ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1996 года по МПК F02B75/26 F16H23/08 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к машинам аксиально-поршневого типа с неподвижными цилиндрами и предназначено для использования в качестве двигателя внутреннего сгорания транспортных средств и стационарных установок.

Известен аксиально-поршневой насос, содержащий сферический подпятник с установленным на нем шаром, установленную на нем качающуюся шайбу с соосным шипом спереди, сочлененный с ним кривошип с передним выходным валом и смонтированный снаружи подпятника шестеренный стабилизатор шайбы [1] Совпадающими с признаками заявляемого изобретения является блок цилиндров, поршни, шатуны и стабилизатор шайбы. Установленный вне сферического шарнира шестиренный стабилизатор из-за большого размера имеет высокую скорость и не позволяет использовать передачу при высоких частотах вращения коренного вала.

Также известна поршневая машина, передача которой включает кривошип с эксцентрическим сферическим подпятником, опертую на него сферической опорой своей ступицы качающуюся шайбу и ее стабилизатор в виде пары зубчатых венцов, который смонтирован вне ступицы шайбы [2] Блок цилиндров, поршни, шатуны, стабилизатор шайбы и картер являются совпадающими с признаками заявляемого изобретения. Из-за вращения подпятника передача имеет повышенные потери на трение. По причине увеличенных размеров стабилизатор работает с интенсивным износом и ограничивает применение передачи по частоте вращения кривошипа.

В качестве прототипа принята поршневая машина, включающая неподвижный блок цилиндров с головками и с соосно присоединенной центрирующей сферической опорой, распределительный механизм, присоединенный к блоку сзади картер с подшипниками в торцевой стенке, качающуюся шайбу с центральной опорой в виде открытой со стороны блока полусферической полости и с выступающим назад шипом с осевым отверстием и опорной пятой на торце, причем опорной полостью шайба сочленена с центрирующей опорой.

Кроме того содержит размещенные в цилиндрах поршни с шарнирно соединенными с ними и с шайбой шатунами, установленный в подшипниках картера составной кривошип с эксцентрическим радиальным подшипником и смонтированным в нем подпятником, причем передний вал кривошипа через блок и его головку выведен вперед, а косое колесо вала расположено в шипе шайбы. А она своим шипом и пятой на его торце сочленена с кривошипным подшипником и оперта в установленный в нем подпятник. Имеет расположенный в центрирующей опоре и соединенный с ней неподвижным зубчатым колесом и подвижным эубчатым колесом соединенный изнутри с шайбой ее стабилизатор в виде пары зубчатых колес с равными количествами зубьев [3] Блок цилиндров,поршни с шатунами и картер совпадают с соответствующими признаками заявляемого изобретения. В этой машине передача имеет удвоенные потери мощности на трение. Причина недостатка состоит в несовершенстве конструктивной схемы передачи машины.

Одним из следующих аналогов является поршневая машина с качающейся шайбой, включающая блок аксиальных цилиндров с соосным подшипником в передней стороне, присоединенный к блоку картер с соосным подшипником и подпятником в виде внутреннего сферического пояса и установленный концевыми цапфами в этих подшипниках кривошип с косым коленом. Причем качающаяся шайба, выполненная с выступающим вперед соосным полым рычагом и с пятой в виде шарового пояса посредине, установлена рычагом на косом колене кривошипа и сочленена с ним посредством смонтированного в рычаге подшипника, а пятой оперта в подпятник картера. Имеет шестеренный стабилизатор. Его неподвижный элемент присоединен к картеру вне подшипника соосно с ним, а подвижный элемент присоединен к качающейся шайбе вне шаровой пяты соосно с ней [4] Блок цилиндров, поршни, шатуны, картер, коренные подшипники и шестеренный стабилизатор являются совпадающими с признаками заявляемого изобретения. Шестеренный стабилизатор вследствие его расположения вне сферического сочленения шайбы с картером имеет увеличенный диаметр и поэтому работает при высоких скоростях с повышенным износом. Сферическое сочленение работает при повышенных удельных давлениях на поверхностях скольжения из-за минимального диаметра сочленения. Увеличение этого диаметра невозможно, так как он обусловлен диаметром шестерен стабилизатора.

