ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК F02B75/32 

Изобретение относится к поршневым двигателям (машинам) и может быть использовано на транспорте, в сельском хозяйстве, авиации и др. областях.

Известны поршневые машины (двигатели), в которых основные функции по преобразованию энергии рабочего тела выполняет поршень. При его движении вместе с изменением объема, который он образует с цилиндром изменяются параметры (давление, температура и др. ) рабочего тела. Впуск и выпуск рабочего тела в цилиндры поршневого двигателя регулируются распределительным устройством с помощью клапанов, золотником или самого поршня. В большинстве случаев поршень связан с коленчатым валом кривошипным механизмом, с помощью которого возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение вала (БСЭ, т. 20, стр. 1199, М. , Советская энциклопедия, 1975 г. ).

В процессе преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное через поршень передается боковое усилие на стенку цилиндра, вызывающее износ поршни и цилиндра.

Известен поршневой двигатель с четырехзвенным поршнем (патент Франции N 2483518, кл. F 02 B 75/36), который состоит из корпуса, образованного щеками, кривошипа, вала, шатуна, подшипников, маховика, оси кривошипа, цапфы шатуна, впускного и выпускного отверстия, свечи, пластин четырехзвенного поршня, осей пластин, рычагов и кулисы. Изменение рабочих процессов происходит путем изменения внутреннего объема четырехзвенного поршня, заключенного между щек, одна из вершин которого, закреплена на оси перпендикулярной щекам, противоположная вершина на оси шатун, соединенного через кривошип с валом, при вращении которого, происходит изменение форм четырехзвенного поршня.

Недостатками этого двигателя являются: отсутствие герметизации между боковой поверхностью четырехзвенного поршня и щеками, отсутствие герметизации шарниров поршня, негерметичность картера, отсутствие каналов газораспределения, что не обеспечивает предварительного поджатия рабочей смеси. Наличие подвижной кулисы, движущейся по шатуну, а также дополнительных рычагов, сдерживающих четырехзвенный поршень от разворота при такте рабочего хода увеличивает силу трения, массу подвижных частей и усложняет конструкцию двигателя и его габариты.

Одним из прототипов без шатунного поршневого двигателя, не содержащего возвратно-поступательного движения является роторно-поршневой двигатель Ф. Ванкеля, в котором ротор с зубчатым колесом, как бы обкатывается вокруг шестерни. Его грани, при этом, скользят по эпитрохондальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объемы камер в цилиндре.

Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцовыми уплотнительными пластинами. Недостатком роторно-поршневых двигателей является несовершенство герметизации между цилиндром и вершинами роторного поршня, уплотнения торцов поршня, а также сложность оборудования и технологии изготовления двигателя.

Целью настоящего изобретения является поршневой безшатунный двигатель с двумя или несколькими параллельными стенками, между которыми расположен один или несколько шарнирно-сочлененных четырехзвенных поршней, вершины которых закрепляются на эксцентриковых осях, перпендикулярных стенкам. Противоположные вершины четырехзвенного поршня закрепляются валом, при вращении которого четырехзвенные поршни способны изменять свой объем и перекрывать каналы впуска и выпуска рабочей смеси в соответствии с тактами работы двигателя. Предлагаемая конструкция исключает действие боковых сил, улучшает уравновешенность двигателя, увеличивает площадь действия газов при расширении, улучшает технологичность его конструкции и ремонтно-пригодность.

Сущность изобретения заключается в том, что в отличие от прототипов предлагаемый двигатель не имеет шатуна, а следовательно кулисы и удерживающих рычагов. Функцию шатуна выполняет сам четырехзвенный поршень, две звена которого шарнирно соединены с коленчатым валом, а два противоположных звена соединены с эксцетриковой осью, закрепленной перпендикулярно параллельным стенкам, что обеспечивает изменение объема четырехзвенного поршня при вращении коленчатого вала и исключает возможность его разворота. Наличие герметизированного картера, образованного наружной поверхностью четырехзвенного поршня, параллельными стенками и кожухом картера, а также герметизация шарниров и соприкасающихся поверхностей четырехзвенного поршня и боковых стенок обеспечивают возможность предварительного поджатия рабочей смеси. Наличие каналов в стенках, которые сообщают обе камеры переменного объема и перекрываются четырехзвенным поршнем в соответствии с тактами работы двигателя, обеспечивает газораспределение в двигателе.

