МОДУЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПУСТЫНЦЕВА Российский патент 1996 года по МПК F02B75/26 F02B75/32 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к транспортным двигателям, и может быть использовано на морском транспорте, и в спортивных средствах передвижения, а также в спортивном моделизме.

Известна поршневая машина [1] недостатком которой является сложная конструкция механизма для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала.

Известна также поршневая машина [2] выбранная в качестве прототипа, содержащая корпус, цилиндр с двумя прямолинейными направляющими пазами, впускным и выпускными окнами, поршень с двумя поршневыми пальцами, установленный соосно с цилиндром выходной вал, на боковой поверхности которого выполнена криволинейная направляющая с возможностью взаимодействия с поршневыми пальцами, причем поршень размещен в цилиндре с образованием надпоршневой и подпоршневой полостей переменного объема.

Недостатком данной конструкции является ее неприемлемость в ДВС, так как диаметр цилиндра намного больше хода поршня. Увеличение угла ската криволинейной направляющей для увеличения хода поршня, с целью обеспечения достаточной степени сжатия и полного сгорания топлива приводит к резкому уменьшению крутящего момента на выходном валу и невозможности его работы.

Изобретение обеспечивает возможность изготовления многоцилиндровых, мощных, модульных ДВС с автономно работающими двигателями-цилиндрами двойного действия с наддувом, высоким КПД, экономичных, малошумных, более чистых в экологическом отношении.

Указанный результат достигается тем, что головка поршня по диаметру больше юбки поршня, что дает возможность использовать отработавшие газы в полости под поршнем, после перепуска их в полость отработавших газов под головку поршня для дальнейшей работы, при движении поршня к верхней мертвой точке (ВМТ).

Масловоздушная смесь поступает во внутреннюю часть поршня непосредственно через осевой канал и радиальные выходные отверстия в выходном валу, выполненные в виде реактивных сопл, направленных в сторону, противоположную вращению выходного вала, охлаждает внутреннюю поверхность поршня, криволинейную направляющую. Масло оседает на деталях двигателя, смазывая их. Чистый воздух подается через регулируемое по проходному сечению окно с невозвратным клапаном, выполненное в корпусе двигателя, попадает в цилиндрическую полость между корпусом и наружными стенками цилиндра, охлаждает нижнюю часть гильзы цилиндра, проходит серпообразные углубления, выполненные на торце диска, размещенного в средней части выходного вала. Скоростной поток, пройдя через углубления, независимо от направления движения создает дополнительный крутящий момент на выходном валу, после чего, проходит в полость между внутренними стенками гильзы цилиндра и выходным валом, охлаждает криволинейную направляющую и стенки гильзы цилиндра с внутренней стороны, а также торцевую стенку кольцевой полости отработавших газов. В двигателе продувка заключается в том, что масловоздушная смесь, поступающая во внутреннюю полость поршня, изолирована от воздуха, находящегося в полости между корпусом и наружной стенкой цилиндра, и между выходным валом и внутренней стенкой цилиндра. На время нахождения поршня в ВМТ открываются радиальные выходные отверстия в средней части выходного вала и происходит выравнивание давления в полостях между корпусом и наружной стенкой цилиндра и между выходным валом и внутренней стенкой цилиндра и во внутренней полости поршня с частичным смешиванием масловоздушной смеси с воздухом. Продувка цилиндра осуществляется сначала воздухом, а затем масловоздушной смесью и после перекрытия поршнем верхнего выхлопного окна и перепускных каналов производится впрыск топлива, сжатие и формирование рабочей смеси.

После воспламенения рабочей смеси и прохождением поршнем ВМТ в цилиндр впрыскивается небольшое количество предварительно подогретой отработавшими газами воды. Вода участвует в горении, ускоряет превращение вредной окиси углерода в двуокись, уменьшается содержание в отработавших газах оксидов азота, повышает коэффициент наполнения цилиндра, экономит топливо. При движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ) сначала открывается первый перепускной канал с невозвратным клапаном, по которому отработавшие газы под большим давлением и скоростью, при высокой температуре перетекают в полость отработавших газов под головку поршня, и при уравнивании давления в полости над поршнем с давлением в полости отработавших газов, клапан в перепускном канале закрывается и в полость отработавших газов через форсунки распыливания воды в первом перепускном канале впрыскивается вода, предварительно подогретая, что снижает концентрацию токсичных составляющих в отработавших газах.