Следующим аналогом является эксцентриковый механизм с качающейся шайбой для поршневых машин, включающий блок цилиндров с соосным подшипником, присоединенный к блоку картер с соосным подшипником и шаровым подпятником посредине с соосным сквозным отверстием и установленный цапфами в этих подшипниках кривошип с эксцентрическим коленом. Причем качающаяся шайба выполнена с пятой в виде сферической обоймы и ею оперта на шаровой подпятник и сочленена с коленом кривошипа посредством подшипника передней стороны. Имеет шестеренный стабилизатор с присоединенным к картеру соосно с шаровым подпятником и расположенным с его внешней стороны неподвижным элементом и подвижным элементом, который присоединен к шайбе соосно вне ее обоймы [5] Блок цилиндров, поршни, шатуны, картер, коренные подшипники и шестеренный стабилизатор являются совпадающими с признаками заявляемого изобретения. Шестеренный стабилизатор вследствие его расположения вне сферического сочленения шайбы c подпятником имеет увеличенный диаметр и из-за превышения допустимой скорости качения в двигателях внутреннего сгорания может применяться лишь при низких частотах вращения кривошипа.

В качестве прототипа принят двигатель внутреннего сгорания,включающий блок с осевой полостью и аксиально расположенными вокруг нее цилиндрами с головками, средний и передние подшипники, расположенный в полости блока и цапфами своего вала установленный в этих подшипниках кривошип с эксцентрическим подшипником с направленной к центру подпятника геометрической осью и с выступающим вперед выходным концом кривошипного вала, распределительный механизм, присоединенный к блоку сзади картер с соосно установленным в нем шаровым подпятником, наклонно установленную за него открытой сзади сферической разъемной обоймой качающуюся шайбу с выступающим вперед и сочлененным с подшипником кривошипа соосным шипом. С шайбой шарнирно соединены шатуны, а с ними также шарнирно соединены поршни. Имеет шестеренный стабилизатор шайбы с присоединенным к картеру вне шарового подпятника неподвижным элементом, а подвижный его элемент присоединен к качающейся шайбе вне сферической пяты [6, 7] Совпадающими с признаками заявляемого изобретения являются блок цилиндров с головками, кривошип, картер с шаровым подпятником, шайба с опорной обоймой, шестеренный стабилизатор, поршни, шатуны и распределительный механизм. Двигатель имеет следующие недостатки. Выход вала кривошипа в сторону головок цилиндров делает двигатель малопригодным для применения из-за неудобств при обслуживании. Вследствие расположения стабилизатора вне сферического сочленения шайбы и подпятника шестерни имеют увеличенные диаметры и будут работать при повышенных скоростях, что приводит к снижению их надежности и ресурса.

