ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F02B75/04 F02B75/32 

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к транспортным энергетическим установкам с поршневыми двигателями внутреннего сгорания и может использоваться в компрессоро- и насосостроении, а также в двигателях Стирлинга.

Известны двигатели с переменным ходом поршня и переменной степенью сжатия, позволяющие существенно улучшить эксплуатационную экономичность двигателя. Регулирование степени сжатия и хода поршня может осуществляться в рамках конструкции двигателей барабанного типа с вращающимися и качающимися шайбами.

Двигатели с вращающимися шайбами конструктивно проще. Вращающиеся шайбы могут иметь плоский или пространственный профиль. При изменении степени сжатия и рабочего объема двигателя изменяется угол наклона шайбы к оси вращения коленчатого вала.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является двигатель, один из конструктивных вариантов которого содержит цилиндры, расположенные по окружности параллельно выходному валу и вокруг него на неподвижном корпусе. Двигатель содержит также плоскую шайбу, установленную наклонно по отношению к оси выходного вала и кинематически связанную с ним. С наклонной поверхностью шайбы кинематически связаны опоры штоков поршней и механизм для изменения угла наклона шайбы.

Недостатком конструкции двигателя-прототипа является недостаточная эффективность работы, выражающаяся в ухудшении экономичности из-за неполной реализации работы расширяющихся продуктов сгорания в цилиндре, которые к моменту окончания хода расширения еще обладают существенной энергией (в указанный момент времени давление в цилиндре может достигать 0,4-0,8 МПа, температура газов - 600-900 К).

Целью изобретения является повышение эффективности работы путем изменения рабочего объема цилиндра в течение рабочего цикла (т.е. реализация так называемого цикла Кристиансена).

Указанная цель достигается тем, что выходной вал двигателя снабжен двумя основными цапфами, расположенными перпендикулярно оси вала по разные стороны от последней, крестовиной с двумя дополнительными цапфами, ось которых перпендикулярна оси основных цапф, установленной коаксиально выходному валу на основных цапфах с возможностью качательного движения относительно последних. Шайба установлена на дополнительных цапфах с возможностью поворота относительно последних и имеет дополнительную плоскую наклонную поверхность, расположенную противоположно по отношению к рабочей поверхности. Механизм изменения угла наклона шайбы выполнен в виде цилиндрической вставки с торцовой наклонной поверхностью, установленной коаксиально валу и кинематически связанной с последним с возможностью вращательного движения, причем торцовая наклонная поверхность цилиндрической вставки выполнена с возможностью взаимодействия с дополнительной наклонной поверхностью шайбы, а цилиндрическая вставка установлена в направляющих опорах остова.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемое решение отличается наличием основных цапф на выходном валу, крестовины с дополнительными цапфами, механизмa изменения угла наклона шайбы в виде вставки, кинематически связанной с шайбой, валом и остовом, а также взаимосвязями указанных элементов.

На фиг.1 представлено устройство заявляемого двигателя; на фиг.2 - принцип его работы.

Цилиндры 1 (фиг. 1) расположены параллельно валу 2 двигателя и вокруг него по окружности на неподвижном корпусе 3. В цилиндрах 1 движутся поршни 4, жестко соединенные со штоками 5. Нa штоках 5 со стороны картера размещены проушины с неподвижными относительно штоков сферическими подпятниками 6. Боковая сторона проушины каждого штока содержит ползун 7, скользящий по поверхности направляющей 8, неподвижно установленной в корпусе 3. Последний содержит также коренные подшипники 9 вала 2.

Вал 2 имеет жестко связанные с ним основные цапфы 10, имеющие общую продольную ось, перпендикулярную оси вращения вала. На основных цапфах 10 подвижно установлена крестовина 11 с двумя дополнительными цапфами 12. Продольная ось дополнительных цапф 12 перпендикулярна продольной оси основных цапф 10. На дополнительных цапфах 12 подвижно по отношению к ним установлена шайба 13, имеющая форму плоского диска с отверстием в центре, который охватывает крестовину 11. Для сочленения с цапфами 12 шайба имеет два разъемных прилива 14, внутренняя поверхность которых имеет подшипниковые втулки. На стороне шайбы, обращенной к картерному пространству, неподвижно установлен опорный фланец 15 с дополнительной наклонной поверхностью, который выполнен в виде цилиндрической оболочки с наклонным основанием, содержащим береговую дорожку для антифрикционных подшипниковых элементов.

