АКСИАЛЬНО-ПОРШНЕВОЙ КОМБИНИРОВАННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F02B75/26 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к аксиально-поршневым двигателям внутреннего сгорания.

Известна турбина внутреннего сгорания, в которой механизм преобразования движения поршня компрессора выполнен в виде втулки, на цилиндрической поверхности которой выполнен кpиволинейный замкнутый паз, в котором установлен палец штока поршня. Концентрично со втулкой установлена газовая турбина, жестко связанная с последней. При выполнении по данной кинематической схеме двигателя с камерой сгорания в цилиндре, жесткая связь вала турбины и вала поршневого двигателя приведет к снижению КПД силовой установки.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является аксиально-поршневой комбинированный двигатель внутреннего сгорания с встречно движущимися поршнями, размещенными в цилиндрах, расположенных по окружности параллельно выходному валу. Механизм преобразования движения поршней во вращение вала выполнен в виде размещенного на валу кулачка с замкнутой криволинейной поверхностью, контактирующей со штоками поршней, снабженными прямолинейными направляющими, выполненными в корпусе. На выходном валу размещены нагнетательная и расширительная машины, связанные соответственно с впускными и выпускными окнами, выполненными в цилиндрах. Причем, расширительная машина выполнена в виде центробежной турбины и расположена внутри блока цилиндров, что создает трудности при отводе отработавших газов от нее и ухудшает теплоотвод от цилиндров, а также увеличивает габариты двигателя из-за необходимости увеличения диаметра расположения осей цилиндров.

Цель изобретения заключается в повышении экономичности при уменьшении массо-габаритных показателей.

Поставленная цель достигается путем создания бескорпусного двигателя, согласования скоростей вращения кулачка (вала), связанного со штоками поршней и турбины, расположенной на валу за счет установки между кулачком и валом редуктора, позволяющего повысить экономичность двигателя, а также за счет выполнения кулачка в виде втулки, на внешней цилиндрической поверхности которой выполнен замкнутый криволинейный паз, а внутри втулки расположена турбина, выполненная осевой, что позволяет уменьшить габариты двигателя, как радиальные, так и осевые. Выполнение в подпоршневой полости впускного окна с клапаном позволит использовать подпоршневую полость переменного объема в качестве компрессорной полости, например, в варианте выполнения двигателя с запорным органом, установленным с возможностью перекрытия выпускного окна и соединения с турбиной рабочей полости в конце рабочего хода и подпоршневой полости во время сжатия в ней. В варианте же выполнения двигателя без запорного органа постоянное соединение пространства перед турбиной с подпоршневой полостью уменьшает пульсацию потока отработавших газов и повышает надежность работы турбины.

На фиг. 1 представлен поперечный разрез двигателя; на фиг. 2 - вид А фиг. 1; на фиг. 3 - вид Б фиг. 1; на фиг. 4 - разрез планетарного редуктора.

Описываемый аксиально-поршневой комбинированный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 1, выходной вал 2, цилиндры 3 с головками 4, продольные оси которых расположены на окружности, соосной с валом 2 и параллельной валу, поршни 5, размещенные в цилиндрах 3 с образованием рабочей 6 и подпоршневой 7 полостей и соединенные при помощи штоков 8, снабженных прямолинейными направляющими канавками 9, выполненными в корпусе 1 с механизмом преобразования движения, выполненным в виде втулки 10, установленной соосно с валом 2, на внешней цилиндрической поверхности которой выполнен замкнутый криволинейный паз 11. Втулка 10 установлена на выходном валу 2, на котором также размещены нагнетательная 12 и расширительная 13 машины, связанные соответственно с впускным 14 и выпускным 15 окнами, выполненными в цилиндрах 3, причем расширительная машина 13 выполнена в виде осевой турбины и расположена внутри втулки 10, выходной вал 2 связан со втулкой 10 при помощи редуктора 16, а в подпоршневой полости 7 выполнено дополнительно впускное окно 17 с установленным в нем обратным клапаном 18 и может быть выполнено нагнетательное отверстие 35.

Выпускные окна 15 и нагнетательное отверстие 35 могут быть снабжены общим для обоих отверстий запорным органом 19 (или выполненными раздельно для каждого отверстия органами), установленным с возможностью соединения с турбиной 13 рабочей полости 6 в конце хода и подпоршневой полости 7 во время сжатия в последней. Орган 19 может быть связан со втулкой 10.

Hаправляющая штока 8 может быть выполнена в виде пальца 20, закрепленного на штоке 8 перпендикулярно ему, а в корпусе 1 выполнены прямолинейные канавки 9, параллельные продольной оси штока 8, причем один конец пальца 20 размещен в криволинейном пазу 11 втулки 10, а другой - в канавке 21 корпуса 1.