Задачей изобретения является создание двигателя внутреннего сгорания с высоким КПД и с повышенными надежностью и долговечностью путем усовершенствования его передачи. Предлагаемый двигатель включает неподвижный блок с осевой полостью и расположенными вокруг нее цилиндрами с головками, передний и средний подшипники, расположенный в полости блока и цапфами своего вала установленный в этих подшипниках передний кривошип с эксцентрическим подшипником с направленной к центру подпятника геометрической осью и с выступающим вперед кривошипным валом, кинематически связанный с ним распределительный механизм, присоединенный к блоку сзади картер с соосно установленные в нем шаровым подпятником, установленную на нем сферической разъемной обоймой с наклоном оси, под углом α₁ к его оси, качающуюся шайбу с выступающим вперед и сочлененным с подшипником кривошипа соосным шипом, стабилизатор шайбы с соединенным с ней подвижным элементом, шарнирно соединенные с шайбой шатуны и соединенные с ними также шарнирно поршни и отличается от прототипа тем, что картер снабжен соосным радиально-упорным подшипником сзади, имеет установленный в нем валом задний кривошип с опорной поверхностью вокруг основания вала и с эксцентрическим подшипником с направленной к центру подпятника геометрической осью, а шаровой подпятник выполнен с открытым сзади соосным гнездом и с боковыми опорно-соединительными элементами и ими присоединен к картеру вне расположения заднего кривошипа, отъемный элемент сферической обоймы шайбы выполнен с выступающим назад соосным шипом и им сочленен с подшипником заднего кривошипа, причем этот элемент имеет боковые отверстия и опорные элементы подпятника выставлены в картер через них с возможностью круговых качательных движений шайбы, стабилизатор шайбы выполнен в виде пары шестерен с равными количествами зубьев или шарнирной муфты и расположен в гнезде подпятника, с которым он соединен неподвижным элементом и подвижным элементом соединен с обоймой шайбы. Передача двигателя трансформирует возвратно-поступательные движения поршней в качательное движение шайбы с последующим превращением этого движения посредством переднего и заднего шипов во вращательное движение переднего и заднего кривошипов. Диаметры шестерен стабилизатора выбраны, исходя из условия обеспечения оптимальных скоростей их относительного движения в работе. Шестерням обеспечена обильная смазка. Диаметральный размер шарового подпятника выбран обеспечивающим низкое удельное давление на него и шарнирное сочленение его с обоймой шайбы имеет соответственно низкий коэффициент трения. Причем движение обоймы по подпятнику является обкатным и преимущественно представляет движение качения, что существенно снижает потери на трение. По шаровым шатунным головкам сферические опоры шайбы и поршней также совершают обкатные движении с низким коэффициентом трения. Силы боковых давлений поршней на стенки цилиндров весьма незначительны благодаря малости отклонений осей шатунов от осей цилиндров. Эти свойства передачи обеспечивают существенное снижение потерь мощности и повышение к.п.д.двигателя при одновременном повышении его надежности и долговечности.Двигатель компактен, его детали технологичны при изготовлении.

Двигатель имеет частные случаи выполнения. В четырехтактном варианте двигателя головка блока цилиндров выполнена общей и снабжена кольцевым коллектором, который соединен с цилиндрами отдельными каналами. Здесь же находятся выпускные каналы, к которым подключен извне выпускной трубопровод. В головке смонтирован распределительный механизм, включающий впускные и выпускные подъемные клапаны, корпус толкателей с периферийными аксиальными отверстиями с подвижно установленными в них толкателями для каждого клапана при β = i(θ-δ); (а),
где β центральный угол в градусах между толкателями впускного и выпускного клапана каждого цилиндра;
i передаточное число привода распределительного механизма по [8]
q продолжительность впуска в градусах поворота кривошипа при такой же продолжительности выпуска;
d угол перекрытия работы клапанов в градусах,
смонтированные на корпусе толкателей качающиеся коромысла,которые концами опираются на стержни клапанов и толкатели, центрированную на корпусе среднего подшипника спереди с возможностью вращения и управляющую движениями толкателей кулачковую шайбу с кулачками на периферии ее переднего торца и с губчатым колесом, причем g = θ•i (б),
где γ центральный угол кулачка в градусах на кулачковой шайбе;
q по приведенному выше значению;
i передаточное число привода распределительного механизма по [8]
и с K (L±1)/1 по [8]
где
K количество кулачков для четырехтактного двигателя;
L количество цилиндров;
и кинематически соединяющий кулачковую шайбу с валом кривошипа привод распределительного механизма c i 1/(L±1) по [8]
где i передаточное число привода:
L число цилиндров;
головка блока цилиндров закрыта крышкой с соосным передним подшипником. Двигатель может быть выполнен с наддувом. При этом он имеет турбокомпрессор, который нагнетательным патрубком присоединен к впускному отверстию коллектора головки блока, впускным патрубком турбины подключен к выпускному трубопроводу.

