ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F01B13/04 F02B75/32 

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

Известен поршневой ДВС, содержащий цилиндры, расположенные вокруг и параллельно оси вала, поршни с шатунами, косую и качающуюся шайбы, установленные на центральном валу и связанные между собой при помощи механизма преобразования, снабженного направляющей в корпусе.

Качающаяся шайба установлена шарнирно относительно вала и косой шайбы и соединена с шатунами при помощи шаровых опор, а косая шайба жестко связана с валом [1]
Недостатками двигателя являются:
большой износ узла шарикового соединения качающейся шайбы и беговой дорожки корпуса вследствие значительного удельного давления по линии контакта между шариком и беговой дорожкой корпуса;
увеличенные габариты из-за наличия между цилиндрами опор вспомогательного вала.

Известен поршневой двигатель, содержащий размещенные в корпусе и расположенные параллельно оси вала поршни с шатунами, подвижную шайбу, соединенную с шатунами при помощи шаровых опор, косую шайбу и механизм газораспределения.

Корпусом, имеющим круглую цилиндрическую поверхность, и валом образованы несколько полостей некруглой цилиндрической формы, в которых размещены поршни с шатунами.

Подвижная шайба оперта на невращающуюся косую шайбу и шарнирно соединена с валом, имеющим две параллельные оси вала плоскости, при помощи шаровых или цилиндрических сегментов, зафиксированных в подвижной шайбе и опертых на указанные плоскости [2]
Недостатком двигателя является наличие больших центробежных сил от поршней на стенку корпуса, которые приводят к увеличению сил трения и, следовательно, к уменьшению механического КПД и ресурса двигателя.

Задачей изобретения является увеличение механического КПД и ресурса двигателя путем уменьшения центробежных сил от поршней на стенку корпуса.

Указанная задача достигается тем, что в известном поршневом двигателе, содержащем корпус круглой цилиндрической формы, образующий с валом несколько полостей некруглой цилиндрической формы, в которых размещены поршни с шатунами, подвижную шайбу, опертую на косую шайбу и соединенную с шатунами, и механизм газораспределения, содержащий впускное и выпускное окна, корпусом и валом образованы пять полостей некруглой цилиндрической формы, на косой шайбе, соединенной с корпусом через упорный и опорный подшипники, выполнена солнечная шестерня планетарной передачи с передаточным отношением, равным пяти, водило которой соединено с валом, а механизм газораспределения содержит два впускных и два выпускных окна.

Впускные и выпускные окна расположены соответственно в диаметрально противоположных направлениях.

Окна механизма газораспределения расположены вблизи верхней мертвой точки (ВМТ).

Одно из опор вала выполнена в косой шайбе в виде, например, подшипника скольжения.

На фиг. 1 дан общий вид предлагаемого двигателя; на фиг.2 сечение по А-А на фиг. 1; на фиг.3 сечение по В-В на фиг. 1 (корпус 2 не показан); на фиг.4 сечение по Г-Г на фиг.1; на фиг. 5 схема газораспределения (конец процесса сжатия полости 10); на фиг.6 сечение по Д-Д на фиг. 5; на фиг. 7 - схема газораспределения (конец процесса расширения полости 10); на фиг. 8 - сечение по Е-Е на фиг. 7; на фиг. 9 схема газораспределения (конец процесса выпуска полости 10); на фиг. 10 сечение по Ж-Ж на фиг. 9; на фиг. 11 схема газораспределения (конец процесса впуска полости 10); на фиг. 12 сечение по И-И на фиг. 11.

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

Вал, выполненный на участке 8 с пятью радиусными проточками 9 (фиг. 2), образует с корпусом пять полостей 10, 11, 12, 13, 14 некруглой цилиндрической формы, в которых размещены поршни 15 с шатунами 16. Шатуны 16 при помощи шаровых опор 17 соединены с подвижной шайбой 18, опирающейся на косую шайбу 19. Косая шайба 19 взаимодействует с корпусом через упорный 20 и опорный 21 подшипники. В ней также выполнен опорный подшипник 7 вала 5. Для предотвращения осевого смещения вала к нему крепится кольцо 22.

На участке 23 вала выполнены две параллельные плоскости, на которые опираются вкладыши 24 (фиг. 1, 3), зафиксированные в подвижной шайбе 18. Вкладыши имеют форму цилиндрических сегментов.

На торце вала 5 со стороны головки 3 выполнены уплотнительные элементы 25 (фиг. 2), которые замкнуты на уплотнительные элементы 26, идущие вдоль вала.

В стенке корпуса 1 выполнены два выпускных 27 и два впускных 28 окна, к которым присоединены соответственно выпускные 29 и впускные 30 патрубки. Окна могут располагаться также в головке 3.

В корпусе 2 размещается планетарная передача (фиг. 4) с передаточным отношением, равным пяти, состоящая из солнечной шестерни 31, выполненной заодно с косой шайбой 19, сателлитов 32, связанных через оси 33 с водилом 34, и шестерни 35, соединенной с корпусом 2. Водило 34 соединено с валом 5.

