и прокладкой, а также индуктивность, выпрямитель, тригерный счетчик, таймер-обнулитель, компьютер и источник питания.

ОБДГ характеризуется тем, что имеется газодинамический затвор, служащий для запирания газов в камере сгорания.

ОБДГ характеризуется тем, что блок цилиндров снабжен системой наддува предпоршневого пространства.

ОБДГ характеризуется тем, что обмотка отбора электрической энергии снабжена системой охлаждения, например, воздушной.

ОБДГ характеризуются также тем, что окружные канавки выполнены прямоугольными или треугольными, а угол наклона канавок - относительно направления движения поршня составляет 5-90 градусов.

ОБДГ иллюстрируется чертежами: фиг.1 - общий вид ОБДГ, фиг 2 - схема определения положения поршня в цилиндре, фиг 3 - примерный график зависимости частоты высокочастотного генератора от положения поршня в цилиндре, фиг.4 - схематическое изображение газодинамического затвора.

Оппозитный бесшатунный двигатель-генератор (фиг.1) содержит:

корпус с гильзой поршня 1, поршень 2, крышка корпуса 3, диэлектрическая (изолирующая) прокладка между корпусом и крышкой цилиндра 4, форсунки 5, впускной клапан 6, выпускной клапан 7, шток 8, линейный подшипник скольжения 9, разгонно-тормозные обмотки 10, обмотка съема электроэнергии 11, постоянный магнит на основе неодим-железо-бор 12, газодинамический затвор 20.

Фигура 2:

Источник питания 13, переменный конденсатор 14 образованный корпусом с гильзой цилиндра 1, цилиндром 2 и крышкой 3 с диэлектрической прокладкой 4, индуктивность 15, выпрямитель 16, триггерный счетчик 17, таймер-обнулитель триггерного счетчика 18, управляющий компьютер 19.

ОБДГ работает следующим образом:

При запуске подается питание на генератор высокой частоты, образованный переменным конденсатором 14 и индуктивностью 15, который генерирует высокую частоту, изначально параметры индуктивности подбираются таким образом, чтобы частота была не менее 1 мГц при нахождении поршня 2 в верхней точке соответствующую емкости переменного конденсатора 14 и тем самым привязанной к положению поршней 2 в гильзе цилиндра.

Управляющий компьютер 19 формирует импульс тока, который подается на разгонно-тормозные обмотки 10, воздействуя на постоянный магнит 12, который приходит в движение и задает штоку 8 поступательное движение. Жестко связанные со штоком 8 поршни 2 также начинают движение, причем один из них начинает рабочий цикл и выхлопа горючей смеси, а второй - цикл засасывания воздуха и сжатия. Дойдя до точки впрыска, компьютер выдает команду на впрыск топлива, происходит впрыск топлива и возгорание рабочей смеси под действием сжатия. Под действием давления горючих газов поршень 2 совершает обратное поступательное движение, магнит 12 индуцируют в обмотке 11 электрическое напряжение и сжимают рабочую смесь во втором цилиндре, далее процесс повторяется.

Газодинамический затвор 20 работает следующим образом: на поршне и цилиндре имеются расположенные по окружности (окружные) канавки прямоугольные или треугольные (фиг.4), эти канавки могут иметь наклон на угол =5-90 градусов. При резком сжатии смеси или ее воспламенении происходит истечение газов также и в пространство между поршнем и цилиндром; так как скорость горения велика - около 1000 м/сек, то газы встречая на своем пути цилиндрические канавки с большой скоростью заполняют их, а отраженная волна создает помеху на пути прямого движения газов, это в свою очередь приводит к снижению их скорости, так как таких канавок на пути газов не одна, а более 10 и время воздействия меньше 0,001 сек, то наступает момент, когда истечение останавливается. Таким образом, происходит запирание в газодинамическом затворе как горючей смеси, так и сжимаемого воздуха.

В случае, если при сжатии смеси с топливом воспламенения смеси не произошло по какой-либо причине, поршень 2 проходит контрольную точку воспламенения.

Компьютер, отслеживающий положение поршня 2 посредством специальной программы, выдает команду на формирование импульсов тока, которые подаются на тормозные обмотки 10. Они осуществляют торможение системы поршней-шток посредством воздействия на постоянный магнит 12 и заставляют поршни со штоком остановиться и двигаться в обратном направлении, осуществляя сжатие смеси во втором цилиндре и процесс повторяется. В случае нескольких холостых ходов поршня 2 компьютер 19 останавливает систему шток-поршни и выдает сигнал на отсутствие топлива или неисправность.

Важным преимуществом предлагаемого технического решения является преобразование механической линейной, колебательной энергии в электрическую, минуя стадию преобразования ее во вращательную. Это позволяет отказаться не только от шатунов, но и от валов и кривошипов, что значительно в половину уменьшает вес двигателя, расход топлива на 7-10%, увеличение мощности в 1,6-1,8 раза, а также позволяет осуществлять ступенчатое регулирование отбора мощности путем выключения цилиндров попарно. Появляется возможность отказаться от смазки поршней и цилиндров за счет газодинамического затвора 20 по фиг.4 и высокой технологической точности параллельности поршней. Возможно также воздушное охлаждение цилиндров вместо водяного. Так как расход масла незначительный, всего лишь смазка двух линейных подшипников на штоках каждой пары, то становиться возможным наддув подпоршневого пространства - все это упрощает эксплуатацию и затраты на нее.