Турбина 13 может быть снабжена направляющим аппаратом 22, лопатки которого расположены на внутренней поверхности втулки 10, а редуктор 16 может быть выполнен планетарным и установлен с возможностью противоположного вращения втулки 10 и вала 2. Коронная шестерня 23 редуктора 16 может быть расположена на внутренней поверхности втулки 10, солнечная шестерня 24 установлена на выходном валу 2, а сателлиты 25 расположены между солнечной 24 и коронной 23 шестернями и установлены свободно на водилах 26, закрепленных на корпусе 1. Водила 26 могут быть выполнены в виде полых осей 27, которые могут быть жестко установлены на пластине 28, закрепленной на корпусе 1.

Втулка 10, палец 20 и поверхность канавки 21 корпуса 1 могут быть выполнены из монокристалла лейкосапфира, обладающего высокими антифрикционными качествами, высокой твердостью и прочностью.

Из монокристалла лейкосапфира могут быть выполнены также рабочий цилиндр 3, поршень 5 и головка цилиндра 4, причем последняя может быть выполнена заодно с цилиндром 3. В головке цилиндра выполнен впускной канал 29 с установленным в нем клапаном 30.

Блок цилиндров выполнен в виде двух пластин 31 и 32, между которыми установлены своими торцами цилиндры 3, а пластины 31 и 32 стянуты шпильками 33.

Из монокристалла выполнены также лопатки турбины 13 и направляющего аппарата 22.

В цилиндре 3 двигателя может быть установлена водяная форсунка 34. Предпочтительнее форсунку 34 устанавливать в двигателе с цилиндро-поршневой группой, выполненной из монокристалла лейкосапфира.

Двигатель работает следующим образом,
При движении поршня 5 к верхней мертвой точке (ВМТ) в подпоршневой полости 7 происходит всасывание воздуха через дополнительное впускное окно 17 с клапаном 18.

В рабочей полости 6 при этом происходит сжатие воздуха или топливо-воздушной смеси, поданной в нее нагнетателем 12. В районе ВМГ в рабочую полость 6 впрыскивается топливо топливной форсункой (не показана) или воспламеняется сжатая смесь. Работа расширения топливо-воздушной смеси передается поршнем 5 на выходной вал 2 следующим образом. Палец 20, закрепленный на штоке 8 поршня 5 и расположенный одним концом в прямолинейной канавке 21, перемещается поступательно в последней и за счет размещения другого его конца в криволинейном замкнутом пазу 11 возвратно-поступательное движение поршня 5 со штоком 8 преобразуется во вращение втулки 10, в которой выполнен паз 11. В конце расширения, вблизи НМТ, поршнем 5 открывается впускное окно 15, через которое отработавшие газы направляются на турбину 13 с направляющим агрегатом 22, дорасширяются в ней и вращают ее лопатки вместе с валом 2, который вращается быстрее втулки 10 и в противоположную от нее сторону, за счет установленного между ними планетарного редуктора 16. Подача дополнительного воздуха на турбину из подпоршневой полости 7 через окна 15 и отверстие 35 в конце такта расширения позволяет уменьшить токсичность отработавших газов и увеличить количество рабочего тела, проходящего через турбину 13, а наличие полости 7 позволит снизить нагрузки в механизме. Выполнение двигателя без запорных органов 19 может снизить пульсации давления перед турбиной 13 за счет перетекания части сжатого воздуха из подпоршневой полости 7 одного цилиндра 3 в подпоршневые полости других цилиндров. Выполнение водил 26 в виде полых осей 27 позволит уменьшить сопротивление выпуску отработавших газов.

Выполнение втулки 10 пальца 20 и поверхности канавки 9 из монокристалла лейкосапфира, который обладает высокими антифрикционными свойствами, а также высокой твердостью, позволит решить проблемы долговечности, надежности, возникающие в двигателях с кулачковыми преобразователями движения из-за высоких удельных механических нагрузок в механизме.

Выполнение рабочего цилиндра 3, его головки 4 и поршня 5 из монокристалла лейкосапфира, обладающего также и высокими теплоизоляционными свойствами, при высокой стойкости к циклическим, термическим и механическим нагрузкам создает преимущества такого двигателя перед двигателями, выполненными из спекаемой керамики. Отсутствие в камере сгорания деталей, склонных к коррозии, позволяет впрыскивать в цилиндр воду для повышения КПД двигателя и снижения в отработавших газах окислов азота, что, совместно с подачей дополнительной порции окислителя в выпускной тракт, позволяет значительно снизить токсичность отработавших газов. (56) Патент СССР N 19867, кл. F 02 C 5/02, 1929.

