ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК F02B75/26 F01B3/02 

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

Известны поршневые двигатели преимущественно внутреннего сгорания, содержащие неподвижный блок с расположенными по окружности цилиндрами, в центре которого размещен силовой вал, установленный в радиальных подшипниках и несущий по торцам блока наклонные шайбы с качающимися кольцами, зафиксированными от поворота относительно блока и снабженными подшипниками, шаровыми опорами и сферическими замками головок шатунов, связанных с поршнями [1]
Недостатком этих поршневых двигателей является их низкая эксплуатационная надежность вследствие недостаточной жесткости качающегося кольца за счет соединения его с наклонной шайбой подшипниками, установленными только на наружной цилиндрической поверхности качающегося кольца.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является поршневой двигатель, включающий неподвижный блок с расположенными по окружности цилиндрами, в центре которого размещен силовой вал, установленный в радиальных подшипниках и несущий по торцам наклонные шайбы с качающимися кольцами, зафиксированными от поворота относительно блока и снабженными подшипниками, шаровыми опорами и сферическими замками головок шатунов [2]
Недостатком этого поршневого двигателя является его низкая эксплуатационная надежность вследствие кинематического несоответствия движения качающегося кольца и недостаточной его жесткости в направлении действия сил от шатунов.

Кинематическое несоответствие движения качающегося кольца относительно кольца с осевыми канавками, соединенного посредством втулки, снабженной торцовыми кулачками, с блоком двигателя, обусловлено тем, что плоскость, проходящая через центры шариков, фиксирующих качающееся кольцо от поворота относительно блока, не проходит через точку пересечения осей качающегося кольца и силового вала, а смещена относительно нее влево. При таком смещении плоскости центров шариков относительно точки пересечения осей качающегося кольца и силового вала расстояние между центрами диаметральных шариков и осью силового вала разное, т.е. центры шариков имеют эксцентриситет относительно оси вращения силового вала. При вращении силового вала шарики, фиксирующие качающееся кольцо, двигаются эксцентрично относительно оси силового вала. Этому движению препятствует кольцо с осевыми канавками, соединенное посредством втулки с блоком двигателя, что ведет к поломке кольца с осевыми канавками или втулки с торцовыми кулачками. Недостаточная жесткость качающегося кольца в направлении действия сил от шатунов обусловлена тем, что соединение качающегося кольца с наклонной шайбой осуществляется подшипниками, установленными только на наружной цилиндрической поверхности качающегося кольца.

Цель изобретения повышение эксплуатационной надежности поршневого двигателя.

Цель достигается тем, что поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий неподвижный блок с расположенными по окружности цилиндрами, в центре которого размещен силовой вал, установленный в радиальных подшипниках и несущий по торцам блока наклонные шайбы с кольцевыми проточками, качающиеся кольца, установленные в кольцевых проточках и зафиксированные от проворота относительно блока, причем качающиеся кольца выполнены с шаровыми опорами и сферическими замками для головок шатунов, связанных с поршнями, снабжен качающимися вилками, один конец которых посредством пальца с шаровой головкой шарнирно установлен в корпусе двигателя, а два других конца каждой вилки посредством цилиндрических пальцев шарнирно связаны через пару кронштейнов с качающимся кольцом, причем кронштейны жестко связаны с качающимся кольцом, оси пальцев с шаровой головкой расположены перпендикулярно оси силового вала, оси цилиндрических пальцев расположены в плоскости наклонной шайбы, проходящей через точку пересечения осей наклонной шайбы и силового вала, а наклонная шайба снабжена дополнительными шариковыми радиально-упорными подшипниками, установленными между внутренними поверхностями качающихся колец и поверхностями кольцевых проточек наклонных шайб.

Качающиеся вилки, соединенные с качающимися кольцами и корпусом двигателя, удерживают качающиеся кольца от проворачивания. Соединение качающейся вилки с корпусом посредством шарового пальца обеспечивает компенсацию неточностей изготовления и сборки двигателя и осевого смещения качающегося кольца относительно корпуса двигателя.

Соединение качающихся колец с наклонными шайбами дополнительными подшипниками, установленными наружными обоймами внутри качающихся колец, обеспечивает увеличение их жесткости и повышение эксплуатационной надежности двигателя.

