ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С КАЧАЮЩИМСЯ ПОРШНЕМ Российский патент 1997 года по МПК F02B53/00 F01C9/00 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к двигателям внутреннего сгорания с качающимся поршнем.

Известен двигатель внутреннего сгорания с качающимся поршнем, содержащий корпус и поршень с валом, кинематически связанный с выходным валом с помощью механизма преобразования колебательного движения во вращательное [1]
Известен также двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, кольцевую камеру, поршень с валом с системой торцовых и радиальных уплотнений, совершающий колебательные движения в кольцевой камере, и механизм преобразования колебательного движения во вращательное [2]
Недостатком известных двигателей является наличие сложного кривошипно-шатунного механизма преобразования колебательного движения поршня во вращательное движение выходного вала. Такие двигатели имеют сравнительно большие габариты и массу из-за необходимости размещения кривошипно-шатунных механизмов, детали которых испытывают большие нагрузки.

Более того, при наличии жесткой кинематической связи между качающимся поршнем и кривошипно-шатунным механизмом с уменьшением частоты вращения выходного вала мощность двигателя падает. Это приводит к необходимости использования коробки перемены передач или вариатора вращательного движения, что также увеличивает габариты, массу и стоимость двигателя.

За прототип принят ДВС с качающимся поршнем. Данный двигатель содержит корпус с кольцевой камерой, поршень с валом с системой торцевых и радиальных уплотнений, совершающий колебательные движения в кольцевой камере, и механизм преобразования колебательного движения во вращательное, выполненный в виде трехзвенной зубчатой конической передачи, две шестерни которой снабжены муфтами свободного хода [3]
В основу настоящего изобретения поставлена задача создание такого двигателя внутреннего сгорания, конструкция которого обеспечила бы малые габариты и массу, плавное изменение частоты вращения выходного вала при постоянной частоте колебания поршня, автоматическое регулирования степени сжатия в зависимости от применяемого топлива и нагрузки, а также существенно уменьшило потери и износ основных деталей двигателя.

Поставленная задача решается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус с кольцевой камерой, поршень с валом с системой торцовых и радиальных уплотнений, совершающих колебательные движения в кольцевой камере, и механизм преобразования колебательного движения во вращательное, дополнительно предусмотрены механизм для выравнивания скорости колебательного движения, упругая муфта и вариатор колебательного движения, последовательно установленные между поршнем и механизмом преобразования колебательного движения во вращательное, а последний выполнен в виде зубчатой конической трехзвенной передачи, две шестерни которой снабжены муфтами свободного хода. Торцовые и радиальные уплотнения поршня выполнены бесконтактными в виде глухих отверстий.

В последующем изобретение поясняется описанием примера его выполнения со ссылкой на чертежи, где фиг. 1 продольный разрез двигателя; фиг. 2 разрез по корпусу и поршню, разрез А-А на фиг. 1; фиг. 3 механизм для выравнивания скорости колебательного движения, разрез Б-Б на фиг. 1; фиг. 4 вариатор колебательного движения; фиг. 5 механизм преобразования колебательного движения во вращательное, разрез В-В на фиг. 1.

В соответствии с фиг. 1 двигатель содержит корпус 1, кольцевую камеру 2, поршень 3, механизм для выравнивания скорости колебательного движения 4, упругую муфту 5, вариатор колебательного движения 6 и механизм преобразования колебательного движения во вращательное 7. Поршень установлен в корпусе с возможностью колебательного движения с помощью радиально-упорных подшипников качения, наружные обоймы которых закреплены в корпусе двигателя. Конец вала поршня соединен с помощью конического соединения с внутренней вилкой механизма для выравнивания скорости колебательного движения и далее через указанный механизм с внутренней обоймой упругой муфты. Наружная обойма упругой муфты связана с входным фланцем вариатора колебательного движения, на выходном валу которого закреплен фланец для присоединения механизма преобразования колебательного движения во вращательное.

