ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02B75/32 

Изобретение относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания (ДВС) с бесшатунным силовым механизмам (БСМ).

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндры, поршни с пальцами, бесшатунный силовой механизм для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала и соединительный вал, жестко фиксирующий положение элементов бесшатунного механизма.

Недостаток прототипа заключается в значительных габаритах, сужающих область использования.

Задачей изобретения является создание компактного, уравновешенного ДВС, жесткость которого обеспечивается применением единого поршня двойного действия.

Поставленная задача решается тем, что двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндры, поршни с пальцами, бесшатунный силовой механизм для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала, соединительный вал, жестко фиксирующий положение элементов бесшатунного механизма, причем двигатель снабжен двумя оппозитно расположенными цилиндрами с длиной, большей или равной трем ходам поршней, в цилиндрах выполнены сквозные пазы длиной, равной одному ходу поршней, последние выполнены двухстороннего действия с длиной, большей или равной двум ходам поршней, пальцы поршней имеют на концах эксцентрики, расположенные в картере и имеющие эксцентриситет между осями и эксцентрика, равный 1/4 хода поршня, причем одни эксцентрики закреплены с возможностью вращения в шестернях бесшатунного механизма на расстоянии 1/4 хода поршней между осями шестерен и эксцентриков, вторые эксцентрики установлены в подшипнике, а поршни расположены в противофазе. Поршни двигателя могут иметь приливы на верхней и нижнем днищах поршней, перекрывающие паз в цилиндрах таким образом, чтобы в положениях нижней и верхней мертвых точек НМТ и ВМТ воздух при продувке не попадал в картер двигателя. Поршни в сечении по осям пальцев представляют собой гантели I-образной формы, а пальцы расположены внутри цилиндров.

На фиг. 1 показан вариант выполнения дизельного ДВС, работающего по 2-х тактному циклу с БСМ, в котором все эксцентрики соединены с шестернями, на фиг. 2 вариант выполнены ДВС, работающего по 4-х тактному циклу; на фиг.3 - разрез А-А- на фиг.3; на Фиг.4 вариант выполнения ДВС с БСМ, в котором одни эксцентрики соединены с шестернями, а вторые эксцентрики с подшипником.

На фиг. 1-4 введены следующие обозначения:
CC ось вращения БСМ;
OO ось вращения соединительного вала;
1 цилиндр ДВС, расположенные оппозитно;
2 поршни ДВС, расположенные в противофазе друг относительно друга;
3 пальцы поршней;
4 эксцентрики пальцев;
5 пазы в цилиндрах ДЫС, по которым ходят пальцы поршней;
6 продувочные окна цилиндров;
7 приливы поршней, перекрывающие пазы в цилиндрах при ВМТ и НМТ;
8 выпускные клапана;
9 соединительный вал;
10-11, 12-13, 14-15, 16-17 шестерни редукторов, образованного шестернями БСМ 10, 12, 14, 16 и соединительного вала 11, 13, 15, 17;
18 форсунки ДВС;
19 подшипники шестерен;
20 уплотнительное (компрессионные) кольца,
21 ресивер, накапливающий сжатый воздух от турбонагнетателя для продувки цилиндров;
22 картер ДВС;
23 кулачки для управления клапанами;
24 подшипники эксцентриков.

Кулачки для управления клапанами, плунжерами топливного насоса и приводы клапанов на фиг. 1, 2 условно не показаны.

ДВС содержит цилиндры 1 с продувочными окнами 6 и пазами 5, в которых ходит палец 3 поршней 2, имеющих приливы 7, перекрывающие пазы 5 для пальцев 3 при НМТ и ВМТ поршней 2.

Поршни 2 выполнены двустороннего действия, имеют уплотнительные (компрессионные) кольца 20.

Пальцы 3 поршней 2 имеют на концах пальцев 3 эксцентрики 4, находящиеся в картере 22 ДВС.

