ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F02B57/00 F02B75/26 F01B3/00 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности, к поршневым двигателям внутреннего сгорания.

Известен поршневой двигатель, содержащий корпус круглой цилиндрической формы, первую и вторую группы поршней с шатунами, размещенные в рабочих полостях с возможностью движения в противоположных направлениях, две подвижные шайбы, соединенные, соответственно, с шатунами первой и второй групп поршней, первую и вторую косые шайбы, установленные с возможностью взаимодействия с подвижными шайбами, вал и впускные и выпускные окна, выполненные в корпусе (см. а. с. СССР N 442610, кл. F 02В 75/26, 1974 г.).

Недостаток известного двигателя заключается в недостаточной величине коэффициента наполнения, а следовательно и мощности, и в большей величине коэффициента остаточных газов, вследствие невозможности реализации цикла с продолженным расширением.

Задача изобретения заключается в увеличении коэффициента наполнения, а следовательно, и мощности двигателя путем уменьшения коэффициента остаточных газов и повышение экономичности путем реализации цикла с продолженным расширением.

Поставленная задача решается тем, что поршневой двигатель содержит корпус круглой цилиндрической формы, первую и вторую группы поршней с шатунами, размещенные в рабочих полостях с возможностью движения в противоположных направлениях, две подвижные шайбы, соединенные, соответственно, с шатунами первой и второй групп поршней, первую и вторую косые шайбы, установленные с возможностью взаимодействия с подвижными шайбами, вал и впускные и выпускные окна, выполненные в корпусе, причем вал выполнен с радиусными проточками, образующими совместно с корпусом три рабочие полости некруглой цилиндрической формы, первая косая шайба выполнена неподвижной и кинематически связана с корпусом с возможностью разворота относительно второй косой шайбы, вторая косая шайба соединена с валом посредством введенной планетарной передачи с передаточным отношением, равным трем, солнечная шестерня которой выполнена на косой шайбе, водило соединено с валом, при этом при положении одного из поршней второй группы в районе нижней мертвой точки, поршень первой группы, размещенный в той же рабочей полости, расположен в верхней мертвой точке, впускное окно смещено ко второй косой шайбе, а выпускное окно смещено к первой косой шайбе, и развернуто на угол относительно впускного окна. Вторая косая шайба может быть развернута относительно первой косой шайбы с возможностью образования острого угла в направлении, противоположном вращению вала, а кинематическая связь первой косой шайбы с корпусом может быть выполнена в виде червячной передачи.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображены: на фиг.1 общий вид предложенного двигателя; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - сечение В-В на фиг.1; на фиг.4 сечение Д-Д на фиг.1; на фиг.5 графики перемещения поршней; на фиг.6 схема газораспределения (начало процесса сжатия полости 9); на фиг.7 сечение И-И на фиг.6; на фиг.8 схема газораспределения (начало процесса расширения полости 9); на фиг.9 сечение К-К на фиг.8; на фиг. 10 схема газораспределения (конец процесса расширения полости 9); на фиг.11 сечение Л-Л на фиг.10; на фиг.12 схема газораспределения (конец процесса выхлопа полости 9); на фиг.13 сечение М-М на фиг.12; на фиг.14 индикаторная диаграмма; на фиг.15 схема расположения плоскостей симметрии косых шайб.

Двигатель содержит корпус, состоящий из двух частей 1 и 2 (фиг.1), к которому присоединены крышки 3 и 4. Внутренняя поверхность корпуса 1 имеет круглую цилиндрическую форму. Внутри корпуса размещен вал 5, опирающийся на подшипники 6 и 7.

Вал, выполненный с радиусными проточками 8 (фиг.2), образует с корпусом 1 три рабочие полости 9, 10, 11, в которых размещены поршни 12 и 13 с шатунами 14.

Вдоль вала 5 идут уплотнительные элементы 15.

В стенке корпуса 1 выполнено впускное 16 и впускное 17 окна, к которым присоединены, соответственно, выпускной 18 и впускной 19 патрубки.

