БЕСШАТУННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F01B1/08 F01B9/00 F02B75/24 F02B75/32 

Изобретение относится к машиностроению, касается усовершенствования поршневых бесшатунных двигателей внутреннего сгорания и может быть использовано на транспорте.

Известен бесшатунный двигатель, содержащий, по меньшей мере, один цилиндр, закрытый с обеих сторон крышками с уплотнительными элементами и имеющий две камеры сгорания, размещенный в цилиндре поршень двухстороннего действия с уплотнительными элементами, внутри которого на выходном валу, проходящем через него и пазы в цилиндре, установлены две муфты свободного хода, щеки которых через отверстия в боковинах поршня введены в вырезы цилиндра, где скреплены пальцами, каналы для подачи воздуха или горючей смеси и каналы для выпуска отработанных газов (SU, авторское свидетельство N1038487, кл.6 F 01 B 9/08, 1983).

Двигатель имеет следующие недостатки.

Работает по двухтактному циклу с прямоточной продувкой, что определяет низкую экономичность, имеет большое число уплотнений, муфты находятся в горячей зоне и ограничены в размерах поршнем, за один рабочий ход вал двигателя поворачивается на небольшой угол, имеет потери на боковое трение поршня в цилиндре, давление в цилиндре резко снижается в течение рабочего хода.

Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются: уменьшение потерь на трение в двигателе, повышение его экономичности, обеспечение высокого крутящего момента в широком диапазоне изменения скорости вращения вала двигателя, увеличение удельной мощности. Для решения этих задач предлагается выполнить двигатель с реечно-шестеренчатым преобразователем возвратно-поступательного движения во вращательное и системой управления давлением в цилиндрах, скоростью движения поршня и т.д. на основании этих данных управляющей процессами, протекающими в цилиндрах двигателя.

Изобретение поясняется чертежом.

Двигатель содержит цилиндр 1 с керамическими гильзами 2, закрытый с двух сторон крышками 3 с теплоизолирующим покрытием 4. Внутри цилиндра 1 находятся двухсторонний поршень 5 с уплотнительными элементами 6. Рабочие стороны поршня имеют теплоизолирующее покрытие 7, поверх которого находится пористое покрытие 8 из материала с высокой теплопроводностью и теплоемкостью.

Поршень снабжен зубчатой рейкой 9, находящейся в зацеплении с шестернями 10, передающими вращение валам 11 отбора мощности с помощью муфт свободного хода, состоящих из роликов 12, подпружиненных пружинами 13. Каждый вал отбора мощности передает свое вращение посредством шестерни 14 шестерне 15 выходного вала 16 двигателя.

Воздух в двигателе подается по каналам 17, а отработанные газы через клапаны 18 выходят наружу. Кроме клапанов 18 в каждой крышке 3 имеется топливная форсунка 19, форсунка впрыска воды 20 и датчик 21 давления в цилиндре двигателя. На боковой стенке цилиндра 1 расположены датчики 22 положения поршня в цилиндре, управляющие моментом впрыска топлива, а датчик 23 скорости давления поршня в цилиндре, управляющий длительностью впрыска топлива и воды, расположен возле зубчатой рейки 9. Двигатель рассчитан на работу с турбонаддувом, поэтому отходящие через клапан 18 отработанные газы подаются на турбину, вращающую компрессор наддува, который, подавая воздух через каналы 17 под избыточным давлением, осуществляет продольную клапанно-щелевую продувку цилиндров двигателя, которая несмотря на большую сложность обеспечивает более высокое качество продувки, чем прямоточная щелевая и увеличивает мощность и экономичность двигателя.

Двигатель работает следующим образом.

