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

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к конструкции преобразовательного механизма двигателя внутреннего сгорания.

Известен поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, выходной вал с двумя опорами, расположенными в корпусе, цилиндры с размещенными в них поршнями, оси которых параллельны оси выходного вала, и два механизма преобразования движения поршней во вращение вала, шарнирно закрепленные в корпусе с возможностью качания относительно оси, перпендикулярной оси вала.

Однако наличие неподвижно закрепленных в корпусе двигателя опор вала не позволяет использовать вал в качестве упругого элемента, способного ограничивать (демпфировать) ударные, пиковые нагрузки на детали механизма преобразования (МП). Эти нагрузки возникают в момент воспламенения топлива при расположении поршней вблизи верхней мертвой точки ВМТ, передаются на подшипники и другие детали МП, что приводит к снижению надежности и долговечности конструкции.

Цель изобретения повышение надежности.

Указанная цель достигается тем, что в поршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус, выходной вал с двумя опорами, расположенными в корпусе, цилиндры с размещенными в них поршнями, оси которых параллельны оси выходного вала, и механизм преобразования движения поршней во вращение вала, шарнирно закрепленный в корпусе с возможностью качания относительно оси, перпендикулярной оси вала, опоры вала выполнены с возможностью качания относительно оси, перпендикулярной оси вала, а МП выполнен заодно по меньшей мере с одной опорой. Другая опора вала может быть выполнена заодно с вторым МП или может быть выполнена в виде подшипника с наружной и внутренней обоймами, причем выходной вал установлен во внутренней обойме, а наружная обойма установлена в корпусе. Во втором варианте наружная обойма может иметь сферическую поверхность или устанавливаться в корпусе при помощи двух соосных цилиндрических шарниров.

Сущность изобретения заключается в том, что при таком устройстве опор вала и преобразовательного механизма становится возможным поддержание динамического равновесия между давлением газа в цилиндре и усилием в МП за счет изгиба вала. Величина прогиба вала тем больше, чем выше максимальное давление, которое развилось бы при отсутствии упругой деформации вала. Затем после прохождения точки Z на индикаторной диаграмме деформированный вал, выпрямляясь, возвращает аккумулированную энергию в цикл двумя способами: превращая ее в крутящий момент вала на МП или передавая энергию через поршни в газ рабочей камеры и тем самым повышая давление в цилиндре во время рабочего хода. Таким образом, наличие упругого звена в МП позволяет, не снижая степень сжатия до воспламенения, снизить P_Z сразу после вспышки топлива и замедлить снижение давления в цилиндре в начале рабочего хода за счет замедления расхождения поршней при выпрямлении вала. Следовательно, в предлагаемом устройстве достигается положительный эффект, который заключается в
ограничении максимального давления цикла при сохранении среднего давления;
снижении жесткости работы двигателя и механических нагрузок на его МП;
повышении надежности и ресурса двигателя за счет снижения ударной нагрузки на МП;
улучшении топливной экономичности на всех режимах работы двигателя за счет создания более благоприятных условий для протекания процесса сгорания - уменьшения скорости расхождения поршней вблизи внутренней мертвой точки ВМТ.

Для упрощения в дальнейшем активной называется опора вала в виде преобразовательного механизма, опирающегося на корпус двигателя, а пассивной - опора вала в виде подшипника, наружная обойма которого также закреплена в корпусе двигателя.

На фиг.1 и 2 даны схематические изображения двух вариантов предлагаемого двигателя, где на фиг.1 двигатель с противоположно движущимися поршнями и двумя одинаковыми преобразовательными механизмами в виде активных опор; на фиг. 2 пример четырехцилиндрового двигателя с одной активной опорой и одной пассивной опорой; на фиг.3 вариант выполнения пассивной опоры, аксонометрия; на фиг.4 двигатель с детальным изображением МП, разрез в плоскости вала; на фиг.5 разрез А-А на фиг.4.