Эксцентриситет между осями пальцев 3 и эксцентриков 4 равен 1/4 хода поршней.

БСМ выполнен из 2-х частей с каждой стороны цилиндра и включает в себя: пальцы 3 с эксцентриками 4 и шестерни 10, 12, 14, 16, в которых на расстоянии 1/4 хода поршней (по осям шестерне OO и эксцентриков) закреплены с возможностью вращения эксцентрики 4 пальцев 3.

Двигатель снабжен соединительным валом 9 с редуктором, образованным шестернями соединительного вала 11, 13, 15, 17 и БСМ 10, 12, 14, 16, посредством которых все части БСМ жестко связаны между собой и зафиксированы друг относительно друга.

Поршни 2 ДВС расположены в цилиндрах 1 в противофазе для обеспечения динамической балансировки.

Двигатель содержит подшипники 19, выпускные клапана 8, картер ДВС 20 и ресивер 21, накапливающий сжатый воздух от турбонагнетателя (на чертежах не показан) для продувки цилиндров 1 через продувочные окна 6 и выпускной клапан 8. Цилиндры 1 в своих головках имеют форсунки 18 для впрыска топлива.

Буквами OO обозначена ось вращения БСМ, а CC ось вращения соединительного вала.

В двигателе при работе по двухтактному циклу возникают условия для взаимной компенсации сил, действующих на поршни 2 от давления продуктов сгорания с одной стороны и сжигаемого воздуха с другой стороны.

Учитывая, что впрыск топлива через форсунки 18 осуществляется с опережением 30-40^o (по углу поворота БСМ), образующиеся продукты сгорания на противоположной стороне поршней 2 начинают оказывать противодавление при движении их ВМТ. При этом разгружаются поршневые пальцы 3 и БСМ, на которые действуют лишь разность давлений на верхнее и нижнее днища поршней 2.

Работа двигателя происходит следующим образом.

При движении левого поршня 2 (см. фиг. 1) к ВМТ, а правого к НМТ происходит одновременный впрыск топлива в левую верхнюю и нижнюю часть цилиндров 1. При этом выпускные клапана 8 левой верхней и нижней правой части цилиндров 1 закрыты.

В левой нижней и правой верхней части цилиндров 1 выпускные клапана 8 открыты и через продувочные окна 6 происходит продувка цилиндров 1 сжатым воздухом из ресивера 21.

Под действием продуктов сгорания поршни 2 двигаются: левый вниз, а правый вверх, совершая через элементы БСМ и вращая через шестерни 10-11, 12-13, 14-15, 16-17 соединительный вал 9, который является выходным валом ДВС.

Как только поршни 2 своими уплотнительными кольцами 20 перекроют продувочные окна 6 цилиндров 1, выпускные клапана 8 левой нижней и правой верхней частей цилиндров 1 закрываются и начинается сжатие воздушного заряда в этих частях цилиндров 1.

При дальнейшем движении поршней, как только уплотнительные кольца 20 левой верхней и нижней правой частей поршней 2 достигают продувочных окон 6 цилиндров 1, с небольшим опережением открываются левый верхний и нижний правый выпускные клапана 8 и продукты сгорания устремляются через выхлопной коллектор (на чертеже не показан) на газовую турбину турбонагнетателя, отдавая ей часть кинетической энергии.

При дальнейшем движении поршней 2 открываются продувочные окна 6 и сжатый воздух из ресивера 21 устремляется в цилиндры ДВС, осуществляя продувку цилиндров 1 от продуктов сгорания и заполняя цилиндры 1 воздушным зарядом, необходимым для следующего цикла.

Сжимаемый воздух на противоположной стороне поршней 2 создает противодавление, тем самым разгружая пальцы 3 и БСМ.