Кинематическое соответствие движения качающегося кольца, работоспособность и эксплуатационная надежность двигателя могут быть обеспечены только при условии, если оси пальцев качающейся вилки проходят через точку пересечения осей силового вала и качающегося кольца.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о том, что заявляемый поршневой двигатель отличается тем, что снабжен качающимися вилками, один конец которых посредством пальца с шаровой головкой шарнирно установлен в корпусе двигателя, а два других конца каждой вилки посредством цилиндрических пальцев шарнирно связаны через пару кронштейнов с качающимся кольцом, причем кронштейны жестко связаны с качающимся кольцом, оси пальцев с шаровой головкой расположены перпендикулярно оси силового вала, оси цилиндрических пальцев расположены в плоскости наклонной шайбы, проходящей через точку пересечения осей наклонной шайбы и силового вала, а наклонная шайба снабжена дополнительными шариковыми радиально-упорными подшипниками, установленными между внутренними поверхностями качающихся колец и поверхностями кольцевых проточек наклонных шайб. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Анализ известных технических решений в области двигателестроения позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с отличительными признаками в заявляемом поршневом двигателе, а именно снабжение двигателя качающимися вилками, один конец которых посредством пальца с шаровой головкой шарнирно установлен в корпусе двигателя, а два других конца каждой вилки посредством цилиндрических пальцев шарнирно связаны через пару кронштейнов с качающимся кольцом, причем кронштейны жестко связаны с качающимся кольцом, оси пальцев с шаровой головкой расположены перпендикулярно оси силового вала, оси цилиндрических пальцев расположены в плоскости наклонной шайбы, проходящей через точку пересечения осей наклонной шайбы и силового вала, а наклонная шайба снабжена дополнительными шариковыми радиально-упорными подшипниками, установленными между внутренними поверхностями качающихся колец и поверхностями кольцевых проточек наклонных шайб. Эта задача известными устройствами не решалась, поэтому заявляемое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 показан поршневой двигатель, продольный разрез; на фиг. 2- разрез А-А на фиг.1 (качающееся кольцо с наклонной шайбой повернуты до совпадения с плоскостью разреза); на фиг.3 разрез Б-Б на фиг.2.

Двигатель внутреннего сгорания содержит блок 1 цилиндров 2, в каждом из которых движутся в противоположных направлениях два поршня 3. От четырех до двенадцати цилиндров 2 размещены в блоке 1 по окружности и расположены вокруг силового вала 4, установленного в двух радиальных подшипниках 5 в блоке 1 и в двух подшипниках 6, установленных в корпусах 7, соединенных с блоком 1. На конических участках концов силового вала 4 на шпонке 8 установлены две наклонные шайбы 9, которые крепятся с помощью гайки 10. В наклонных шайбах 9 установлены качающиеся кольца 11, зафиксированные от поворота относительно оси блока 1 качающимися вилками 12, соединенными с корпусом двигателя посредством шаровых пальцев 13. Качающиеся кольца 11 снабжены двумя кронштейнами 14 с цилиндрическими пальцами 15, шарнирно соединенными с качающимися вилками 12. Качающиеся кольца 11 соединены с наклонными шайбами 9 шариковыми радиально-упорными подшипниками 16, установленными на наружной цилиндрической поверхности качающихся колец, и дополнительными шариковыми радиально-упорными подшипниками 17, установленными наружными обоймами на внутренней цилиндрической поверхности качающихся колец 11. Оси шаровых пальцев 13 расположены перпендикулярно оси силового вала 4 и пересекаются с ней в точке а пересечения осей силового вала 4 и качающихся колец 11. Соединение качающихся вилок 12 с блоком 1 посредством шаровых пальцев 13 обеспечивает возможность компенсации неперпендикулярности осей этих пальцев к оси силового вала вследствие допусков на изготовление деталей двигателя, их тепловой деформации и неточности сборки двигателя. Оси цилиндрических пальцев 15 расположены в плоскости качающегося кольца 11 и наклонной шайбы 9, проходящей через точку а пересечения осей качающегося кольца (наклонной шайбы) и оси силового вала 4. Такое расположение осей цилиндрических пальцев 15 обеспечивает кинематическое соответствие движения качающихся вилок 12 и качающихся колец 11 за счет исключения эксцентричного движения пальцев 15 и соединенных с ними вилок 12 относительно оси силового вала 4.

Двигатель работает следующим образом.

При пуске двигателя (фиг.1) принудительно прокручивается силовой вал 4 электрическим стартером или пусковым двигателем (не показаны). Вместе с силовым валом вращаются две наклонные шайбы 9, которые через подшипники 16 и 17 передают движение качающимся кольцам 11, шатунам 18 и поршням 3. Поршни 3 при вращении силового вала 4 перемещаются в цилиндрах 2 возвратно-поступательно. При помощи поршней 3 в нижней мертвой точке (не показано) происходит наполнение цилиндров воздухом. На ходе поршней встречно друг другу в верхней мертвой точке (не показано) происходит сжатие воздуха в цилиндрах 2 двигателя. При положении поршней 3, близком к верхней мертвой точке дизельного двигателя, производится подача топлива топливным насосом высокого давления через форсунку (не показано) в цилиндр двигателя. Топливо перемещается с воздухом, самовоспламеняется и сгорает. Давление в цилиндре нарастает и перемещает поршень 3 к нижней мертвой точке на рабочем ходе. Усилие от поршня 3 передается через шатун 18,качающееся кольцо 11 наклонной шайбе 9 и от нее крутящий момент передается силовому валу 4 двигателя. После пуска двигателя силовой вал 4 продолжает вращаться и с него можно производить отбор полезной мощности.