После открытия верхнего выпускного окна открываются поочередно вторые перепускные каналы и воздух поступает в полость цилиндра над поршнем в направлении, перпендикулярном выпускному окну, и вверх, давление в полости над поршнем падает, цилиндр продувается воздухом, затем открываются перепускные каналы, по которым в цилиндр поступает масловоздушная смесь в сторону противоположную верхнему выпускному окну и вверх из внутренней полости поршня, вытесняя остатки отработавших газов через выходное окно наружу под гораздо меньшими давлением и скоростью, чем у ДВС одностороннего действия. Образовавшаяся парогазовая смесь, замкнутая в полости отработавших газов, расширяясь, оказывает давление на нижнюю часть головки поршня, заставляя поршень двигаться к ВМТ. При подходе поршня к ВМТ открывается нижней частью головки поршня нижнее выпускное окно, и отработавшая парогазовая смесь, под малым давлением и скоростью выходит наружу. В результате того, что в выходном валу выполнен осевой канал и выходные радиальные отверстия у торца выходного вала выполнены в виде реактивных сопл, при вращении выходного вала эти отверстия работают, как каналы центробежного компрессора, происходит наддув двигателя.

В двигателе отсутствует поршневой палец, вместо него в бобышке на юбке поршня размещен направляющий элемент в виде шарика, контактирующий с направляющим пазом цилиндра и с криволинейной направляющей выходного вала.

Таким образом, данный двигатель двойного действия с наддувом, с более высоким КПД экономичен, малошумен, прост по конструкции, более чист в экологическом отношении по сравнению с двигателями простого действия.

При использовании двигателя как двигателя-цилиндра получают возможность изготовления многоцилиндровых, модульных, мощных судовых ДВС с автономно работающими двигателями-цилиндрами повышенной надежности, при этом каждый двигатель-цилиндр установлен носком в картер, выполненный в виде герметизированных модульных секций, каждая из которых снабжена устройством для передачи крутящего момента от выходных валов двигателей-цилиндров на цилиндрические валы в модульных секциях картера, установленные с возможностью зацепления между собой.

Устройство передачи крутящего момента от ведущих шестерен на выходных валах двигателей-цилиндров, на валы модульных секций картера применено для уменьшения трения с целью повышения КПД редуктора. Оно состоит из ведущей шестерни, закрепленной на выходном валу двигателя-цилиндра, закрепленного на валу модульной секции диска с размещенными по периметру роликами, входящими своими концами в отверстия в диске с возможностью вращения. При вращении выходного вала двигателя-цилиндра крутящий момент через шестерню, контактирующую своими зубьями с роликами на диске, передается на вал модульной секции.

Возможно изготовление многоцилиндровых, повышенной надежности, двигателей с автономно работающими двигателями-цилиндрами, установленными перпендикулярно или параллельно основному рабочему валу.

При отказе любого двигателя-цилиндра он автоматом перегрузки выводится из зацепления с основным рабочим валом, а все остальные продолжают работать.