За 30-40^o (по углу поворота БСМ и соединительного вала 9) через форсунки 18 впрыскивается топливо в левую нижнюю и правую верхнюю часть цилиндров 1 и образующиеся продукты сгорания еще больше увеличивают противодавление на поршни, разгружая пальцы 3, БСМ и гася момент инерции движущихся поршней 2. Далее цикл повторяется.

Таким образом, обеспечивается невиданная ранее "мягкость" работы ДВС, и по условиям прочности элементы ДВС (БСМ, редуктор, соединительный вал) могут быть выполнены значительно облегченными, что позволяет еще более уменьшить габариты и вес ДВС.

Так как в данном двигателе совершенно отсутствуют "холостые" ходы, то по своей эффективности этот 2-х цилиндровый двигатель равносилен 8-цилиндровым V-образным серийно выпускаемым ДВС.

Наиболее предпочтимым вариантом выполнения ДВС для снижения габаритов является двигатель, изображенный на фиг.4. В этом варианте отсутствуют шестерни 12-13 и 14-15, а вместо них установлен подшипник 24, с которым соединены эксцентрики 24 сразу двух поршней 2.

Наличие соединительного вала 9 с шестернями и подшипником 24, 11, 12-13 позволяет за счет момента инерции вращающихся частей, выполняющих функции маховика, выводить БСМ из мертвых точек и жестко фиксировать взаимное положение элементов БСМ, не допуская их перекоса и заклинивания ДВС.

Описываемые усовершенствования обеспечивают упрощение конструкции ДВС, снижают его размеры и вес.

На фиг.2 показан ДВС, работающий по 4-х тактному циклу при положении поршней равному половине хода (вид сверху).

В этом ДВС отсутствуют продувочные окна 6 и в головках цилиндров 1 установлены впускные клапана (на фиг. 2 не указаны).

При этом поршни 1 в сечении по оси пальца 3 представляют из себя I-форму гантели, пальцы 3 находятся внутри цилиндров 1, а пазы 5 представляют фигуру, образованную сечением цилиндров 1, цилиндрами с радиусом, равным радиусу шестерен БСМ (фиг.4).

Работа ДВС (на фиг.2) соответствует циклограмме обычного ДВС.

Использование: поршневые двигатели внутреннего сгорания. Сущность изобретения: двигатель внутреннего сгорания содержит два цилиндра, длина которых больше или равна трем ходам поршней, и поршни двухстороннего действия длиной, большей или равной двум ходам поршней. В цилиндрах выполнены сквозные пазы длиной, равной одному ходу поршня, а поршни снабжены пальцами с эксцентриками. Одни эксцентрики соединены с шестернями бесшатунного механизма, в состав которого входит соединительный вал, а вторые эксцентрики установлены в подшипнике. Поршни двигателя расположены в противофазе. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндры, поршни с пальцами, бесшатунный силовой механизм для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала, соединительный вал, жестко фиксирующий положение элементов бесшатунного механизма, отличающийся тем, что он снабжен двумя оппозитно расположенными цилиндрами с длиной, большей или равной трем ходам поршней, в цилиндрах выполнены сквозные пазы длиной, равной одному ходу поршней, последние выполнены двустороннего действия с длиной, большей или равной двум ходам поршней, пальцы поршней имеют на концах эксцентрики, расположенные в картере и имеющие эксцентриситет между осями пальца и эксцентрика, равный 1/4 хода поршня, причем одни эксцентрики закреплены с возможностью вращения в шестернях бесшатунного механизма на расстоянии 1/4 хода поршней между осями шестерен и эксцентриков, вторые эксцентрики установлены в подшипнике, а поршни расположены в противофазе. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что поршни двигателя имеют приливы на верхнем и нижнем днищах поршней, перекрывающие паз в цилиндрах таким образом, чтобы в положениях нижней и верхней мертвых точек воздух при продувке не попадал в картер двигателя. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что поршни в сечении по осям пальцев представляют собой гантели I-образной формы, а пальцы расположены внутри цилиндра.