ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02B75/32 F02B75/18 

Изобретение относится к поршневым машинам, а именно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), и может успешно использоваться в многоцилиндровом двигателе.

Известны поршневые ДВС, в которых кинематическая связь между поршнями и коленчатым валом осуществляется с помощью кривошипно-шатунного механизма, обеспечивающего преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. При этом кривошипно-шатунный механизм включает поршень с закрепленным на нем поршневым пальцем, сопряженным со штоком за счет размещения пальца в отверстии верхней головки шатуна. Шатун через подшипник, помещенный в его нижней головке, соединен с шатунной шейкой коленчатого вала, на которую передается усилие, развиваемое поршнем при воспламенении горючей смеси в камере сгорания [1, 2]
Такая конструкция обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что из-за конструктивных особенностей вектор силы, прилагаемой вдоль оси поршня в момент воспламенения горючей смеси, направлен по прямой, составляющей с продольной осью шатуна угол около 3-9^о, что снижает КПД ДВС.

Кроме того, в традиционном кривошипно-шатунном механизме, по меньшей мере в трех сочленениях предусмотрено применение подшипников качения или скольжения. Такое техническое решение усложняет процесс изготовления и эксплуатации ДВС, поскольку требует высокой точности производственного оборудования при изготовлении узла, сочленяющего поршень и шатун, периодической замены поршневых пальцев.

При попытках повышения мощности ДВС за счет увеличения рабочего объема цилиндра, например, путем удлинения хода поршня проходилось пропорционально увеличивать размеры коленчатого вала и соответственно линейные размеры ДВС.

Известен двигатель внутреннего сгорания, в котором кулисная просечка выполнена в виде дуги, радиус которой равен радиусу вращения кривошипа и составляет отношение, равное единице [3] Данная схема не позволяет оптимально использовать возможности такой конструкции, так как при соотношении, равном единице, момент прохода верхней мертвой точки поршнем и газораспределением находится не в самом оптимальном соотношении.

В основу изобретения поставлена задача создания такого двигателя внутреннего сгорания, в котором конструктивное выполнение механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала позволит максимально использовать давление газов в камере сгорания для перемещения поршня в цилиндрах и соответственно поворота коленчатого вала, что обеспечит повышение КПД двигателя без значительных изменений его габаритов и без увеличения расхода топлива.

Поставленная задача решается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, в котором механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня цилиндра во вращательное движение коленчатого вала выполнен кулисным, сквозной паз просечки кинематически связан со штоком поршня и выполнен дугообразным, обращенным своей вогнутостью к поршню, при этом отношение радиуса кривизны дугообразного сквозного паза к радиусу вращения шатунной шейки коленчатого вала больше 1.

При наличии в двигателе внутреннего сгорания одного цилиндра коленчатый вал снабжен известным маховиком для прохода поршнем мертвых точек; при наличии в нем двух цилиндров, расположенных оппозитно один другому, их поршни жестко соединены общим штоком, а коленчатый вал снабжен известным маховиком для прохода поршнями мертвых точек; при наличии в нем нескольких цилиндров, последние размещены звездообразно и участки их штоков со сквозными пазами размещены один над другим так, что шатунная шейка коленчатого вала одновременно размещена в сквозных пазах всех штоков; а при наличии в нем нескольких цилиндров, последние соединены попарно оппозитно с общим штоком в каждой паре и размещены один над другим так, что шатунная шейка коленчатого вала одновременно размещена в сквозных пазах всех общих штоков.

Располагая сквозной дугообразный паз в штоке под разными углами к его продольной оси, можно достичь требуемой длины хода поршня, что упрощает создание ДВС заданной мощности без внесения существенных изменений его картера. Выполнение штока по ширине не менее двух радиусов вращения шейки коленчатого вала позволяет выполнить в нем сквозной паз требуемой длины, обеспечивающий перемещение в нем шейки коленчатого вала при движении штока и вращениях коленчатого вала, причем форма паза выбирается в зависимости от требований к характеру работы двигателя.

На фиг. 1 изображен двигатель внутреннего сгорания, общий вид; на фиг. 2 вариант трех цилиндров ДВС со звездообразным расположением блока цилиндров; на фиг. 3 вариант двухцилиндрового ДВС; на фиг.4 вид по стрелке А на фиг. 3; на фиг. 5 вариант многоцилиндрового ДВС.