Двигатель имеет частный случай выполнения с дополнительным блоком оппозитных цилиндров, выполненных заодно с картером. Он снабжен соединенными с качающейся шайбой посредством шатунов дополнительными поршнями, дополнительным распределительным механизмом и смонтированным сзади подшипником. Причем кривошипный вал удлинен и дополнительной цапфой смонтирован в этом подшипнике. Двигатель имеет удвоенную мощность и компактен.

На фиг. 1 показан в разрезе девятицилиндровый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с турбокомпрессором.

На фиг. 2 вид А на фиг. 1.

На фиг. 3 разрез Б Б на фиг. 1.

Изображенный на фиг. 1 3 4-х тактный 9-ти цилиндровый двигатель внутреннего сгорания содержит блок цилиндров 1 с установленными в них втулками 2, блок выполнен с осевой полостью и с передней перегородкой посредине, соосный с блоком 1 средний радиально-упорный подшипник 3 посредине перемычки, установленный в нем составным кoренным валом 4 передний кривошип 5 с самоустанавливающимся эксцентрическим подшипником 6 сзади,присоединенную к блоку 1 шпильками 7 и гайками 8 его головку 9 с крышкой 10 и соосным с блоком 1 и поддерживающим вал 4 передним подшипником 11 посредине, присоединенный к блоку 1 шпильками 12 и гайками 13 картер 14 с поддоном 15, присоединенный к картеру 14 сзади посредством своего корпуса задний радиально-упорный подшипник 16, установленный в нем валом 17 задний кривошип 18 с радиальным пазом спереди и с установленным в нем с возможностью радиальных перемещений подшипником 19 в призматическом корпусе, присоединенную к кривошипу 18 сзади пусковую шестерню 20, выполненное в боковой стенке картера 14 отверстие 21 для головки пускового стартера, присоединенный тремя боковыми опорно-соединительными элементами 22 к картеру 14 соосно с его подшипником 16 с возможностью вращательных движений кривошипа 18 шаровой подпятник 23 с осевым гнездом сзади и с показанной на фиг.1 и 2 системой смазочных каналов, выполненную с опертой на подпятник 23 разъемной сферической обоймой посредине с продолговатыми боковыми отверстиями в ней в картер 14 качающуюся шайбу 24 с передним 25 и задним 26 соосными шипами на обойме, причем, длина этих отверстий определена конструктивно по амплитуде качательных движений шайбы 24 и в ней выполнены необходимые выемки против элементов 22. А ширина отверстий по их внутренним контурам равна сумме диаметра элемента 22 и величины 3,25r(1-cosα)
где: r внутренний радиус обоймы;
α -угол наклона шайбы.

Приведенная формула является эмпирической и выведена на основании графического анализа кинематики качающейся шайбы с учетом закономерностей, известных из патентной литературы. К полученной сумме прибавляется допуск гарантированного зазора и выставленные через отверстия обоймы элементы 22 с ней не соприкасаются и не препятствуют круговым качательным движениям шайбы 24 с обоймой. В гнезде подпятника 23 расположен соединенный с ним неподвижной шестерней 27 и подвижной шестерней 28 соединенный изнутри с шайбой 24 стабилизатор с равным количеством зубьев. Шайба 24 передним 25 и задним 26 шипами соединена соответственно с подшипниками 6 и 19.Также имеет поршни 29, шарнирно соединенные с ними и с шайбой 24 шатуны 30 с шаровыми головками, причем соединение осуществлено круглыми гайками 31 и 32 со сферическими опорными поверхностями.