Пусковым устройством (условно не показано) резко переводят поршень 5 в цилиндре 1 из одного крайнего положения в другое. При этом воздух, находящийся в цилиндре, сожмется и сильно нагреется. Когда уплотнительный элемент 6 поршня 5 пересечет линию датчика 22 положения поршня в цилиндре, он выдаст сигнал на впрыск топлива форсунке 19. Впрыснутое топливо воспламеняется, давление в цилиндре растет и поршень 5 движется в противоположную сторону. В своем конце рабочего хода, перед открытием впускных каналов 17, открывается клапан 18 и отработанные газы выходят из цилиндра, поступая на турбину компрессора. Чуть позже каналы 17 открываются и воздух, подаваемый компрессором, продувает цилиндр. Клапан 18 закрывается, а в это время поршень достигает в противоположной стороне положения, когда форсунка впрыскивает топливо, и цикл повторяется. Для обеспечения высокого крутящего момента работой двигателя управляет электронный блок, получающий информацию от датчиков о положении поршня в цилиндре, скорости движения его, давлении в цилиндре во время рабочего хода и сжатия. Мощность двигателя изменяют подачей на один их входов электронного блока опорного сигнала. На остальные его входы подают сигналы от датчиков 21 давления в цилиндре, датчиков 22 положения поршня в цилиндре, датчика 23 скорости движения поршня в цилиндре. По сигналам датчиков 22 электронный блок управляет моментом впрыска топлива форсунками 19, сигнал датчика 23 управляет опережением впрыска топлива, длительностью впрыска топлива и воды, а сигналы датчиков 21 определяют количество топлива и воды, впрыснутых форсунками 19 и 20 за один рабочий ход поршня. Чем выше скорость движения поршня в цилиндре, тем меньше задержка начала впрыска топлива форсункой 19 после получения электронным блоком сигнала на впрыск от датчика 22, и наоборот, что позволяет поддерживать степень сжатия двигателя постоянной и делает его работу более мягкой. Одновременно изменяется и длительность впрыска топлива и воды. Т.к. с ростом скорости движения поршня в цилиндре увеличивается во второй степени запасаемая ими и всеми движущимися деталями двигателя кинетическая энергия, электронный блок учитывает это, осуществляя впрыск топлива и воды не только меньший период времени, соответственно увеличению скорости движения поршня в цилиндре, но и в течение меньшего пути, проходимого поршнем за рабочий ход. Если при низкой скорости движения поршня в цилиндре впрыск топлива и воды заканчивается при прохождении поршнем почти всего рабочего хода и по инерции поршень почти не движется, то с увеличением скорости его движения увеличивается и путь, проходимый им по инерции, т.к. расширяющиеся газы очень быстро теряют давление, а впрыск топлива и воды заканчивается раньше относительно проходимой поршнем части рабочего хода. Электронный блок сравнивает сигнал от датчика скорости движения поршня в цилиндре 23, умноженный на разность сигналов датчиков 21 давления в цилиндре, с опорным сигналом. Датчик 23 непрерывно посылает информацию о скорости движения поршней в электронный блок, который на основе этих данных устанавливает момент опережения впрыска топлива и длительность впрыска топлива форсункой 19, когда датчик положения поршня в цилиндре 22 подаст сигнал на впрыск топлива и длительность впрыска воды форсункой 20, после отсечки впрыска топлива. Впрыскиваемое топливо воспламеняется, давление в цилиндре растет, датчик давления в цилиндре 21 подаст сигнал в электронный блок, который вычтет из него сигнал датчика 21 противоположной части цилиндра, где в это время идет продувка, и умножит на сигнал датчика скорости движения поршня в цилиндре 23. Когда произведение сигналов этих датчиков сравняется с опорным сигналом, электронный блок уменьшит количество топлива, впрыскиваемого форсункой 19. Но под давлением горячих газов поршень перемещается в противоположную сторону и сжимает там воздух, что ведет к резкому росту давления, и датчик 21 этой стороны цилиндра вычтет больший сигнал из сигнала датчика 21 в части цилиндра, где осуществляется рабочий ход, их производная становится меньше опорного сигнала, и электронный блок вновь увеличит количество топлива, впрыскиваемого форсункой 19. По достижении заданной длительности впрыска топлива происходит отсечка и давление в цилиндре падает, но форсунка 20 впрыска воды по сигналу электронного блока начинает впрыскивать воду, которая, испаряясь на пористом покрытии 8 поршня, вновь поднимает давление в цилиндре, которое регулируется количеством впрыскиваемой воды. Отсечка впрыска воды происходит, когда заданная длительность впрыска достигнута. При небольшой скорости движения поршня в цилиндре это происходит непосредственно перед открытием клапана 18 для выпуска. Отработанные газы вращают турбину компрессора, нагнетающего воздух через впускные каналы 17. При увеличении нагрузки на двигатель без увеличения опорного сигнала скорость движения поршня 5 в цилиндре уменьшится, датчик 23 скорости движения поршней в цилиндре подаст соответствующий сигнал в электронный блок, который увеличит и время впрыска топлива и воды и их количество, т.к. сигнал датчика 23 уменьшится, соответственно уменьшится и производная сигнала датчика 23 с разницей сигналов датчиков 21 давления, поэтому электронный блок увеличит давление в цилиндре, увеличив подачу топлива и воды, что увеличит крутящий момент двигателя. При этом электронный блок устроен так, что не может подать топлива больше, чем возможно по условиям полного сгорания. Благодаря электронному блоку и впрыску воды двигатель имеет восходящую характеристику крутящего момента, занимая промежуточное положение между паровой машиной и дизельным двигателем. Двигатель может работать при 150-200 тактах в минуту и меньше. С увеличением нагрузки его обороты падают, растет крутящий момент и наоборот. Двигатель может использоваться для приведения в движение транспортных средств без коробки передач. Для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное выходного вала с минимальными потерями на трение использован реечно-шестеренчатый механизм с муфтами свободного хода. При движении поршня 5 из одного крайнего положения в другое, зубчатая рейка 9, находящаяся в постоянном зацеплении с шестернями 10, также движется и заставляет вращаться эти шестерни в разные стороны относительно друг друга. Шестерни 10 сидят на валах 11 отбора мощности и благодаря муфтам при вращении в одну сторону передают им вращение, а в другую проскальзывают. Например, поршень движется влево. При этом верхняя (по чертежу) шестерня 10 вращается по часовой стрелке, ролик 12, подпружиненный пружиной 13, заклинит вал 11 отбора мощности относительно шестерни 10 и повернет на некоторый угол. Нижняя шестерня 10 при этом вращается против часовой стрелки, ее ролики 12 отжимают пружину 13, и проскальзывает относительно вала отбора мощности 11. При движении поршня 5 вправо верхняя шестерня 10 будет проскальзывать, а нижняя повернет свой вал отбора мощности. Каждый вал отбора мощности имеет шестерню 14 и обе они находятся в зацеплении с шестерней 15 выходного вала 16 двигателя таким образом, что при движении поршней влево выходной вал двигателя вращает один вал отбора мощности, а вправо другой, причем в одну сторону, что обеспечивает непрерывное и равномерное вращение выходного вала 16 двигателя. Применив зацепление с круговой линией зуба можно значительно повысить надежность данного механизма, уменьшить размеры шестерен.