Двигатель работает следующим образом. При прокручивании вала 5 (от внешнего источника) он заставляет поршни 15 с шатунами 16 совершать вращательное движение. При этом, взаимодействуя с подвижной шайбой 18 через вкладыши 24, вал заставляет ее вращаться по поверхности косой шайбы 19. Вращаясь в наклонном положении, шайба 18 через шаровые опоры 17 придает поршням через шатуны 16 возвратно-поступательное движение вдоль оси двигателя.

Одновременно вал при помощи водила 34, сателлитов 32 и солнечной шестерни 31 планетарной зубчатой передачи вращает косую шайбу 19 с угловой скоростью, в пять раз превышающей угловую скорость вала 5; направления вращения вала 5 и косой шайбы 19 совпадают.

В результате сложения вращательных движений вала 5, подвижной шайбы 18 и косой шайбы 19 происходит продольно-вращательное движение поршней относительно оси двигателя, которое позволяет осуществлять четырехтактный цикл ДВС.

Рассмотрим рабочий цикл и схему газораспределения двигателя на примере одной полости, например полости 10 (фиг. 2).

На фиг. 5, 6 показан конец процесса сжатия рабочей смеси в полости 10.

Для наглядности верхняя точка косой шайбы 19, соответствующая положению поршня в ВМТ, обозначена буквой К. Угловые скорости вращения косой шайбы 19 и вала 5 обозначены через ω₁ и ω₂ соответственно.

После процесса расширения (конец рабочего хода) полость 10 повернется на 45^o (фиг. 7, 8). Одновременно косая шайба 19 повернется на 225^o, переведя поршень в полости 10 в НМТ. Приоткрывается выпускное окно 27.

После поворота вала еще на 45^o (фиг. 9, 10) завершается процесс выпуска; поршень оказывается в ВМТ,поскольку косая шайба повернулась на 450^o. Выпускное окно 27 закрывается, открывается впускное окно 28.

На фиг. 11, 12 показан процесс наполнения полости 10 рабочей смесью. Поршень находится в НМТ, впускное окно 28 закрывается. Еще через 45^o поворота вала происходит сжатие смеси.

Таким образом, при повороте вала на 180^o (фиг. 5-12) в полости 10 осуществляется рабочий цикл четырехтактного двигателя; при повороте вала на 360^o в этой полости осуществляется два рабочих цикла.

Аналогичные рабочие циклы совершаются в полостях 11, 12, 13, 14 через 72^o, 144, 216, 288^o соответственно.

Очевидно, что при повороте вала на 360^o всего в двигателе происходит 10 рабочих циклов. В прототипе при повороте вала на 360^o число рабочих циклов равно числу полости, т.е. от 2 до 5. Большее число полостей приведет к резкому уменьшению рабочего объема двигателя.

В предлагаемом двигателе число рабочих циклов за оборот вала превышает количество циклов прототипа в 2-5 раз.

Если условно привести оба сравниваемых двигателя при одинаковом рабочем объеме к одной мощности, т.е. одинаковому количеству рабочих циклов в единицу времени, то представляется возможным в предложенном двигателе уменьшить число оборотов вала как минимум в 2 раза, уменьшив тем самым центробежные силы от поршней и силы трения поршней о стенку корпуса в 4 раза (квадратичная зависимость).

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет за счет уменьшения центробежных сил и соответствующих сил трения поршней о стенку корпуса увеличить механический КПД и ресурс двигателя.

Использование: а области машиностроения. Сущность изобретения: содержит корпус круглой цилиндрической формы, образующей с валом пять полостей некруглой цилиндрической формы, в которых размещены поршни с шатунами. Подвижная шайба опирается на косую шайбу и соединена с шатунами. Косая шайба соединена с корпусом через упорный и опорный подшипники и на ней выполнена солнечная шестерня планетарной передачи с передаточным отношением,равным пяти, водило которой соединено с валом. Механизм газораспределения включает в себя два впускных и два выпускных окна, каждые из которых расположены диаметрально противоположно вблизи верхней мертвой точки. Одна из опор вала выполнена в косой шайбе в виде, например, подшипника скольжения. 3 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Поршневой двигатель, содержащий корпус круглой цилиндрической формы, образующий с валом несколько полостей некруглой цилиндрической формы, в которых размещены поршни с шатунами, подвижную шайбу, опертую на косую шайбу и соединенную с шатунами, и механизм газораспределения, содержащий впускное и выпускное окна, отличающийся тем, что корпусом и валом образованы пять полостей некруглой цилиндрической формы, косая шайба соединена с корпусом через упорный и опорный подшипники и на ней выполнена солнечная шестерня планетарной передачи с передаточным отношением, равным пяти, водило которой соединено с валом, окна механизма газораспределения выполнены в виде двух впускных и двух выпускных окон. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что впускные окна расположены диаметрально противоположно и выпускные окна также расположены диаметрально противоположно. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что окна механизма газораспределения расположены вблизи ВМТ. 4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что одна из опор вала выполнена в косой шайбе в виде, например, подшипника скольжения.