Поршни 13 первой группы через шатуны 14 связаны с подвижной шайбой 20, опирающейся на первую косую шайбу 21, в которой выполнен опорный подшипник 6 вала 5. Первая шайба 21 соединена с корпусом 1 при помощи червячной передачи (фиг.4), включающей в себя червяк 22, опирающийся на подшипники 23, и сектор 24 червячного колеса, выполненный заодно с косой шайбой 21.

Поршни 12 второй группы через шатуны 14 связаны с подвижной шайбой 25, опирающейся на вторую косую шайбу 26. Вторая косая шайба 26 взаимодействует с корпусом через упорный 27 и опорный 28 подшипники. В ней выполнен также опорный подшипник 7 вала 5.

В корпусе 2 размещена планетарная передача (фиг.3) с передаточным отношением, равным трем, состоящая из солнечной шестерни 29, выполненной заодно со второй косой шайбой 26, сателлитов 30, связанных через оси 31 с водилом 32, и неподвижной шестерни 33. Водило 32 жестко соединено с валом 5.

Двигатель работает следующим образом.

При прокручивании вала 5 с угловой скоростью ω₁ (фиг.2) он заставляет поршни 12 и 13 с шатунами 24 совершать вращательное движение. Одновременно поршни 12 и 14 совершают перемещения вдоль оси вала.

Отнесем поршни 13, взаимодействующие с неподвижной первой косой шайбой 21, к группе 1, а поршни 12, взаимодействующие со второй косой шайбой 26, к группе 2.

Соответственно, все параметры, относящиеся к поршням той или иной группы, будут обозначены индексом 1 или 2.

Поршни первой группы при вращении вала совершают перемещение по синусоиде 34 (фиг.5), ход поршней между НМТ-1 и ВМТ-1 равен H₁ (фиг.1, 5).

Углы поворота вала откладываются по оси β
Ввиду наличия в кинематической схеме второй поршневой группы и редуктора с передаточным отношением, равным трем, подвижная вторая косая шайба 26 вращается с угловой скоростью w₂ (фиг.2), в три раза превышающей угловую скорость вала ω₁ причем направления вращения их совпадают.

Таким образом, при вращении вала поршни второй группы совершают перемещение по синусоиде 35, ход поршней между НМТ-2 и ВМТ-2 h₂. Углы поворота шайбы 26 откладываются по оси α
Первая и вторая косые шайбы 21 и 26 развернуты по углу относительно друг друга таким образом, что при положении одного из поршней 13 в ВМТ-1 поршень 12, размещенный в той же полости, располагается в районе НМТ-2 (фиг.1). Расстояние между поршнями при этом равно Г, что соответствует объему цилиндра V_a (фиг.14).

Возьмем данное положение поршней за исходное и проследим работу двигателя на одной из полостей, например 9, поворачивая вал последовательно на 90^o в направлении его вращения.

Этому положению поршней, которое определяется углом 180^o по оси b соответствует начало процесса сжатия (фиг.6, 7), т.е. точка "а" на индикаторной диаграмме (фиг.14).

Впускное окно 17 уже перекрыто поршнем 13 и, по мере вращения вала, поршни будут сближаться между собой, окно 17 при этом будет уходить из пределов полости 9. Процесс сжатия происходит на участке 36 (фиг.5), заканчиваясь в точке "с" (фиг.14). Расстояние между поршнями равно И, что соответствует объему камеры сгорания V_c.

В это время происходит сгорание топлива, давление повышается до точки "z" (фиг. 14) и далее на участке 37 идет процесс расширения, который заканчивается в точке "в". Момент расширения, соответствующий углу 270^o по оси b отражен на фиг. 8, 9. Поршень 13 идет к НМТ-1, поршень 12 находится в ВМТ-2. В конце расширения (угол 360^o), отраженном на фиг.10, 11, расстояние между поршнями равно Е, что соответствует объему цилиндра V1a

В конце выпуска расстояние между поршнями равно "ж", что соответствует объему цилиндра V1c

На участке 39 происходит процесс выпуска, который завершается в точке "а" и характеризуется положением поршней на фиг.6, 7.

