АКСИАЛЬНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02B75/26 

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к двигателям внутреннего сгорания с осями симметрии цилиндров, параллельными оси вращения коренного вала (с аксиальным расположением цилиндров).

Известен двигатель внутреннего сгорания (ДВС), содержащий корпус с по меньшей мере одним цилиндром, поршень, установленный в цилиндре, коренной вал с косым кривошипом, установленную на последнем качающуюся шайбу, шарнирно связанное с ней коромысло, установленное в корпусе на осях с возможностью качания относительно последних в плоскости, перпендикулярной оси качания качающейся шайбы, шатун, шарнирно соединенный с поршнем и коромыслом [1]
Недостатком известного технического решения является непосредственная связь шатуна с коромыслом, в результате чего происходит перекладка поршня при работе двигателя и возникают значительные боковые нагрузки, действующие через поршень на стенки цилиндра. Кроме того, использование шатуна приводит к наличию неуравновешенных масс в известном двигателе, что приводит к частичной потере мощности и снижению ресурса цилиндропоршневого узла.

Наиболее близкой к предлагаемой является поршневая машина, в частности ДВС, содержащая корпус с по меньшей мере одним цилиндром, поршень, кинематически связанный со штоком и установленный в цилиндре, коренной вал с косым кривошипом, установленную на последнем качающуюся шайбу, шарнирно связанное с ней коромысло, установленное в корпусе на оси с возможностью качания относительно последней в плоскости, содержащей оси цилиндра и коренного вала, эксцентрик, установленный в коромысле и шарнирно связанный со штоком поршня, причем ось симметрии цилиндра параллельна оси вращения коренного вала [2]
Однако в известном устройстве опорными направляющими поверхностями, обеспечивающими возвратно-поступательное движение поршней, являются только стенки цилиндра. В результате при вращении эксцентрика возникают значительные силы, прижимающие поршни к стенкам цилиндров и, следовательно, увеличивающие потери на трение в цилиндропоршневом узле. Поэтому наличие эксцентрика, обеспечивающего непосредственную связь штока с коромыслом в устройстве по прототипу, не приводит к значительному уменьшению боковых нагрузок, действующих на поршни и стенки цилиндра со стороны механизма преобразования. Помимо наличия связанных с трением механических потерь в цилиндропоршневом узле это приводит к снижению надежности поршневой машины.

Цель изобретения уменьшение потерь на трение, повышение надежности и упрощение механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращение вала.

Цель достигается тем, что аксиально-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с по меньшей мере одним цилиндром, поршень, кинематически связанный со штоком и установленный в цилиндре, коренной вал с косым кривошипом, установленную на последнем качающуюся шайбу, шарнирно связанное с ней коромысло, установленное в корпусе на оси с возможностью качания относительно последней в плоскости, содержащей оси цилиндра и коренного вала, эксцентрик, установленный в коромысле и шарнирно связанный со штоком поршня, причем ось симметрии цилиндра параллельна оси вращения коренного вала, снабжен ползуном, жестко связанный со штоком поршня, а также направляющей поверхностью, выполненной на коромысле с возможностью взаимодействия с рабочей поверхностью ползуна, причем направляющая поверхность выполнена в виде дугообразной поверхности с радиусом, проведенным из оси качания коромысла. Цель может быть достигнута в случае выполнения рабочей поверхности ползуна плоской. Кроме того, двигатель может быть снабжен дополнительной направляющей поверхностью, жестко связанной с корпусом и установленной параллельно оси симметрии цилиндра, а на ползуне выполнена дополнительная рабочая поверхность с возможностью взаимодействия с дополнительной направляющей поверхностью, причем дополнительная рабочая поверхность расположена противоположно рабочей поверхности позлуна. В частном случае дополнительная рабочая поверхность выполнена в виде части выпуклой цилиндрической поверхности, а дополнительная направляющая поверхность в виде части вогнутой цилиндрической поверхности.

На фиг. 1 показана схема двигателя; на фиг.2-сечение A-A на фиг.1; на фиг. 3-5 схемы двигателя, с раскладкой возникающих сил, поясняющие принцип работы механизма преобразования на разных стадиях: фиг.3 поршень с верхней мертвой точке (ВМТ), начало рабочего хода;на фиг.4 промежуточное положение поршня при рабочем ходе;на фиг.5 раскладка сил, возникающих на эксцентрике при запуске двигателя.

Двигатель содержит корпус 1 с по меньшей мере одним цилиндром 2. В последнем размещен поршень 3, кинематически (в данном случае жестко) связанный со штоком 4. Ось симметрии цилиндра 2 параллельна оси вращения коренного вала 5. На коренном валу 5 установлен косой кривошип 6. Качающаяся шайба 7, установленная на косом кривошипе 6 и через цилиндрические шарниры 8 связана с коромыслом 9. Коромысло закреплено в корпусе 1 на осях 10 с возможностью качания в плоскости, содержащей оси цилиндра 2 и коренного вала 5. В коромысле 9 установлен эксцентрик 11, шарнирно связанный с ползуном 12, который в свою очередь жестко связан со штоком 4 поршня 3. Ползун 12 имеет плоскую рабочую поверхность 13, а коромысло 9 дугообразную направляющую поверхность 14 с радиусом R, проведенным из оси 10 качания коромысла 9 (фиг.3-5). Связь эксцентрика 11 с ползуном 12 осуществляется с помощью пальца 15, установленного в ползуне. Кроме того, на ползуне 12 целесообразно выполнять дополнительную рабочую поверхность 16, например в виде части выпуклой цилиндрической поверхности, которая может контактировать с дополнительной направляющей поверхностью 17 козырька 18, выполненной соответственно в виде части вогнутой цилиндрической поверхности соответствующего радиуса. Козырек 18 жестко связан с корпусом 1.