Патент США N 1961905, кл. 60-605, опубл. 1934.

Сущность изобретения: двигатель содержит корпус, блок цилиндра, поршень, выходной вал. Оси цилиндров параллельны валу и расположены на окружности, соосной с валом и параллельной последнему. Поршни в цилиндрах образуют рабочую и подпоршневую камеры. Штоки поршней имеют на концах пальцы, перпендикулярные последним, которые контактируют одним концом с криволинейной направляющей вала, другим - с прямолинейной направляющей корпуса. С валом связаны нагнетательная и расширительная машины, последняя выполнена в виде осевой турбины, которая расположена внутри втулки с криволинейной направляющей и связана с валом через планетарный редуктор. На турбину воздействуют отработавшие газы и воздух из подпоршневой полости. Корпус, цилиндры, поршни, втулка и лопатки турбины выполнены из монокристалла лейкосапфира. В рабочих цилиндрах установлены водяные форсунки. 15 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. АКСИАЛЬНО-ПОРШНЕВОЙ КОМБИНИРОВАННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий выходной вал, по меньшей мере три цилиндра с головками, продольные оси которых расположены на окружности, соосной с валом и параллельной последнему, поршни, размещенные в цилиндрах с образованием рабочей и подпоршневой полостей и соединенные при помощи установленных в прямолинейных направляющих в корпусе штоков с механизмом преобразования движения, выполненным в виде кулачка с замкнутой приволинейной поверхностью, установленного на выходном валу и размещенные на последнем нагнетательную и расширительную машины, связанные соответственно с впускными и выпускными окнами, выполненными в цидиндре, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности при уменьшении массогабаритных показателей, механизм преобразования движения выполнен в виде втулки, установленной соосно с валом, на внешней цилиндрической поверхности которой выполнен замкнутый криволинейный паз, расширительная машина выполнена в виде осевой турбины и расположена внутри втулки, втулка связана с выходным валом при помощи редуктора, а в подпоршневой полости по меньшей мере одного цилиндра выполнено дополнительное впускное окно с установленным в нем обратным клапаном. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что выпускные окна снабжены запорным органом, установленным с возможностью соединения с турбиной рабочей полости в конце расширения и подпоршневой полости во время сжатия в последней. 3. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что он снабжен пальцем, закрепленным на штоке перпендикулярно к последнему, а направляющие корпуса выполнены в виде канавок, причем один конец пальца размещен в криволинейном пазу втулки, а другой - в канавке корпуса. 4. Двигатель по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что турбина снабжена направляющим аппаратом, лопатки которого расположены на внутренней поверхности втулки, а редуктор выполнен планетарным и установлен с возможностью противоположного вращения втулки и турбины. 5. Двигатель по п. 4, отличающийся тем, что сателлиты планетарного редуктора свободно установлены на водилах и расположены между коронной шестерней внутреннего зацепления, расположенной на внутренней поверхности втулки, и солнечной шестерней, установленной на выходном валу, а водила закреплены на корпусе. 6. Двигатель по пп. 1 - 5, отличающийся тем, что водила выполнены в виде полых осей. 7. Двигатель по пп. 1 - 6, отличающийся тем, что водила жестко установлены на пластине, закрепленной на корпусе. 8. Двигатель по пп. 1 - 7, отличающийся тем, что втулка, палец и поверхность корпуса выполнены из монокристалла лейкосапфира. 9. Двигатель по пп. 1 - 8, отличающийся тем, что рабочий цилиндр и поршень выполнены из монокристалла лейкосапфира. 10. Двигатель по пп. 1 - 9, отличающийся тем, что лопатки турбины и направляющего аппарата выполнены из монокристалла лейкосапфира. 11. Двигатель по пп. 1 - 10, отличающийся тем, что в рабочих цилиндрах установлены водяные форсунки. 12. Двигатель по пп. 1 - 11, отличающийся тем, что каждый цилиндр снабжен головкой с выполненным в ней впускным каналом, в котором установлен впускной клапан. 13. Двигатель по пп. 1 - 12, отличающийся тем, что головка выполнена из монокристалла лейкосапфира. 14. Двигатель по пп. 1 - 13, отличающийся тем, что головка выполнена заодно с цилиндром. 15. Двигатель по пп. 1 - 14, отличающийся тем, что он снабжен двумя пластинами, между которыми установлены своими торцами рабочие цилиндры, а пластины стянуты шпильками. 16. Двигатель по пп. 1 - 15, отличающийся тем, что в подпоршневой полости выполнено нагнетательное отверстие, снабженное запорным органом, установленным с возможностью соединения с турбиной подпоршневой полости во время сжатия в последней.