На фиг. 1 показан двигатель-цилиндр модульного ДВС, разрез; на фиг. 2 выходной вал, вид сбоку; на фиг. 3 выходной вал, разрез по выходным радиальным отверстиям; на фиг. 4 поршень, вид сбоку; на фиг. 5 разрез узла преобразующего возвратно поступательное движение поршня во вращательное движение выходного вала; на фиг. 6 цилиндр, вид сбоку; на фиг. 7 цилиндр, поперечный разрез в районе перепускных каналов; на фиг. 8 поперечный разрез поршня в районе бобышки; на фиг. 9 вид с торца на ведомый диск устройства передачи крутящего момента при перпендикулярном расположении двигателей-цилиндров к цилиндрическому валу модульной секции; на фиг. 10 то же, вид сбоку, разрез; на фиг. 11 ведомый диск устройства передачи крутящего момента при параллельном расположении двигателей цилиндров к цилиндрическому валу модульной секции; на фиг. 12 то же, вид сбоку; на фиг. 13 поперечный разрез двигателя по модульной секции; на фиг. 14 модульный ДВС, вид сбоку, при перпендикулярном расположении двигателей цилиндров к цилиндрическому рабочему валу; на фиг. 15 то же, при параллельном расположении; на фиг. 16 поперечный разрез по устройству передачи крутящего момента при параллельном расположении двигателей-цилиндров к цилиндрическому рабочему валу.

Модульный двигатель состоит из корпуса 1, носка 2, головки цилиндра 3, цилиндра 4, поршня 5, выходного вала 6. В корпусе 1 имеются впускное окно 7, регулируемое по диаметру, снабженное невозвратным впускным клапаном 8, выпускное окно 9. В носке 2, имеется впускной патрубок 10. Крышка цилиндра имеет камеру сгорания 11 с отверстием для свечи зажигания и форсунки. В цилиндре 4, выполненном уступом от середины к головке большего диаметра, размещенном в корпусе 1, имеется выпускное окно 12, сообщенное с выпускным окном 9, выпускное окно 13, сообщенное с выпускным окном 9, кольцевая полость для отработавших газов 14, сообщающаяся первым перепускным каналом 15 с надпоршневой полостью, снабженным невозвратным клапаном 16, вторые перепускные каналы 17 для перепуска сжатой масловоздушной смеси из внутренней части поршня 5 в надпоршневую полость, перепускные каналы 18 для перепуска сжатого воздуха из подпоршневой полости в надпоршневую полость. В нижней части цилиндра 4 меньшего диаметра выполнен прямолинейный направляющий паз 19. Поршень 5 выполнен уступом, головка поршня по диаметру больше, чем юбка, с перепускными окнами 20 и бобышкой 21, в отверстии которой свободно размещен шарик 22, контактирующий с направляющим пазом 19 цилиндра 4, и криволинейной направляющей 23, выполненной на боковой поверхности выходного вала 6, причем поршень 5 установлен в цилиндре 4 с образованием надпоршневой и подпоршневой полостей переменного объема. Выходной вал 6, установленный соосно с цилиндром 4, выполнен с осевым каналом 24, входным радиальным отверстием 25 с возможностью периодического сообщения с впускным патрубком 10, выполненным в носке 2, выходными радиальными отверстиями 26 в его средней части, и выходными радиальными отверстиями 27 у торца, выполненными в виде реактивных сопл, направленных в сторону, противоположную вращению выходного вала. Выходные отверстия 26 выполнены с возможностью сообщения с подпоршневой полостью, а выходные отверстия 27 выполнены с возможностью сообщения с внутренней полостью головки поршня 5. В средней части выходного вала 6 жестко укреплен диск 28 с серпообразными углублениями 29 на торце, размещенный в непосредственной близости от торца нижней части цилиндра 4. В перепускном канале 15 имеется отверстие 30 для размещения форсунок впрыска воды в полость отработавших газов 14.

Каждый двигатель-цилиндр устанавливается носком 2 в отверстие 31 модульных секций 32 картера, каждая из которых снабжена устройством 33, передачи крутящего момента от выходных валов 6 двигателей-цилиндров на цилиндрические валы 34 в модульных секциях 32 картера, установленных соосно с возможностью зацепления между собой.

Устройство 33 передачи крутящего момента от ведущих шестерен 35 на выходных валах 6 двигателей-цилиндров, на валы 34 модульных секций 32 картера состоит из ведущей шестерни 35, закрепленной на выходном валу 6 двигателя-цилиндра, из закрепленного на цилиндрическом валу 34 модульной секции 32 диска 36 с размещенными по его периметру роликами 37, контактирующими с зубьями ведущей шестерни 35, входящими своими концами в отверстия 38 диска 36 с возможностью вращения.