В головке 9 имеется впускной коллектор 33 с соединяющими его с цилиндрами 1 впускными каналами 34 и выпускными каналами 35. К ним снаружи подключен выхлопной трубопровод 36. В головке 9 смонтированы по окружности впускные 37 и выпускные 38 подъемные клапаны против каждого цилиндра с возвратными пружинами 39. К головке 9 присоединен корпус с толкателем 40 с отверстиями посредине и с аксиальными отверстиями против клапанов 37 и 38 с расположенными в них толкателями 41 с определяемым по формуле /а/ центральным углом b между толкателями клапанов каждого цилиндра. На корпусе 40 смонтированы опирающиеся на стержни клапанов 37 и 38 наружными концами и на толкатели 41 внутренними качающиеся коромысла 42. Расположена в головке 9 с центрированием на выступе корпуса подшипника 3 и с упором на перемычку блока 1 с возможностью вращательных движений подпирающая толкатели 41 И управляющих их движениями кулачковая шайба 43 с четырьмя кулачками 44 на периферии переднего торца, количество K которых определено по формуле источника [4] Посредине головки 9 смонтирована, кинематически соединяющая кулачковую шайбу 43 с валом 4 переднего кривошипа 5 зубчатая передача с шестерней 45 вала 4, с шестерней 46, сидящей на шлицах на валике 47 и с шестерней 48, состоящей в зацеплении с выполненной заодно с кулачковой шайбой 43 шестерней 49 внутреннего зацепления. Передаточное число i передачи, определенное по формуле источника [4] равно одной восьмой. Кроме того, включает соединенный турбиной 50 с выхлопным трубопроводом 36 и компрессором 51 с впускным коллектором 33 турбокомпрессор, расположенные в головке 9 и соединенные с валиками 47 два насоса 52.

Двигатель работает следующим образом.

Через пусковую шестерню 20, кривошип 18, шайбу 24 и шатуны 30 поршням 29 сообщаются начальные движения. Одновременно через вал 4 и зубчатую передачу приводится в движение кулачковая шайба 43. Рассмотрим цикл работы в цилиндре 1. Поршень 29 из положения в.м.т. движется к н.м.т. Кулачком 44 через толкатель 41 и коромысло 42 открывается с установленным опережением впускной клапан 37 и происходит впуск рабочего тела через компрессор 51, коллектор 33 и канал 34. При повороте кривошипа 5 и 18 на 180 градусов поршень 29 перемещается в н.м.т.и с установленным запаздыванием кулачок 44 уходит из-под толкателя 41, а возвратная пружина 39 закрывает впускной клапан 37, заканчивается впуск, начинается сжатие. При повороте кривошипов 5 и 18 на 360 градусов поршень 29 приходит в в.м.т. и заканчивается сжатие рабочего тела. Перед этим в установленный момент происходит его воспламенение и начинается рабочий ход поршня 29 под давлением газов. При этом воспринимаемую через шатун 30 силу давления шайба 24 трансформирует в момент и в передаваемую через свою обойму на подпятник 23 и далее через опорные элементы 22 картеру 14 осевую силу. От шайбы 24 через шипы 25 и 26 указанный вращающий момент передается кривошипам 5 и 18. Причем кривошип 5 воспринимает вращающий момент лишь в части, потребляемой на собственные нужды двигателя, а в остальной части момент передается кривошипу 18 и от него воспринимается выходным коренным валом 17. Благодаря возможности свободных радиальных смешений подшипника 19 в радиальном пазу кривошипа 18, он свободен от радиального давления на него заднего шипа 26. Вся сила момента шайбы 24 в плоскости действия этого момента передается только через шип 25 подшипнику 6 и далее через кривошип 5 подшипнику 3 перемычки блока 1. Вторичный вращающий момент шайбы 24, возникающий в результате ее наклонного положения на подпятнике 23 уравновешивается реакцией картера 14 через опору 22, подпятник 23 и шестерни 27 и 28 стабилизатора. При приближении поршня 29 к н.м.т. кулачок 44 через толкатель 41 и коромысло 42 открывает выпускной клапан 38 и газы через выпускной канал 35, трубопровод 36 направляются в турбину 50 и, раскрутив его, включают турбокомпрессор в работу. При повороте кривошипов 5 и 18 от 540 до 720 градусов происходит вытеснение отработавших газов. Вблизи в.м.т. с установленным опережением кулачком 44 через толкатель 41 и коромысло 42 открывается впускной клапан 37 и рабочее тело под создаваемым компрессором 51 давлением через коллектор 33 и канал 34 поступает в цилиндр 1. Так заканчивается цикл и начинается следующий. В других цилиндрах рабочие циклы совершаются таким же образом, чередуясь через один цилиндр.