Двигатель внутреннего сгорания содержит рабочие цилиндры 1 (фиг. 1-5), в которых размещены поршни 2, обеспечивающие сжатие горючей смеси и воспринимающие энергию расширяющихся при воспламенении газов. В качестве цилиндров и поршней могут использоваться известные цилиндры и поршни ДВС, причем рассматриваемая конструкция двигателя внутреннего сгорания может быть одноцилиндровая (фиг. 1), двухцилиндровая (фиг. 5) при оппозитном расположении цилиндров 1, многоцилиндровая (фиг. 4), при которой цилиндры 1 могут располагаться парами с оппозитным расположением цилиндров в парах (фиг. 3) или звездообразно (фиг. 2).

В каждом ДВС имеются механизмы преобразования возвратно-поступательного движения поршня 2 цилиндра 1 во вращательное движение исполнительного механизма.

Механизм преобразования кинематически связан со штоком 3 поршня 2 и с шатунной шейкой 4 коленчатого вала 5 и выполнен кулисным.

Кулисный механизм преобразования образован сквозным дугообразным пазом 6, выполненным в штоке 3, и шатунной шейкой 4 коленчатого вала 5, которая размещена в сквозном дугообразном пазу 6 штока 3 с возможностью перемещения при возвратно-поступательном движении поршня 2 со штоком 3. При этом шток 3 жестко закреплен на поршне 2 цилиндра 1 и выполнен по ширине h не менее двух радиусов вращения шатунной шейки 4 коленчатого вала 5; а сквозной дугообразный паз 6 размещен под углом α к продольной оси 0-0 штока 3.

Выполненный в штоке 3 сквозной дугообразный паз обращен вогнутостью к поршню 2, а отношение радиуса r₁ его кривизны к радиусу r вращения шатунной шейки 4 коленчатого вала 5, выбирается больше единицы, например, r₁/r 2.

Каждый шток 3 можно выполнить в виде цилиндрического тела заодно целое с поршнем 2 или в виде пластины, что снижает вес штока, причем ширина штока в виде пластины выполнена не менее двух радиусов r вращения шатунной шейки 4. Это позволяет выполнить в штоке 3 сквозной паз 6 такой длины, которая обеспечивает перемещение шатунной шейки 4 по пазу при вращении коленчатого вала 5 в процессе возвратно-поступательного движения поршня со штоком 3.

При выполнении ДВС из нескольких цилиндров, расположенных звездообразно (фиг. 2), участки их штоков 3 со сквозными дугообразными пазами 6 размещены один над другим таким образом, что шатунная шейка 4 может быть выполнена в виде пальца, закрепленного на коленчатом валу 5.

Один из вариантов ДВС выполнение кулисного механизма в штоке 3 в виде сквозного прямолинейного паза 7 под углом α к продольной оси 0-0 штока. Величина угла α определяет длину L плеча приложения усиления давления поршня 2 при воспламенении горючей смеси в цилиндре.

За счет изменения угла α наклона паза 7 достигается изменение рабочего хода поршня 2, что упрощает создание ДВС с требуемой мощностью без изменения габаритов картера в конструкции ДВС.

В соответствии с оптимальным вариантом выполнения ДВС сквозной паз 7 в штоке 3 выполнен прямолинейным (фиг. 4, 5) и расположен под углом 45^о к продольной оси 0-0 штока 3, при этом плечо L приложения усилия давления поршня 2 расположено перпендикулярно (т.е. под углом 90^о) к продольной оси 0-0 штока 3.

При звездообразном расположении цилиндров 1 (фиг. 5), последние могут быть установлены парами, в каждой из которой поршни 2 связаны между собой общим штоком 3, в которых штоки размещены один над другим так, что шатунная шейка коленчатого вала одновременно размещена в сквозных пазах всех штоков (фиг. 5). В двигателях, в которых несколько пар цилиндров размещены последовательно вдоль коленчатого вала, в сквозном пазу каждого общего штока пар цилиндров размещена соответствующая шатунная шейка коленчатого вала. В двигателях, в которых несколько цилиндров размещены вдоль коленчатого вала и в сквозном пазу каждого штока, размещена соответствующая шатунная шейка коленчатого вала.