Предлагаемый двигатель работает следующим образом. Под воздействием расширяющихся в цилиндре 2 продуктов сгорания (сила P1 на фиг.3) происходит перемещение поршня 3, который через шток 4, эксцентрик 11, коромысло 9 и качающуюся шайбу 7 передает крутящийся момент коренному валу 5 с косым кривошипом 6. При движении поршня 3 вблизи ВМТ сила P1 направлена через ось эксцентрика 11 и раскладывается на радиальную Z и тангенциальную T составляющие непосредственно на коромысле 9. При отходе поршня 3 от ВМТ ось эксцентрика 11 смещается относительно линии 19 перемещения ползуна 12 и образуется угол Y между силой P1 и линией, проведенной из оси пальца 15 к оси эксцентрика 11 (фиг.4). В результате сила P1 раскладывается на эксцентрике на составляющие Z1 и F1, последняя из которых прижимает рабочую поверхность 13 ползуна 12 к дугообразной направляющей поверхности 14 коромысла 9 и поршень 3 к стенке цилиндра 2 (реакции опоры N1 и N2 соответственно). Поскольку коромысло поворачивается соответственно с движением ползуна, точка их контакта смещается по дугообразной поверхности 14. Во время такта сжатия, когда поршень 3 перемещается к ВМТ под действием коромысла 9, сила, возникающая под действием давления сжимаемого рабочего заряда, раскладывается подобно силе P1, прижимая ползун 12 к направляющей поверхности 14. И в этом случае плоская рабочая поверхность 13 ползуна 12 в своем поступательном движении будет перемещаться по направляющей поверхности 14, прижимаясь к ней. Дополнительная направляющая поверхность 17 козырька 18 воспринимает нагрузку от ползуна 12 (реакция опоры N3) и контактирует с его дополнительной рабочей поверхностью 16 в момент запуска двигателя из положения, когда поршень находится в ВМТ (фиг.5). В этом случае козырек 18 исключает поднятие ползуна 12 под действием силы F2, как составляющей тяги P2 коромысла 9 к нижней мертвой точке.

Таким образом в заявляемом устройстве опорная направляющая поверхность для штоков расположена на коромысле механизма преобразования, непосредственно вблизи эксцентрика, в отличие от устройства по прототипу, где опорной поверхностью поршня является зеркало цилиндра. В результате того, что расстояние от оси пальца эксцентрика до точки опоры на коромысле в заявляемой поршневой машине мало, относительно расстояния до точки опоры на зеркале цилиндра, цилиндропоршневая группа практически разгружена от боковых нагрузок. Кроме того,использование связанной с коромыслом подвижной дугообразной направляющей поверхности позволило обеспечить строгое возвратно-поступательное движение штока. В результате существенно снижены механические потери, повышен ресурс и надежность механизма преобразования и цилиндропоршневого узла за счет переноса основной нагрузки от силы, действующей в паре поршень цилиндр (причем эта пара работает при больших относительных скоростях), на пару ползун-коромысло, относительные скорости которых значительно меньше.

Использование: машиностроение, преимущественно двигатели внутреннего сгорания с осями симметрии цилиндров, параллельными оси вращения коренного вала. Сущность изобретения: двигатель содержит корпус с по меньшей мере одним цилиндром. На косом кривошипе коренного вала установлена качающаяся шайба, шарнирно связанная с коромыслом, закрепленным на осях в корпусе. Коромысло имеет возможность качания в плоскости, содержащей оси цилиндра и коренного вала. На коромысле размещена направляющая поверхность, выполненная в виде дугообразной поверхности с радиусом, проведенным из оси качания коромысла. Направляющая поверхность взаимодействует с рабочей поверхностью ползуна. Коромысло связано со штоком через эксцентрик. Ползун кинематически связан со штоком. На корпусе может быть выполнена дополнительная направляющая поверхность, а на ползуне - дополнительная рабочая поверхность. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Аксиально-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с по меньшей мере одним цилиндром, поршень, кинематически связанный со штоком и установленный в цилиндре, коренной вал с косым кривошипом, установленную на последнем качающуюся шайбу, шарнирно связанное с ней коромысло, установленное в корпусе на оси с возможностью качания относительно последней в плоскости, содержащей оси цилиндра и коронного вала, эксцентрик, установленный в коромысле и шарнирно связанный со штоком поршня, причем ось симметрии цилиндра параллельна оси вращения коренного вала, отличающийся тем, что снабжен ползуном, жестко связанным со штоком поршня, а также направляющей поверхностью, выполненной на коромысле с возможностью взаимодействия с рабочей поверхностью ползуна, причем направляющая поверхность выполнена в виде дугообразной поверхности с радиусом, проведенным из оси качания коромысла. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что рабочая поверхность ползуна выполнена плоской. 3. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что снабжен дополнительной направляющей поверхностью, жестко связанной с корпусом и установленной параллельно оси симметрии цилиндра, а на ползуне выполнена дополнительная рабочая поверхность с возможностью взаимодействия с дополнительной направляющей поверхностью, причем дополнительная рабочая поверхность расположена противоположно рабочей поверхности ползуна. 4. Двигатель по п. 3, отличающийся тем, что дополнительная рабочая поверхность выполнена в виде части выпуклой цилиндрической поверхности, а дополнительная направляющая поверхность в виде части вогнутой цилиндрической поверхности.