Двигатель, показанный на фиг.1, состоит из двух цилиндров 1, двух пар противоположно движущихся поршней 2 и вала 3 с двумя наклонными кривошипами 4. На наклонных кривошипах установлены с возможностью вращения сферические вкладыши 5 с двумя противоположно направленными центрально-соосными стержнями 6, каждый из которых с помощью шарнира 7 соединен со штоком 8 соответствующего поршня 2. Вкладыши 5 наружной сферической поверхностью установлены в сферической полости корпуса 9 двигателя с возможностью поворота вокруг оси, пересекающей ось вала в точке O перпендикулярно плоскости, и вокруг оси O₁-O₁ стержней 6, проходящей также через точку O. Сферический вкладыш 5 со стержнями 6 и шарнирами 7 образует МП возвратно-поступательного движения поршней 2 во вращение вала 3 с помощью его наклонных кривошипов 4.

Двигатель работает следующим образом.

При воспламенении рабочей смеси в верхнем (по фиг.1) цилиндре 1 поршни 2, находящиеся в этот момент вблизи ВМТ, через штоки 8 и МП передают резко возрастающее давление газов на вал 3. В двух точках O подвески вала на него начинают действовать изгибающие моменты M₁ и M₂, в результате чего вал прогибается (вверх) и верхние поршни 2 несколько расходятся, уменьшая пиковое давление газов в цилиндре в этот момент. Однако давление остается достаточно высоким, чтобы под его действием производился рабочий ход поршней 2. При этом поршни 2 через шарниры 7 воздействуют на стержни 6 сферических вкладышей 5, вынуждая вкладыши поворачиваться в корпусе 9 вокруг точек O. Поскольку вкладыши 5 своими центральными отверстиями установлены на наклонных кривошипах 4, то вал 3 двигателя будет вращаться вокруг своей оси. Энергия, поглощенная валом 3 в момент упругой деформации вблизи ВМТ, затем частично преобразуется в дополнительный вращающий момент на валу двигателя, а оставшаяся часть (с учетом потерь на деформацию) возвращается в цикл при выпрямлении вала. При этом расходящиеся поршни 2 несколько притормаживаются в своем движении к наружной мертвой точке НМТ, способствуя поддержанию почти постоянного давления в начале рабочего хода. Дойдя до НМТ, поршни верхнего цилиндра повернут сферические вкладыши на полный их угол качания, соответствующий повороту вала на 180^o. В нижнем же цилиндре все описанные процессы происходят в противофазе.

Двигатель, изображенный на фиг.2, отличается от предыдущего двигателя тем, что работающие в четырех цилиндрах 10 поршни 11 соединены попарно на каждом из двух плеч одного преобразовательного механизма 12, аналогичного описанному. Он и является одной активной опорой вала 13. Второй опорой вала является подшипник 14, наружная поверхность внешней обоймы 15 которого выполнена сферической и установлена в сферической же полости корпуса 16 двигателя. Эта пассивная опора способна воспринимать крутящий момент, что позволяет валу 13 свободно деформироваться, изгибаясь между двух опор при появлении изгибающих сил на активной первой опоре.

На фиг.3 показан другой вариант выполнения пассивной опоры вала 17. Эта опора представляет собой подшипник 18, наружная обойма 19 которого имеет две соосные цапфы 20, установленные в корпусе 21 двигателя с возможностью качания вокруг оси, перпендикулярной плоскости, в которой лежат оси вала и всех цилиндров, и пересекающей ось вала. Работа активной и пассивной опор в данном примере аналогична описанной за исключением того, что особенность пассивной опоры с цапфами позволяет изгибаться валу только в плоскости осей цилиндров и вала.

Двигатели на фиг.1-3 изображены схематично, так как могут существовать разные варианты выполнения МП и пассивной опоры.