Как показано на фиг. 2, в кольцевой камере 2 корпуса 1 расположены камеры предварительного сжатия 8, 9 и рабочие полости 10, 11. По внутреннему диаметру рабочих полостей 10, 11 на боковых поверхностях поршня 3 предусмотрен продувочный канал 12. В свободном конце вала поршня выполнен впускной воздушный патрубок 13. В верхней части корпуса имеется выпускной канал 14, а в нижней части корпуса перепускная полость 15 для соединения внутреннего объема поршня с камерами предварительного сжатия 8, 9. На торцовых поверхностях поршня, а также на поверхностях наибольшего диаметра поршня, примыкающий к корпусу, выполнены бесконтактные уплотнения 16 в виде глухих отверстий.

В связи с тем, что рабочая температура поршня превышает рабочую температуру корпуса, для обеспечения постоянства зазоров поршень выполнен из стали, а корпус из алюминиевого сплава, причем отношение коэффициентов температурного расширения материалов поршня и корпуса находятся в пределах 0,35 0,75.

Двигатель работает следующим образом. При движении поршня 3 против часовой стрелки (фиг. 2) в камере предварительного сжатия 8 происходит разрежение. Затем через перепускную полость 15 объем камеры предварительного сжатия 8 соединяется через внутренний объем поршня с впускным воздушным патрубком 13 и камерой предварительного сжатия 8 заполняется воздухом либо топливовоздушной смесью. При движении поршня 3 по часовой стрелке прекращается доступ воздуха из атмосферы в камеру предварительного сжатия 8 и происходит сжатие воздуха либо топливовоздушной смеси, после чего через продувочный канал 12 сжатый воздух либо топливовоздушная смесь поступает в рабочую полость 10, производят продувку выпускной канал 14 и заполнение этой полости свежим воздухом либо топливовоздушной смесью. При последующем движении поршня против часовой стрелки полости 10 происходит сжатие и воспламенение топливовоздушной смеси от сжатия либо за счет внешнего зажигания. Импульс давления в рабочей полости 10 останавливает движение поршня против часовой стрелки и направляет его в обратную сторону. При этом открывается выпускной канал 14 в корпусе 1 для выхода отработавших газов из рабочей полости 10. Далее происходит открытие продувочного канала 12 и сжатый воздух из камеры предварительного сжатия 8 производит продувку в выпускной канал 14 и заполнение рабочей полости 10 свежим воздухом. Аналогичные процессы в камере предварительного сжатия 9 и рабочей полости 11 смещены во времени на 1/2 цикла.

При воспламенении топливовоздушной смеси в рабочей полости возникает сила, толкающая поршень в другое крайнее положение. Однако, пройдя определенное расстояние, поршень теряет скорость, так как завершается процесс сгорания топливовоздушной смеси. В этом случае инерции поршня недостаточно для того, чтобы обеспечить сжатие рабочей смеси в другом крайнем положении, особенно при больших нагрузках. С этой целью предусмотрен механизм для выравнивания скорости колебательного движения /фиг. 3/, содержащий обойму 17, 18 и расположенные между ними пружины 19. При перемещении поршня из одного крайнего положения в другое обоймы 17, 18 давят на пружины 19 и сжимают их. При прохождении поршня через точку максимального сжатия пружин происходит разжатие пружин и передача накопленной энергии поршню, который с увеличивающейся скоростью перемещается в крайнее положение, обеспечивая необходимую степень сжатия топливовоздушной смеси.

Механизм для выравнивания скорости колебательного движения 4 соединен с упругой муфтой 5, предназначенной для согласования неравномерности угловой скорости и крутящего момента поршня с равномерным вращением выходного вала двигателя.