По сравнению с базовым двенадцатицилиндровым дизельным двигателем обычной конструкции (ЯМЗ-240) технические преимущества заявляемого поршневого двигателя заключаются в следующем. Расположение цилиндров в блоке по окружности уменьшает габаритные размеры двигателя и улучшает его компановку на машине. Противоположно движущиеся поршни позволяют уменьшить их ход, среднюю скорость, повысить частоту вращения силового вала и мощность двигателя. Уменьшаются величины относительного перемещения и скорости движения поверхностей трения шаровых опор шатунов и их износа. Уменьшение поперечной составляющей силы давления газов на поршень уменьшает износ сопряжения цилиндр поршень.

Общественно полезные преимущества заявляемого поршневого двигателя заключаются в повышении его надежности, уменьшении металлоемкости, стоимости изготовления и удельного расхода топлива вследствие повышения механического и эффективного КПД двигателя.

Ожидаемый экономический эффект от использования заявляемого изобретения на один двигатель
Э [(C_б + Ц_б) (С_н + Ц_н)] где С_б, С_н годовые затраты на топливо базового и нового двигателей, руб.

С_б g_еб^.N_н^. χ_э^.Т_г^.Ц_д.т/1000;
С_н g_ен N_н^. χ_э^. Т_г^. Ц_д.т./1000, где g_еб, g_ен удельный расход топлива базового и нового двигателей, соответственно 238 и 227 г/кВт ^. ч;
N_н номинальная мощность двигателя, 221 кВт;
χ_э коэффициент эксплуатационной нагрузки двигателя, 0,7;
Т_г годовая продолжительность работы двигателя, 1700 ч;
Ц_д.т. цена дизельного топлива;
Ц_б стоимость базового двигателя;
Ц_н стоимость нового двигателя.

Ориентировочная потребность народного хозяйства в двигателях с использованием изобретения составляет 10 тыс. шт.

Использование: в поршневых двигателях внутреннего сгорания. Сущность изобретения: поршневой двигатель содержит неподвижный блок 1 с расположенными по окружности цилиндрами 2, силовой вал 4, установленный в радиальных подшипниках 5 и несущий по торцам блока наклонные шайбы 9 с кольцевыми проточками. Качающиеся кольца 11, установленные в кольцевых проточках и зафиксированные от поворота относительно блока 4, выполнены с шаровыми опорами и сферическими замками нижних головок шатунов, связанных с поршнями 3. Один конец качающихся вилок 12 посредством пальца 13 с шаровой головкой шарнирно установлен в корпусе двигателя, а два других конца каждой вилки посредством цилиндрических пальцев шарнирно связаны через пару кронштейнов с качающимся кольцом 11. Оси пальцев 13 с шаровой головкой расположены перпендикулярно оси силового вала 4, оси цилиндрических пальцев расположены в плоскости наклонной шайбы 9, проходящей через точку пересечения осей наклонной шайбы 9 и силового вала 4. Наклонные шайбы 9 снабжены дополнительными шариковыми, радиально-упорными подшипниками, установленными между внутренними поверхностями качающихся колец и поверхностями кольцевых проточек наклонных шайб. 3 ил.

ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ преимущественно внутреннего сгорания, содержащий неподвижный блок с расположенными по окружности цилиндрами, в центре которого размещен силовой вал, установленный в радиальных подшипниках и несущий по торцам блока наклонные шайбы с кольцевыми проточками, качающиеся кольца, установленные в кольцевых проточках и зафиксированные от проворота относительно блока, причем качающиеся кольца выполнены с шаровыми опорами и сферическими замками для головки шатуна, связанных с поршнями, отличающийся тем, что двигатель снабжен качающимися вилками, один конец которых посредством пальца с шаровой головкой шарнирно установлен в корпусе двигателя, а два других конца каждой вилки посредством цилиндрических пальцев шарнирно связаны через пару кронштейнов с качающимся кольцом, причем кронштейны жестко связаны с качающимся кольцом, оси пальцев с шаровой головкой расположены перпендикулярно оси силового вала, оси цилиндрических пальцев расположены в плоскости наклонной шайбы, проходящей через точку пересечения осей наклонной шайбы и силового вала, а наклонная шайба снабжена дополнительными шариковыми радиально-упорными подшипниками, установленными между внутренними поверхностями качающихся колец и поверхностями кольцевых проточек наклонных шайб.