Управление стало возможным с применением разработанной технологии определения положения поршней с высокой точностью до 0,1 мм и как следствие управление запуском, остановом и съемом электроэнергии с помощью компьютера. Схема определения положения поршня в цилиндре (фиг.2) работает следующим образом:

при подаче питания на генератор высокой частоты, образованный переменным конденсатором 14 и индуктивностью 15, происходит генерирование высокочастотной электроэнергии, где частота определяется емкостью переменного конденсатора 14 и индуктивностью 15; изначально параметры индуктивности подбираются таким образом, чтобы частота была не менее 1 мГц при нахождении поршня 2 в верхней точке. С началом хода поршня емкость конденсатора 14 меняемся в сторону уменьшения и частота генератора увеличивается, высокочастотные колебания поступают на выпрямитель 16, после чего на тригерный счетчик 17, тригерный счетчик 17 каждые 0,001 сек обнуляется таймером 18 управляемым компьютером 19, получившаяся таким образом цифра поступает в компьютер 19 и соответствует одному определенному положению поршня. Так как зависимость положения поршня и частоты нелинейная (фиг.3), то поршень тарируется через шаг 0,1 мм, и все частоты записываются в память компьютера 19.

Таким образом, компьютер 19 каждую 0,001 сек знает положение поршня 2 в цилиндре 1 и вычисляет частоту колебаний поршня, точку впрыска топлива, количество топлива, а так же управляет запуском и остановом системы поршни - шток, то есть осуществляется электронное управление двигателем. На Фиг.3 изображен примерный график изменения частоты от хода поршня, на нем обозначены: точка А - ВКЛЮЧЕНИЯ ОБМОТОК ТОРМОЖЕНИЯ И РАЗГОНА, В - НАИБОЛЕЕ ВЕРХНЯЯ ТОЧКА ПОРШНЯ ПРИ РАБОТЕ ОБДГ, С - ТОЧКА ВПРЫСКАТОПЛИВА, D - НИЖНЯЯ ТОЧКА ПОРШНЯ.

Осуществлена разработка нового оппозитного бесшатунного двигателя-генератора экологичного и с высоким энергосберегающим эффектом для вертолетов, автомобилей и как автономный источник электроэнергии.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОППОЗИТНОГО БЕСШАТУННОГО двигателя-генератора.

Габаритные размеры, мм:

Выполняются требования:

1) Обеспечить высокую точность сопряжения рабочих пар поршней;

2) Обеспечить охлаждение поршней и обмоток съема электроэнергии;

3) Обеспечить преобразование электроэнергии в соответствии с ГОСТ;

4) Обеспечить контроль за положением поршней с точностью до 0,1 мм на каждый момент времени;

5) Создать систему электронного управления работы поршней (запуск, останов и безопасную эксплуатацию);

6) Обеспечить электронное управление системы газораспределения и впрыска топлива;

7) Обеспечить ступенчатое регулирование отбора мощности за счет включения и выключения пар рабочих поршней.

Обеспечивается непрерывный анализ параметров работы двигателя-генератора: температуры масла, давления, частоты возврата поступательных движений рабочих поршней.

Источники информации.

1.http://www.mbm.by/raznoe/dvigateli-besshatunnoe-serdtse-avtomobilya.html.

2. ОППОЗИТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, заявка РФ 94027354/06,19.07.1994

3. МНОГОЦИЛИНДРОВЫЙ БЕСШАТУННЫЙ ОППОЗИТНЫЙ ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, патент РФ 2296871, заявл. 08.08.2005.

4. БЕСШАТУННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, патент РФ 2386826, заявл. 22.08.2007.

5. БЕСШАТУННЫЙ ПЛАНЕТАРНО-КРИВОШИПНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВРАЩЕНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ (ВАРИАНТ 3-Й), патент РФ 2398121, заявл. 05.04.2005.

6. ПОРШНЕВОЙ, БЕСШАТУННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ), патент РФ 2406838, заявл. 25.02.2009.

1. Оппозитный бесшатунный двигатель-генератор (ОБДГ), включающий оппозитно расположенные цилиндры, штоки, поршни, камеры сгорания, топливный насос, форсунки, впускные и выпускные отверстия, отличающийся тем, что в блок - корпус с гильзой поршня, поршень, шток, крышка корпуса - дополнительно введены постоянный магнит, например, на основе неодим-железо-бор, обмотка съема электроэнергии, разгонно-тормозные обмотки, диэлектрическая (изолирующая) прокладка между корпусом и крышкой цилиндра, переменный конденсатор, образованный корпусом с гильзой цилиндра, поршнем, крышкой и прокладкой, а также индуктивность, выпрямитель, тригерный счетчик, таймер-обнулитель, компьютер и источник питания.

2. ОБДГ по п.1, отличающийся тем, что имеется газодинамический затвор, служащий для запирания газов в камере сгорания.

3. ОБДГ по п.1, отличающийся тем, что блок цилиндров снабжен системой наддува предпоршневого пространства.

4. ОБДГ по п.1, отличающийся тем, что обмотка отбора электрической энергии снабжена системой охлаждения, например, воздушной.

5. ОБДГ по п.1 или 2, отличающийся тем, что окружные канавки выполнены прямоугольными или треугольными, а угол наклона канавок относительно направления движения поршня составляет 5-90º.