При выполнении ДВС с одним цилиндром или двумя с оппозитным их расположением коленчатый вал 5 снабжен маховиком 8, причем при оппозитном расположении цилиндров 1 их поршни 2 соединены штоком 3, являющимся для них общим, в центре которого выполнен прямолинейный и сквозной паз 7. В таких ДВС маховик 8 можно конструктивно выполнить в виде спаренных дисков 9, являющихся частью коленчатого вала 5 и расположенных в картере двигателя, при этом шатунная шейка 4 размещена между дисками 9 и закреплена в них, причем ось шатунной шейки 4 параллельна оси вращения коленчатого вала 5.

Работа двигателя внутреннего сгорания осуществляется традиционным образом, при этом в ДВС используется двухтактная схема работы, либо четырехтактная схема работы поршневой группы.

В каждом из вариантов выполнения ДВС благодаря выполнению механизма преобразования кулисным в каждом его цилиндре 1 в момент воспламенения горючего ось шатунной шейки 4 коленчатого вала 5 расположена на заданном расстоянии от продольной оси штока 3, образующем плечо L приложения усилия давления поршня 2, длина которого определяется углом наклона сквозного паза к продольной оси 0-0 штока 3. Под действием расширяющегося газа перемещающийся поршень воздействует через боковые стороны сквозного паза 6 его штока на шатунную шейку 4 (или палец) коленчатого вала 5, в результате чего последняя перемещается по пазу 6 и вся энергия давления газов, передаваемая через шток 3 поршня 1 на шейку 4 коленчатого вала 5, преобразуется в крутящий момент, обеспечивающий поворот коленчатого вала. Причем при размещении сквозного паза 7 под углом к продольной оси штока, например 45^о, плечо L размещается перпендикулярно продольной оси штока и длина плеча приложения крутящего момента равна максимуму в отличие от известных ДВС, в которых плечо практически равно нулю.

При движении поршня 1 от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ) одновременно с падением давления в цилиндре (камере сгорания) двигателя в соответствии с предлагаемой схемой преобразования движений длина плеча уменьшается от максимума к нулю. Благодаря инерции вращения коленчатого вала 5, а также наличию маховика 8, в тех вариантах двигателя, где он предусмотрен, обеспечивается беспрепятственный проход поршнем 2 мертвых точек.

Таким образом, в рассматриваемой конструкции двигателя внутреннего сгорания давление газов в процессе сгорания в цилиндрах максимально используется для создания крутящего момента коленчатого вала. Это позволяет без увеличения габаритов двигателя и без увеличения расхода топлива повысить на порядок КПД двигателя.

Использование: изобретение относится к поршневым машинам и может быть использовано в многоцилиндровом двигателе внутреннего сгорания. Сущность изобретения: механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня цилиндра во вращательное движение коленчатого вала кинематически связывает шток поршня цилиндра с шатунной шейкой вала и выполнен кулисным. Механизм преобразования образован сквозным дугообразным пазом, выполненным в штоке, и шатунной шейкой коленчатого вала, размещенной в указанном пазу и перемещаемой в нем при движении штока и вращении вала. В результате в момент максимального давления газа в камере сгорания шатунная шейка удалена на максимальное расстояние от продольной оси штока, что создает максимальный крутящий момент для вращения коленчатого вала. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий по меньшей мере один цилиндр с размещенным в нем поршнем, в штоке которого выполнен дугообразный сквозной кулисный паз так, что прямая, соединяющая концы паза, расположена под углом к оси штока, и коленчатый вал с эксцентриковой шейкой, которая размещена в упомянутом пазу, отличающийся тем, что отношение радиуса кривизны дугообразного сквозного кулисного паза к радиусу вращения эксцентриковой шейки принято больше единицы. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что при наличии более двух цилиндров последние расположены равномерно по окружности и их штоки обращены к ее центру, при этом эксцентриковая шейка коленчатого вала одновременно размещена в пазах штоков поршней всех цилиндров. 3. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что при наличии четного количества цилиндров каждая пара последних расположена оппозитно и поршни соединены общим штоком.