Шайба 13 контактирует со штоками поршней через установленные в этом контакте плоскопараллельные подпятники Митчеля. Последние состоят из двух полусферических шарниров 16 с опорной плитой 17, проходящей через диаметральную плоскость шарниров. Опорные плиты 17 скользят без отрыва по обеим сторонам периферийной рабочей поверхности 18 шайбы. Для повышения надежности предусматривается покрытие рабочих поверхностей 18 и опорных плит 17 керамическим материалом.

Опорный фланец 15 шайбы подвижно контактирует с торцовой наклонной поверхностью цилиндрической силовой вставки 19. Эта поверхность также имеет беговую дорожку для антифрикционных подшипниковых элементов 20, через которые вставка 19 контактирует с фланцем 15. Силовая вставка 19 выполнена в виде цилиндрической оболочки, соосной валу 2. Одно из оснований вставки выполнено наклонным, форма другого основания может быть произвольной, в частности плоской. Последнее подвижно контактирует с корпусом двигателя 3. При этом в контакте корпуса и вставки предусматривается установка антифрикционных элементов 21. Для предупреждения поперечных относительно вала движений вставки корпус 3 двигателя содержит жестко связанные с ним опоры 22.

На валу 22 неподвижно установлено зубчатое цилиндрическое колесо 23. В полости вставки 19 неподвижно по отношению к ней установлено зубчатое колесо 24 с внутренней нарезкой зубьев. В зацеплении с колесами 23 и 24 находятся промежуточные шестерни 25, вращающиеся на осях 26, неподвижно укрепленных на корпусе двигателя. Передаточные отношения колес выбраны такими, чтобы обеспечивалось вращение вставки относительно оси вала с половинной по отношению к нему угловой скоростью в четырехтактовом двигателе и с равной угловой скоростью в двухтактном двигателе.

Размеры вставки 19 и опорного фланца 15 вдоль их образующих выбраны таким образом, что суммарная осевая нагрузка со стороны поршней передается на корпус двигателя через опорный фланец и вставку, минуя вал. При этом на вал действуют только радиальные нагрузки, воспринимаемые коренными подшипниками 9.

Двигатель оборудован вспомогательными агрегатами и системами (топливоподачи, смазки, охлаждения и пр.).

Двигатель работает следующим образом. Под действием продуктов сгорания поршни 4 движутся в цилиндрах 1. Суммарная движущая сила от поршней через штоки 5 и плоскопараллельные подпятники Митчеля передается на шайбу 13. При этом движение шарниров 16 с плитами 17 относительно подпятников 6 и плит 17 относительно поверхности шайбы 13 приводит к тому, что суммарная движущая сила, передаваемая со стороны штока на шайбу, раскладывается на ряд составляющих. Одна из них, перпендикулярная оси цилиндра, воспринимается корпусом двигателя при скольжении ползунов 7 по направляющим 8. Тангенциальная составляющая суммарной движущей силы при воздействии на шайбу 13 создает на ней относительно корпуса двигателя крутящий момент. Шайба 13, будучи связанной с валом посредством крестовины 11 и цапф 10 и 12, под действием указанного момента приводит во вращение вал 2. Таким же образом с шайбой 13 взаимодействует каждый шток, в результате чего вал вращается в одном направлении.

Суммарная нагрузка, действующая на шайбу, через ее опорный фланец 15 передается на силовую вставку 19 и далее на корпус 3 двигателя. В сопряжениях фланца 15 и вставки 19, а также вставки 19 с корпусом 3 установлены подшипниковые элементы 20 и 21. Поперечные движения вставки предотвращаются неподвижными относительно корпуса опорами 22.