Установка четырехзвенного поршня на эксцентриковой оси позволяет регулировать внутренний объем четырехзвенного поршня, т. е. изменять степень сжатия. Воспламенение рабочей смеси и начало рабочего хода в предлагаемом двигателе начинается с нижней мертвой точки, что позволяет разгрузить коренные подшипники коленчатого вала и улучшить их смазку. Такая регулировка позволяет работать двигателю в режиме воспламенения как от сжатия, так и от посторонних источников.

В предлагаемом двигателе предусмотрена возможность регулирования зазоров между боковыми сторонами четырехзвенника и параллельными стенками по мере износа двигателя, что делает его технологичным при изготовлении и ремонте и значительно увеличивает долговечность.

На фиг. 1 изображен предлагаемый поршневой двигатель, поперечный разрез; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1.

Поршневой двигатель состоит из корпуса, образованного двумя параллельными стенками с ребрами для отвода тепла 1 и 2, которые соединены между собой шпильками 12 с регулируемыми втулками 11, коленчатого вала 3, подшипника 4, элементов герметизации шарниров 5, 8, 29, пружин 6, 7, 30, пальца 9, элементов герметизации поршня 10, 14, пружин 13, эксцентриковой оси 15; перепускного канала 16, свечи 17, маховика 18, элементов четырехзвенного поршня 19, 20, 21, 22, канала подвода рабочей среды в картер 23, канала отвода отработанной рабочей среды 24, канала подвода поджатой рабочей среды в поршневую камеру 25, окна перепускного клапана 27, кожуха картера 26, элемента уплотнения картера 28, форсунка 31.

Устройство поршневого двигателя выполнено двумя параллельными стенками 1 и 2 соединенными между собой шпильками 12 через регулируемые распорные втулки 11. Между параллельными стенками на подшипниках 4 устанавливается коленчатый вал 3 и четырехзвенный поршень, состоящий из звеньев 19, 20, 21 и 22, одна из вершин которого, закрепляется на эксцентриковой оси 15, расположенной перпендикулярно стенкам, противоположная вершина четырехзвенника закреплена на коленчатом валу 3. На коленчатом валу закреплен также маховик 18. На параллельных стенках выполнены каналы 24, 23, 25, 27 и перепускной канал 16, посредством которых, осуществляются фазы газораспределения при движении четырехзвенного поршня. На параллельной стенке предусмотрено также резьбовое отверстие для установки свечи зажигания 17 и форсунки 31. Герметизация между четырехзвенным поршнем и стенками осуществляется уплотнительными элементами 10, 14. Герметизация шарниров осуществляется с помощью пластин 5, 8, 29, прижимаемых пружинами 6, 7, 30. Внутреннее пространство между стенками герметизируется кожухом картере 26 с уплотнительным элементом 28.

Поршневой двигатель работает по 2-х тактному циклу. При такте всасывания (четырехзвенника сжат) в картер двигателя через канал 23 поступает рабочая смесь и заполняет объем, заключенный между стенками 1,2, наружной поверхностью четырехзвенного поршня и кожухом картера 26. При вращении коленчатого вала из нижней мертвой точки (рабочий ход), соединенный с ним четырехзвенный поршень увеличивается в объеме, поскольку противоположная вершина четырехзвенного поршня закреплена на эксцентриковой оси 15.