Использование: машиностроение, в частности двигатели внутреннего сгорания аксиально-поршневого типа. Сущность изобретения: двигатель снабжен дополнительным кривошипом 18 с эксцентричным подшипником 19. Вал 17 дополнительного кривошипа 18 установлен в торцевой стенке картера 14 посредством подшипника 16, на отъемном элементе сферической обоймы выполнен шип 2,6, который размещен в эксцентричном подшипнике 19, а его ось совпадает с осью шипа 25 шайбы 24 и проходит через центр шарового подпятника 23. На последнем выполнены опорно-соединительные элементы 22, расположенные вокруг гнезда в шаровом подпятнике 23, которые размещены в отверстиях отъемного элемента и закреплены на торцевой стенке картера вокруг дополнительного кривошипа 18. В гнезде шарового подпятника 23 размещен стабилизатор шайбы. 3 з.п.ф-лы; 3 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, включающий неподвижный блок с осевой полостью и аксиально расположенными вокруг нее цилиндрами с головками, передний и средний подшипники в блоке, установленный в них своим валом и расположенный в полости блока передний кривошип с эксцентрическим подшипником с направленной к центру подпятника геометрической осью, кинематически соединенный с передним кривошипным валом газораспределительный механизм, присоединенный к блоку сзади картер с соосно установленным в нем шаровым подпятником, наклонно установленную в нем своей разъемной сферической обоймой с возможностью круговых качательных движений шайбу с выступающим вперед и сочлененным с подшипником переднего кривошипа соосным шипом, стабилизатор шайбы с соединенным с ней подвижным элементом, шарнирно соединенные с шайбой шатуны и соединенные с ними также шарнирно поршни в цилиндрах и систему подвода и отвода рабочего тела, отличающийся тем, что он снабжен соосным радиально-упорным подшипником картера сзади, имеет установленный в нем валом задний кривошип с эксцентрическим подшипником с направленной к центру подпятника геометрической осью, а шаровой подпятник выполнен с открытым сзади соосным гнездом и с боковыми опорно-соединительными элементами и ими через обойму шайбы присоединен к картеру вокруг расположения заднего кривошипа, против них в обойме шайбы выполнены обеспечивающие возможность ее круговых качательных движений продолговатые боковые отверстия, причем отъемный элемент обоймы выполнен с выступающим назад соосным шипом и им сочленен с подшипником заднего кривошипа, стабилизатор шайбы выполнен в виде пары шестерен с равными количествами зубьев или шарнирной муфты и расположен в гнезде подпятника, с ним он соединен неподвижным элементом и подвижным элементом соединен с отъемным элементом обоймы шайбы. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что головки блока цилиндров выполнены в виде общей головки блока с размещенными в ней элементами газораспределительного механизма, а он выполнен клапанным со смонтированными против цилиндров впускными и выпускными клапанами и с кинематически связанным с кривошипным валом их приводом, система подвода рабочего тела имеет в общей головке сообщающийся с цилиндрами через соответствующие каналы и клапанные отверстия кольцевой коллектор, в головке также расположены выведенные наружу от цилиндров выпускные каналы и к ним извне подключен выпускной трубопровод. 3. Двигатель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что снабжен турбокомпрессором, который нагнетательным патрубком компрессора присоединен к впускному отверстию коллектора, а впускным патрубком газовой турбины подключен к выпускному трубопроводу. 4. Двигатель по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что он снабжен соосно присоединенным сзади дополнительным оппозитным блоком цилиндров с головками, имеет соединенные с качающейся шайбой дополнительные шатуны и соединенные с ними дополнительные поршни в цилиндрах этого блока, также имеет смонтированный в нем соосный подшипник, вал заднего кривошипа выполнен удлиненным и цапфой дополнительно сочленен с этим подшипником, также снабжен размещенным в головке этого блока цилиндров дополнительным клапанным газораспределительным механизмом и кинематически соединенным с валом заднего кривошипа приводом его клапанов.