При работе двигателя его степень сжатия изменяется в пределах цикла путем изменения угла наклона шайбы 13. Для этого на вал устанавливается зубчатое цилиндрическое колесо 23, зацепленное через промежуточные шестерни 25 с колесом 24, закрепленным на силовой вставке. Шестерни 25 установлены на неподвижных относительно корпуса двигателях ося 26.

Благодаря контакту силовой вставки 19 с опорным фланцем 15 шайбы по наклонной плоскости их взаимная ориентация будет постоянно меняться, что повлечет за собой соответствующее изменение угла наклона шайбы при ее поворотах относительно крестовины 11 и вместе с крестовиной 11 относительно вала на цапфах 12. В четырехтактном двигателе благодаря выбранному передаточному отношению зацеплений колес 23, 24 и шестерен 25 при повороте вала на 180^о, когда поршень перемещается от ВМТ до НМТ, силовая вставка повернется относительно корпуса на 90^о. Положение мертвых точек поршней и соответствие процессов рабочего цикла четырехтактного двигателя прохождению каждым поршнем определенного участка силовой вставки показано на фиг.2.

Применение указанного механизма позволит существенно улучшить эффективность работы двигателя внутреннего сгорания за счет продолженного расширения продуктов сгорания в цилиндрах. Массогабаритные показатели двигателя при надлежащем форсировании позволят использовать его для энергетических установок с первоочередными требованиями по обеспечению минимальных массы и габаритов.

Использование: в двигателестроении, а именно в транспортных энергетических установках с поршневыми двигателями внутреннего сгорания. Сущность изобретения: двигатель содержит цилиндры 1 с поршнями 4 и штоками 5, вал 2 с двумя основными цапфами 10, крестовину 11 с двумя дополнительными цапфами 12, подвижно установленную на основных цапфах 10 с возможностью качания вокруг оси последних, шайбу 13 с основной наклонной поверхностью, подвижно установленную на дополнительных цапфах 12 и взаимодействующую со штоками 5 поршней 4, а также с механизмом для изменения в цикле угла наклона шайбы 13 относительно оси вращения вала 2. Указанный механизм содержит силовую вставку 19 в виде вращающейся цилиндрической оболочки с одним наклонным основанием, имеющую во внутренней полости зубчатое колесо 24 с внутренней нарезкой и связанные с корпусом неподвижные оси с шестернями 25, параллельные валу. Шестерни 25 контактируют с зубчатыми колесами 23 и 24, благодаря чему вставка 19 вращается относительно вала 2, а шайба 13 опирается на наклонное основание вставки жестко скрепленным с ней опорным фланцем, имеющим также наклонную поверхность контакта. Изменение хода поршня достигается за счет изменения угла наклона шайбы относительно оси вращения вала. 2 ил.

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий неподвижный корпус, вал, цилиндры, установленные параллельно оси вала, шайбу с наклонной рабочей поверхностью, шарнирно связанную с валом с возможностью их совместного вращения, поршни, размещенные в цилиндрах и кинематически связанные с наклонной рабочей поверхностью шайбы, механизм изменения угла наклона наклонной рабочей поверхности шайбы, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности путем изменения рабочего объема цилиндров в течение рабочего цикла, двигатель дополнительно снабжен двумя основными цапфами, расположенными перпендикулярно к оси вала и по разные стороны от последней, крестовиной с двумя дополнительными цапфами, установленной коаксиально выходному валу на основных цапфах с возможностью качательного движения относительно последних, шайба установлена на дополнительных цапфах крестовины с возможностью окончательного движения относительно последних и снабжена дополнительной наклонной поверхностью, выполненной противоположно наклонной рабочей поверхностью, ось дополнительных цапф перпендикулярна к оси выходного вала и оси основных цапф, механизм изменения угла наклона рабочей поверхности шайбы выполнен в виде цилиндрической вставки с торцевой наклонной поверхностью, установленной коаксиально валу и кинематически связанной с последним с возможностью вращательного движения, причем торцевая наклонная поверхность цилиндрической вставки выполнена с возможностью взаимодействия с дополнительной наклонной поверхностью шайбы, а цилиндрическая вставка установлена в направляющих опорах корпуса.