Конкретным примером выполнения МП может служить следующий пример. На фиг. 4 представлена конструкция двигателя, у которого двумя опорами вала являются МП, каждый из которых содержит качающуюся шайбу 22 с двумя центрально-соосными цапфами 23, установленными в опорах 24 двуплечего рычага 25 с возможностью вращения вокруг оси O₂-O₂. Качающаяся шайба 22 своим подшипником 26 установлена на наклонном кривошипе 27 вала 28 двигателя, так что наклонный кривошип может свободно вращаться вокруг своей оси внутри качающейся шайбы. Двуплечий рычаг 25 на своих центрально-соосных цапфах 29 может качаться в опорах 30 корпуса 31 двигателя вокруг оси O₃-O₃, перпендикулярной оси вала и плоскости цилиндров. Оси вала 28, наклонного кривошипа 27, цапф 23 качающейся шайбы и цапф 29 двуплечего рычага пересекаются в одной точке K. Двуплечий рычаг 25 каждым своим плечом 32 с помощью пальца 33 соединен шарнирно со штоком 34 соответствующего поршня 35, движущегося в цилиндре 36. Концы вала 28 уплотнены эластичными уплотнениями 37. На одном из концов вала закреплен маховик 38.

Работа данной конструкции полностью аналогична работе устройства по фиг. 1. При этом двуплечий рычаг 25, получая касательное движение вокруг оси O₃-O₃ от возвратно-поступательно движущихся поршней 35, качает вокруг этой оси и качающуюся шайбу 22, которая через подшипник 26 воздействует на наклонный кривошип 27 вала 28 двигателя и вращает этот вал вокруг его оси. Мертвые точки преобразовательного механизма проходятся за счет инерции маховика 38.

По сравнению с прототипом в предлагаемом двигателе обеспечивается относительно низкий уровень максимальных нагрузок на детали преобразовательного механизма, особенно на быстро изнашивающиеся пары трения (подшипники, шарниры и т. п.), что повышает надежность и ресурс МП и двигателя в целом. Уменьшение нагрузок на МП позволяет значительно снизить вес двигателя и применить композиционные материалы. Кроме этого, достигнутое в результате снижения механических потерь и оптимизации процесса сжигания топлива повышение КПД улучшает топливную экономичность на всех скоростных режимах работы двигателя.

Использование: в двигателестроении. Сущность изобретения: в двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус, выходной вал с двумя опорами, расположенными в корпусе, цилиндры с размещенными в них поршнями, оси которых параллельны оси выходного вала, и механизм преобразования движения поршней во вращение вала, шарнирно закрепленный в корпусе с возможностью качания относительно оси, перпендикулярной оси вала, с целью повышения надежности опоры вала выполнены с возможностью качания относительно оси, перпендикулярной оси вала, а механизм преобразования выполнен заодно по меньшей мере с одной опорой. Другая опора вала может быть выполнена заодно с вторым механизмом преобразования или может быть выполнена в виде подшипника с наружной и внутренней обоймами, причем выходной вал установлен во внутренней обойме, а наружная обойма установлена в корпусе. Во втором варианте наружная обойма может иметь сферическую поверхность или устанавливаться в корпусе при помощи двух соосных цилиндрических шарниров. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, выходной вал с двумя опорами, расположенными в корпусе, цилиндры с размещенными в них поршнями, оси которых параллельны оси выходного вала, и механизм преобразования движения поршней во вращение вала, шарнирно закрепленный в корпусе с возможностью качания относительно оси, перепендикулярной оси вала, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, опоры вала выполнены с возможностью качания относительно оси, перпендикулярной оси вала, а механизм преобразования выполнен заодно по меньшей мере с одной опорой. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что другая опора вала выполнена в виде подшипника с наружной и внутренней обоймами, причем выходной вал установлен во внутренней обойме, а наружная обойма установлена в корпусе. 3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что наружная обойма установлена в корпусе при помощи двух соосных цилиндрических шарниров. 4. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что поверхность наружной обоймы выполнена сферической.