При перемещении поршня 5 в верхнее крайнее положение (ВМТ) внутри поршня 5, а также в пространстве между цилиндром 4 и выходным валом 6 и в пространстве между цилиндром 4 и корпусом 1 создается разрежение. Создаваемая разность давлений способствует наполнению масловоздушной смесью внутренней части поршня 5 через впускной патрубок 10, осевой канал 24, выходные радиальные отверстия 27 выходного вала 6. В результате того, что при вращении выходного вала 6 выходные радиальные отверстия 27, выполненные в виде реактивных сопл, работают как каналы центробежного компрессора, происходит наддув. В это же время в пространство между цилиндром 4 и корпусом 1 поступает воздух через впускное окно 7, регулируемое по проходному сечению и снабженное впускным клапаном 8. Перетекая в пространство между валом 6 и внутренней поверхностью цилиндpа 4, воздействует на серпообразные углубления 29, диска 28, создавая дополнительный крутящий момент на выходном валу 6.

При нахождении поршня 5 в ВМТ открываются юбкой поршня 5 выходные радиальные отверстия 26 в результате того, что внутри поршня 5 давление больше чем в пространстве между валом 6 и корпусом 1, происходит выравнивание давления в полостях, часть масловоздушной смеси попадает в пространство между выходным валом 6 внутренней стенкой цилиндра 4.

При движении поршня 5 к НМТ масловоздушная смесь внутри поршня 5 и отдельно воздух в полости между выходным валом 6 и внутренней поверхностью цилиндра 4, вытесняемая движущийся торцевой частью юбки поршня 5, проходя через серпообразные углубления 29 на торце диска 28, создавая дополнительный крутящий момент на выходном валу 6, перетекает в пространство между наружными стенками цилиндра 4 и внутренними стенками корпуса 1, где сжимается и при открытии перепускных каналов 18, а затем перепускных окон 20 в головке поршня 5, по перепускным каналам 17, сначала воздух из полости между наружной стенкой цилиндра 4 и внутренней стенкой корпуса 1, а потом масловоздушная смесь из внутренней полости поршня 5 проходят в надпоршневую полость, где смешиваются, а масло оседает на деталях.

При движении поршня 5 к ВМТ воздух испытывает дальнейшее сжатие, и при подходе поршня 5 к ВМТ в полость цилиндра над поршнем 5 впрыскивается через форсунку топливо. После воспламенения рабочей смеси при движении поршня к НМТ в цилиндр впрыскивается вода, участвует в горении. Сгоревшие газы, расширяясь, с силой давят на поршень 5, заставляя его двигаться к НМТ. Шарик 22 в бобышке 21 на юбке поршня 5, обкатываясь одной стороной по направляющему пазу 19, а другой по криволинейной направляющей 23, выполненной на боковой поверхности выходного вала 6, заставляет его вращаться.

Во время движения поршня 5 при подходе к НМТ отработавшие газы выходят сначала через перепускной канал 15 при открытом клапане 16 в полость отработавших газов 14 и при уравнивании давления в полости отработавших газов 14 с давлением в полости над поршнем 5 клапан 6 закрывается, затем открываются перепускные каналы 18 и в полость над поршнем 5 поступает воздух из полости между наружными стенками цилиндра 4 и внутренними стенками корпуса 1. В это же время открывается верхнее выпускное окно 12, затем открываются перепускные каналы 17, масловоздушная смесь под давлением движущегося к НМТ поршня 5 через перепускные окна 20, поршня 5 и каналы 17 устремляется в пространство над поршнем, вытесняя оставшиеся отработавшие газы через верхнее выпускное окно 12 наружу, продолжается продувка цилиндра. В это время в полость отработавших газов 14 через форсунку, укрепленную в отверстии 30, впрыскивается вода, смешиваясь с отработавшими газами, превращается в пар. Далее при движении поршня 5 к ВМТ ему помогает двигаться расширяющаяся в объеме парогазовая смесь в полости 14 своим давлением на нижнюю часть головки поршня 5. Верхнее выпускное окно 12 закрывается поршнем 5. Шарик 22 в бобышке 21 на юбке поршня 5, обкатываясь по направляющему пазу 19, и по криволинейной направляющей поверхности выходного вала 6 заставляет его вращаться. При подходе поршня к ВМТ открывается выпускное окно 13 и отработавшая парогазовая смесь, снизив температуру стенок полости 14 и юбки поршня 5, уменьшив содержание токсичных составляющих, с малой скоростью и давлением выходит через выпускное окно 13 в цилиндре 4 и выпускное окно 9 в корпусе 1 в атмосферу.