Аналогичный рабочий цикл совершается в полостях 10, 11 через 120^o и 240^o поворота вала, соответственно.

В данном двигателе реализован цикл с продолженным расширением. Количество дополнительно полезно использованной энергии по сравнению с обычными циклами выражается площадью 40 (фиг.14).

Уменьшение размера "ж" между поршнями позволяет свести к минимуму коэффициент остаточных газов и увеличить коэффициент наполнения.

Уменьшение размера "ж" достигается смещением синусоиды 35 относительно синусоиды 34 на угол γ что осуществляется разворотом подвижной косой шайбы 26 таким образом, что ее плоскость симметрии 41 (фиг.15) образует с плоскостью симметрии 42 неподвижной косой шайбы 21 угол g в направлении, противоположном угловой скорости w₂ При этом один из поршней группы 1 находится в ВМТ-1.

Кроме того, изменяя угол γ между плоскостями симметрии первой и второй косых шайб 21 и 26, можно изменять размер "И" между поршнями, т.е. степень сжатия, что дает возможность применять топлива с различными октановыми числами.

Изменение угла g осуществляется путем поворота неподвижной косой шайбы 21 при помощи червяка 22 (фиг.4).

Таким образом, в данном четырехтактном двигателе осуществляется цикл с продолженным расширением, что улучшает экономичность двигателя, и уменьшается коэффициент остаточных газов, что приводит к увеличению мощности двигателя.

Использование: поршневые двигатели внутреннего сгорания. Сущность изобретения: поршневой двигатель содержит корпус 1 круглой цилиндрической формы, образующий с валом 5 три рабочие полости, в каждой из которых размещены поршни 12 и 13 с шатунами 14. Поршни 13 соединены через подвижную шайбу 20 с первой неподвижной косой шайбой 21. Поршни 12 соединены при помощи шатунов с подвижной шайбой 25, опирающейся на подвижную вторую косую шайбу 26, соединенную с корпусом 2 через упорный 27 и опорный 28 подшипники и с валом 5 через планетарный редуктор с передаточным равным трем. При положении поршня 13 в верхней мертвой точке поршень 12, размещенный в той же полости, расположен в нижней мертвой точке. Механизм газораспределения включает в себя впускное и выпускное окна, причем, выпускное окно смещено к неподвижной первой косой шайбе 21, а впускное - к подвижной второй косой шайбе 26. Вторая косая шайба 26 повернута относительно первой косой шайбы 21 таким образом, что плоскость симметрии второй косой шайбы 26 образует с плоскостью симметрии первой косой шайбы 21 острый угол в направлении, противоположном вращению шайбы 26. Первая косая шайба 21 соединена с корпусом 1 при помощи червячной передачи. 2 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Поршневой двигатель, содержащий корпус круглой цилиндрической формы, первую и вторую группы поршней с шатунами, размещенные в рабочих полостях с возможностью движения в противоположных направлениях, две подвижные шайбы, соединенные соответственно с шатунами первой и второй групп поршней, первую и вторую косые шайбы, установленные с возможностью взаимодействия с подвижными шайбами, вал и впускные и выпускные окна, выполненные в корпусе, отличающийся тем, что вал выполнен с радиусными проточками, образующими совместно с корпусом три рабочие полости некруглой цилиндрической формы, первая косая шайба выполнена неподвижной и кинематически связана с корпусом с возможностью разворота относительно второй косой шайбы, вторая косая шайба соединена с валом посредством введенной планетарной передачи с передаточным отношением, равным трем, солнечная шестерня которой выполнена на косой шайбе, водило соединено с валом, причем при положении одного из поршней второй группы в районе нижней мертвой точки, поршень первой группы, размещенный в той же рабочей полости, расположен в верхней мертвой точке, впускное окно смещено к второй косой шайбе, а выпускное окно смещено к первой косой шайбе и развернуто на угол относительно впускного окна. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что вторая косая шайба развернута относительно первой косой шайбы с возможностью образования острого угла в направлении, противоположном вращению вала. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что кинематическая связь первой косой шайбы с корпусом выполнена в виде червячной передачи.