С упругой муфтой 5 связан входной фланец вариатора колебательного движения 6, предназначенного для бесступенчатого регулирования скорости колебательного движения и крутящего момента. Согласно фиг. 4 вариатор состоит из ведущего вала 20, подвижного 21 и неподвижного 22 дисков, промежуточного диска 23, установленного с возможностью перемещения в осевом направлении между подвижным 21 и неподвижном 22 дисками, и стержней 24, симметрично расположенных по окружности. Колебательное движение поршня передается на ведущий вал 20 вариатора. При этом подвижный диск 21, связанный с ведущим валом 20 через упругую муфту 5, поворачивается на определенный угол, вызывая угловое перемещение стержней 24 относительно неподвижного диска 22. При перемещении промежуточного диска 23 к подвижному диску 21 обеспечивается максимальная амплитуда колебаний и наименьший крутящий момент. При перемещении промежуточного диска 23 к неподвижному диску 22 амплитуда колебаний уменьшается, а крутящий момент увеличивается. При прижатии промежуточного диска 23 к неподвижному диску 22 амплитуда колебаний становится равной 0, в результате чего происходит отключение кинематической связи, исключающей необходимость применения муфты сцепления.

Выходной вал вариатора колебательного движения, связанный с промежуточным диском 23, является ведущим валом механизма преобразования колебательного движения во вращательное. Механизм преобразования, изображенный на фиг. 5, включает ведущий вал 25, который охватывают две муфты свободного хода 26, 27. На внешних обоймах муфт свободного хода установлены две конические шестерни 28, 29, находящиеся в постоянном зацеплении с третьей конической шестерней 30, которая соединена с выходным валом двигателя. При движении поршня в одном направлении включается одна муфта свободного хода, в то время как другая муфта свободного хода выключена. Вращение ведущего вала 25 передается через коническую шестерню 28 на коническую шестерню 30. При обратном движении ведущего вала 25 вращение передается через коническую шестерню 29. Так как направление вращение конических шестерен 28 и 29 противоположно друг другу и конические шестерни 28 и 29 сцеплены с противоположными участками конической шестерни 30, направление вращения конической шестерни 30 остается постоянным.

Предлагаемая конструкция двигателя внутреннего сгорания имеет следующие преимущества:
автоматическое регулирование степени сжатия, обеспечивающее повышение экономичности, многотопливность и снижение токсичности выхлопных газов
уменьшение потерь на трение и износ основных деталей двигателя за счет применения бесконтактных уплотнений
наличие встроенного вариатора колебательного движения, выполняющего функции коробки перемены передачи и муфты сцепления
уменьшение габаритов и массы двигателя.

Использование: изобретение относится к двигателестроению, в частности, к двигателям внутреннего сгорания с качающимся поршнем. Сущность изобретения: двигатель внутреннего сгорания с качающимся поршнем содержит корпус с кольцевой камерой, поршень с валом, совершающий колебательные движения в кольцевой камере, и механизм преобразования колебательного движения во вращательное, причем между поршнем и механизмом преобразования колебательного движения во вращательное последовательно установлены механизм для выравнивания скорости колебательного движения, упругая муфта и вариатор колебательного движения, а механизм преобразования колебательного движения во вращательное выполнен в виде трехзвенной зубчатой конической передачи, две шестерни которой снабжены муфтами свободного хода. Уплотнения поршня выполнены бесконтактными в виде глухих отверстий. Встроенный вариатор колебательного движения выполняет функции коробки перемены передач и муфты сцепления. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания с качающимся поршнем, содержащий корпус с кольцевой камерой, поршень с валом с системой торцовых и радиальных уплотнений, совершающий колебательные движения в кольцевой камере, и механизм преобразования колебательного движения во вращательное, выполненный в виде трехзвенной зубчатой конической передачи, две шестерни которой снабжены муфтами свободного хода, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен механизмом для выравнивания скорости колебательного движения, упругой муфтой и вариатором колебательного движения, последовательно установленными между поршнем и механизмом преобразования колебательного движения во вращательное. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что торцовые и радиальные уплотнения поршня выполнены бесконтактными в виде глухих отверстий. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что поршень выполнен из стали, а корпус из алюминиевого сплава, причем отношение коэффициентов температурного расширения материалов поршня и корпуса находится в пределах 0,35 0,75.