При использовании двигателя-цилиндра в многоцилиндровых модульных ДВС при вращении выходного вала 6 крутящий момент через ведущую шестерню 35, контактирующую зубьями с роликами 37 на диске 36, передается на цилиндрический вал 34 герметизированной модульной секции 32.

Предлагаемый модульный двигатель внутреннего сгорания технологичен при изготовлении, надежен в работе, особенно хорош для морских большегрузных судов как многоцилиндровый, с высоким КПД экологически чистый главный двигатель.

При постановке судна на ремонт, двигатели-цилиндры вынимаются из картера, ставятся новые или заранее отремонтированные и судно уходит в рейс, а снятые двигатели-цилиндры ремонтируются на заводе.

Результат снижение сроков простоев на ремонте, повышение рентабельности флота.

Использование: машиностроение, в частности двигатели внутреннего сгорания. Сущность изобретения: модульный двигатель внутреннего сгорания содержит картер, состоящий из отдельных секций. Поршневая группа каждой секции выполнена в виде поршня 5, диаметр головки которого больше диаметра юбки. Шарики 22 свободно размещены в бабышках 21 поршней 5 и контактируют с криволинейными направляющими 23 вала 6 и направляющими пазами 19 цилиндра 4. Цилиндры 4 выполнены уступом. Каждый цилиндр установлен своим носком в секцию картера. Каждая секция снабжена устройством передачи крутящего момента. Цилиндрические валы секций установлены соосно с возможностью зацепления между собой. 1 з. п. ф-лы, 16 ил.

1. Модульный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, по меньшей мере один цилиндр с прямолинейным направляющим пазом и выпускными окнами, поршень с перепускными окнами и бобышкой, в которой размещен направляющий элемент с возможностью взаимодействия с направляющим пазом, выходной вал, на боковой поверхности которого выполнена криволинейная направляющая с возможностью взаимодействия с направляющим эдементом, причем поршень установлен в цилиндре с образованием надпоршневой и подпоршневой полостей переменного объема, а выходной вал установлен соосно с цилиндром, отличающийся тем, что выходной вал выполнен с осевым каналом, сообщенным через входные и выходные радиальные отверстия соответственно с впускным патрубком и подпоршневой полостью, выходные радиальные отверстия выполнены в виде реактивных сопл, в средней части выходного вала размещен диск с серпообразными углублениями, цилиндр выполнен с уступом и полостью отработавших газов, сообщенной через первый перепускной канал и невозвратный клапан с надпоршневой полостью, цилиндр снабжен вторыми перепускными каналами, сообщающими подпоршневую и надпоршневую полости через перепускные окна поршня, в первом перепускном канале выполнены отверстия для форсунок распыливания воды, диаметр головки поршня выполнен больше диаметра юбки поршня, а направляющий элемент в виде шарика, причем каждый цилиндр установлен в картере, выполненном в виде герметичных модульных секций, каждая из которых снабжена цилиндрическим валом и устройством передачи крутящего момента от выходных валом цилиндров на цилиндрический вал модульной секции, цилиндрические валы модульных секций размещены соосно и кинематически связаны между собой. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что устройство передачи крутящего момента от выходных валов цилиндров на цилиндрические валы модульных секций выполнено в виде ведущих шестерен, закрепленных на выходных валах, и диска с размещенными по его периметру роликами, закрепленного на цилиндрическом валу, причем ролики установлены своими концами в отверстиях диска с возможностью вращения и взаимодействия с зубьями ведущих шестерен.