При увеличении внутреннего объема поршня звено 22 перекрывает канал 23 и начинается предварительное поджатие рабочей смеси. При прохождении верхней мертвой точки открывается канал 25 впуска поджатой рабочей смеси, которая через канал 27 и перепускной канал 16 из картера попадает во внутренний объем, образованный четырехзвенным поршнем (положение четырехзвенного поршня при расширении обозначено на фиг. 2 пунктиром). При дальнейшем вращении коленчатого вала четырехзвенный поршень начинает уменьшаться в объеме, сжимая при этом рабочую смесь, находящуюся во внутреннем объеме. При достижении нижней мертвой точки в конце такта сжатия происходит воспламенение рабочей смеси от свечи 17. В режиме работы дизеля в конце такта сжатия посредством форсунки вспрыскивается топливо. Газы, расширяясь, давят на всю внутреннюю поверхность четырехзвенного поршня, одна вершина которого закреплена на неподвижной эксцентриковой оси 15, а другая - на коленчатом валу 3, и приводят в движение коленчатый свал 3 с закрепленным на нем маховиком 18. При дальнейшем изменении формы звено поршня 22 перекрывает канал 23 впуска рабочей смеси в картер и открывает выпускной канал 24, а затем канал впуска 25, через который поступает поджатая рабочая смесь, вытесняя оставшиеся продукты сгорания. При дальнейшем вращении коленчатого вала каналы 24, 25 перекрываются звеньями поршня 21 и 22, и открывается канал 23 впуска рабочей смеси, а находящаяся во внутреннем объеме четырехзвенного поршня рабочая смесь начинает сжиматься под действием кинетической энергии маховика 18.

Регулировка степени сжатия производится вращением эксцентриковой оси 15, что позволяет работать двигателю на бензине с разным октановым числом, а при установке форсунки параллельно свече зажигания, позволит двигателю работать по смешанным циклам, т. е. запуск и прогрев по циклу карбюраторного двигателя, затем переход на цикл работы дизеля с последующим выключением подачи бензина в карбюратор и включением топливного насоса.

Простота конструкции, отсутствие сложных литейных отливок, делают двигатель технологичным при изготовлении и ремонте.

Компенсация износа параллельных стенок и поршня достигается подбором регулировочных втулок, а возможность шлифовки плоскостей направляющих стенок на любом плоско-шлифовальном станке или вручную увеличивает срок службы двигателя и снижает его стоимость. (56) Патент Франции N 1379609, кл. F 02 B, опуб. 1964.

Использование: изобретение относится к поршневым двигателям и может быть использовано на транспорте, в сельском хозяйстве и авиастроении. Сущность изобретения: корпус двигателя образован двумя параллельными стенками с ребрами, в котором установлен коленчатый вал, кинематически связанный элементами 20, 19 четырехзвенного поршня, шарнирно связанными с другими элементами 21, 22 поршня, которые кинематически связаны с эксцентриком оси, при этом образованы внутренняя рабочая камера и две внешних компрессорных камеры переменного объема, связанных между собой при помощи перепускных каналов. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий корпус, образованный двумя параллельными стенками, каналы подвода и отвода рабочего тела, выходной вал, поршень, выполненный в виде шарнирного четырехзвенника с уплотнительными элементами, одна вершина которого шарнирно связана с осью, а другая - с выходным валом, рабочую камеру переменного объема, образованную параллельными стенками и внутренними поверхностями четырехзвенника, размещенного с возможностью перемещения звеньев относительно параллельных стенок, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, двигатель снабжен крышкой, размещенной между параллельными стенками с образованием камеры переменного объема между наружными поверхностями четырехзвенного поршня и кромкой, ось выполнена в виде поворотного эксцентрика, а выходной вал - с эксцентриком в виде диска. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что камеры переменного объема сообщены при помощи перепускных каналов. 3. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что уплотнительные элементы расположены в канавках, выполненных на торцевых поверхностях четырехзвенника. 4. Двигатель по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что в стенке рабочей камеры установлена форсунка.