ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F02B75/32 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к поршневым двигателям внутреннего сгорания с циклическим характером работы, с поршнем, совершающим возвратно-поступательное движение. Может быть использовано как в дизельном двигателе, так и в двигателе с искровым зажиганием, в двухтактном и четырехтактном двигателе, в транспортных и стационарных средствах.

Известны и широко распространены двигатели внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом, преобразующим возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение вала.

Известный кривошипно-шатунный механизм имеет существенный недостаток - с его помощью невозможно получить прирост КПД и мощности. Увеличение КПД и мощности двигателя достижимо только за счет изменения режима термохимических процессов, протекающих в цилиндре.

Целью изобретения является устранение этого недостатка, т.е. увеличение КПД и мощности двигателя без изменения индикаторной работы с помощью предлагаемого преобразующего механизма.

Сущность изобретения состоит в том, что механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала имеет две оси вращения, вал при этом расчленен. Механизм содержит удлиненный нижний палец шатуна, связанный с внутренним кольцом ограничивающего подшипника. Ось нижнего пальца является образующей, которая совершает круговое вращение, диаметр окружности которого равен величине хода поршня. Это первая ось вращения. На обоих концах нижнего пальца помещены кулисные камни, которые заходят в прорези кулис, являющихся коленами вала и жестко связанных с расчлененными частями вала. Ось вала является второй осью вращения. Ось вала находится внутри окружности вращения нижнего пальца шатуна. Вследствие смещения оси вала относительно первой оси вращения в процессе работы двигателя кулисные камни перемещаются в прорезях кулис, создавая таким образом плечо переменной длины. В такт рабочего хода плечо увеличивается, в такт сжатия - уменьшается, в результате чего суммарный крутящий момент, а, следовательно, КПД и выходная мощность двигателя, возрастает в сравнении с двигателем с известным кривошипно-шатунным механизмом.

На фиг. 1 изображен продольный разрез двигателя; на фиг.2 - поперечный разрез двигателя с кулисой; на фиг.3 - поперечный разрез двигателя с ограничивающим подшипником; на фиг.4 - диаграммах крутящих моментов для тактов рабочего хода и сжатия с известным кривошипно-шатунным механизмом и предлагаемым механизмом.

Двигатель содержит поршень 1, шатун 2, корпус двигателя 3, нижний палец шатуна 4, кулисы 5, кулисные камни 6, вал 7, катки кулисного камня 8, катки кулис 9, противовесы кулис 10, наружное неподвижное кольцо ограничивающего подшипника 11, внутреннее вращающееся кольцо ограничивающего подшипника 12, противовесы ограничивающего подшипника 13, стенка крепления ограничивающего подшипника 14, ось вращения ограничивающего подшипника 15, ось вращения вала 16, разделительная стенка 17. По диаграмме крутящих моментов: площади ACDB и AEFB - величины для тактов рабочего хода и сжатия с известным механизмом, площади AGKB и LPB - величины для тактов рабочего хода и сжатия с предлагаемым механизмом.

Шатун 2 связан с нижним пальцем 4. Нижняя часть шатуна 2 раздвоена, поскольку с целью уменьшения длины двигателя каждый цилиндр имеет один ограничивающий подшипник 11,12, помещенный между раздвоенными частями шатуна 4. Неподвижное кольцо подшипника 11 жестко посажено на поперечную стенку крепления 14, жестко связанную с корпусом двигателя 3. Вращающееся кольцо подшипника 12 связано с нижним пальцем 4 и обеспечивает расчетную величину хода поршня 1. На обоих концах нижнего пальца 4 помещены кулисные камни 6, входящие в прорези кулис 5 и имеющие в последних возможность перемещения. Кулисы 5 являются коленами вала 7, выполненным расчлененными. Для снижения трения кулисные камни 6 обеспечены катками 8. Для большей жесткости кулисы 5 выполнены в виде швеллера.

Для стабилизации вала 7 относительно оси вращения 16 на стенках кулис 5 помещены катки 9, крутящиеся по дорожкам на разделительной стенке 17. Для уравновешения центробежных сил, возникающих при движении шатуна 2, нижнего пальца 4, кулисных камней 6 и утолщения в точке связи с нижним пальцем 4 вращающегося кольца подшипника 12 последний обеспечен противовесами 13. Для собственного уравновешения кулисы 5 имеют противовесы 10. Ось вращения вала 16 находится внутри окружности с центром 15, описываемой осью нижнего пальца шатуна 4.

Двигатель работает следующим образом.

При движении поршня 1 вниз (рабочий ход) нижний палец шатуна 4 под действием вращающегося кольца ограничивающего подшипника 12 удаляется от оси вращения вала 16, смещая при этом кулисные камни 6 по прорезям кулис 5, вследствие чего плечо и соответственно крутящий момент двигателя увеличивается. При движении поршня 1 вверх (такт сжатия) под действием вращающегося кольца ограничивающего подшипник 12 нижний палец шатуна 4 приближается к оси вала 16, перемещая кулисные камни 6 по прорезям кулис 5, уменьшая плечо и тем самым снижая величину крутящего момента, необходимого для выполнения работы сжатия. При дальнейшем движении поршня вверх плечо увеличивается, необходимый для сжатия крутящий момент возрастает, но незначительно, так как тангенциальная сила ввиду смещенного центра вращения вала 7 не возрастает до значений, получаемых в двигателе с известным механизмом с неизменным плечом.

Взятые произвольно величины смещения оси вала относительно оси вращения ограничивающего подшипника - на 1/2 радиуса вращения оси шатуна по оси абсцисс (вправо) и на 1/4 радиуса по оси ординат вниз - и проведенные расчеты крутящих моментов для тактов рабочего хода и сжатия по действительной индикаторной диаграмме дизеля с известным и предлагаемым механизмами дают следующие цифровые отношения
= ,
= ,
= ,
=
т. е. предлагаемый механизм позволяет увеличить КПД и выходную мощность в 2,56 раза при той же индикаторной мощности.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: механизм преобразования движения двигателя содержит шатун 2, палец 4, шарнирно связанный с нижней головкой шатуна 2 и с ползуном, который установлен в направляющих кулисы 5, выполненной в виде выемки в кривошипе вала 7. Палец 4 установлен во внутренней обойме подшипника, наружная обойма которого закреплена в корпусе, а ось подшипника смещена относительно оси вала 7. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий корпус с разделительными стенками, цилиндр, поршень, шатун с поршневой и кривошипной головками, палец, шарнирно связанный с кривошипной головкой шатуна и ползуном, взаимодействующим с направляющей, выходной вал, кривошип с противовесом, выполненный в виде кулисы с внутренними направляющими, взаимодействующими с ползуном, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, кулиса выполнена в виде прямоугольной выемки в теле кривошипа, направляющая выполнена в виде подшипника, наружная обойма которого закреплена в корпусе, а во внутренней обойме эксцентрично установлен палец. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что внутренняя обойма подшипника выполнена с противовесом. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что кривошипы выполнены с элементами качения, контактирующими с разделительными стенками.