В описанной конструкции практически полностью отсутствует боковое давление на поршни, т.к. газы давят на поршни преимущественно вдоль их боковой линии. Использование керамических гильз и теплоизолирующих покрытий обеспечивает высокую рабочую температуру в цилиндре двигателя, что совместно с пористым покрытием рабочих сторон поршня позволяет впрыскивать и испарять большие количества воды, повышающей рабочее давление в цилиндре. Поршень может быть выполнен из керамики с закладными элементами крепления зубчатой рейки или алюминиевыми с покрытием из окиси алюминия. Зубчатая рейка имеет прямоугольное или круглое сечение, что обеспечивает высокую жесткость и малый вес, каждому валу отбора мощности могут передавать крутящий момент несколько параллельно работающих муфт, присоединенных к шестерням, что позволит увеличить крутящий момент, передаваемый ими.

Использование: в машиностроении при проектировании поршневых бесшатунных ДВС. Сущность изобретения: двигатель содержит цилиндр с керамическими гильзами, в котором находятся два поршня, жестко связанных между собой зубчатой рейкой, находящейся в зацеплении с двумя шестернями, которые посредством муфт свободного хода передают крутящийся момент валам отбора мощности, а те, в свою очередь, - шестерне выходного вала. Цилиндр имеет каналы для подачи турбокомпрессором воздуха в двигатель, клапаны выпуска отработанных газов, топливную и водяную форсунки, датчики давления в цилиндре и закрыт с двух сторон крышками с внутренним теплоизолирующим покрытием. Рабочая сторона каждого поршня имеет теплоизолирующее покрытие, поверх которого находится пористое покрытие из материала с высокой теплопроводностью и теплоемкостью. На крайних боковых поверхностях цилиндра расположены датчики положения поршней в цилиндре и датчик скорости движения поршней в цилиндре. Двигатель имеет электронный блок, по сигналам датчиков в управляющий впрыском в цилиндры двигателя топлива и воды. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания содержащий по меньшей мере один цилиндр, закрытый с обеих сторон крышками с уплотнительными элементами и имеющий две камеры сгорания, размещенный в цилиндре поршень двустороннего действия с уплотнительными элементами, внутри которого на выходном валу, проходящем через него, и пазы в цилиндре установлены две муфты свободного хода, щеки которых через отверстия в боковинах поршня введены в вырезы цилиндра, где скреплены пальцами каналы для подачи воздуха или горючей смеси и каналы для выпуска отработанных газов, отличающийся тем, что двигатель снабжен электронным блоком и датчиком скорости движения поршня, цилиндр снабжен керамической гильзой и датчиками положения поршня, расположенными на боковой поверхности последнего, крышки снабжены теплоизолирующим покрытием и в них размещены клапаны для выпуска, форсунки впрыска топлива и воды и датчики давления в цилиндре, рабочие стороны поршня снабжены теплоизолирующим покрытием из материала с высокой теплопроводностью и теплоемкостью, причем поршень снабжен зубчатой рейкой, установленной с образованием постоянного зацепления по меньшей мере с двумя шестернями, каждая из которых посредством муфт свободного хода связана со своим валом отбора мощности, а последние с шестерней выходного вала, датчик скорости движения поршня в цилиндре установлен вблизи рейки и подключен к электронному блоку совместно с упомянутыми датчиками, с образованием системы управления впрыском топлива и воды. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что устройство для подачи воздуха в камеры сгорания содержит отдельный компрессор, сообщенный с одноименными каналами цилиндра и приводимый энергией отработанных газов. 3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что поршень выполнен из керамики и в нем закреплены закладные элементы крепления рейки. 4. Двигатель по пп.1 3, отличающийся тем, что муфты свободного хода расположены сбоку от шестерен валов отбора мощности. 5. Двигатель по пп.1 4, отличающийся тем, что снабжен дополнительными муфтами свободного хода, причем на каждом валу отбора мощности расположены несколько муфт, соединенных параллельно. 6. Двигатель по пп.1, 2, 4 и 5, отличающийся тем, что поршень выполнен из алюминия, а его покрытие из окиси алюминия. 7. Двигатель по пп.1 6, отличающийся тем, что зубчатая рейка с шестернями образуют зацепление с круговой линией зуба.