ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F02B75/32 F02B41/02 

Область техники: поршневые машины, в частности двигатели внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное рабочего вала, преимущественно с двухрядным параллельным расположением цилиндров.

Уровень техники: известен двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом и крестообразным расположением цилиндров (см. авт.свид. СССР N118471, М. кл. F 01 B 9/02), содержащий корпус, два кривошипа, штоки, соединенные с поршнями и коленчатым валом, соединительный вал, синхронизирующий вращение кривошипов.

Недостатком этого двигателя являются большие размеры поперечного сечения, сложность коммуникаций и обслуживания из-за крестообразного расположения цилиндров, а также неудовлетворительная экономичность, присущая рабочему процессу с принудительным зажиганием рабочей смеси. Достоинством его является высокий механический КПД.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является двигатель внутреннего сгорания (см. патент России N2008478 C 1, F 02 B 75/32) с двухрядным параллельным расположением в корпусе цилиндров и бесшатунным механизмом преобразования движения, содержащим два коленчатых вала, установленных в соответствующих кривошипах, поршни, штоки, ползуны, соединительный вал с шестернями для синхронизации движения кривошипов и балансиры, движущиеся в плоскости осей кривошипов, причем кривошипы совместно работающих цилиндров развернуты друг относительно друга на угол, обеспечивающий смещение по фазе в движении поршней совместно работающих цилиндров.

К недостаткам двигателя следует отнести повышенные механические потери, увеличенные габариты поперечного сечения корпуса двигателя, а также сложность сборки и разборки.

Первый недостаток связан с наличием большого количества трущихся пар силового механизма и неравномерной нагруженностью силовых механизмом спаренных цилиндров, связанной со сдвигом по фазе в движении поршней. Второй недостаток связан с выходом балансиров за внешнюю боковую стенку цилиндров, дополнительно увеличенным и смещением центров тяжестей балансиров в те же сторону. Кроме того, расположение маховика на одном из кривошипов, со смещением от центра корпуса, также увеличивает размеры корпуса по ширине. Увеличение высоты корпуса двигателя связано с размещением соединительного вала в нижней части двигателя (ниже направляющих балансира).

Сложность сборки и разборки связана с малым расстоянием между балансирами соседних рядов цилиндров и их расположением в трудно доступном месте.

Достоинством двигателя являются высокая экономичность, связанная с использованием оптимальных параметров рабочего процесса, меньшие габариты и удельная масса в сравнении с аналогичными двигателями с кривошипно-шатунным механизмом.

Цель изобретения - устранение отмеченных недостатков, то есть повышение механического КПД, уменьшение габаритов и упрощение конструкции двигателя.

Указанная цель достигается тем, что в двигателе, содержащем корпус, по меньшей мере два цилиндра, надпоршневые пространства которых соединены перепускным каналом, свечу зажигания в одном из цилиндров, бесшатунный механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала с кривошипами и установленным в них концевыми шейками коленчатым валом, соединительным валом, синхронизирующим посредством шестерен взаимное положение кривошипов, поршнями, штоками, ползунами и балансиром, согласно изобретению коленчатый вал выполнен общим для спаренных цилиндров с жестким соединением каждой пары штоков с поршнями на одном ползуне, ось кривошипов смещена с оси цилиндра в сторону другого цилиндра на величину (0,48. . .0,52)А, где А - расстояние между осями цилиндров, а соединительный вал размещен у боковой стенки корпуса в зоне, непосредственно примыкающей к направляющим ползунов, соединенных с поршнями. Смещение центра тяжести балансира на величину (0,03...0,15)L, где L - длина балансира, с оси штоковой шейки выбрано с учетом положения соединительного вала для получения минимально возможной ширины корпуса.

Эффект снижения механических потерь связан с уменьшением количества пар трения и оптимальным характером их нагружения, учитывающим особенности осуществления рабочего процесса в совместно работающих цилиндрах при синхронном движении в них поршней. Уменьшение габаритов и упрощение конструкции связано с использованием схемы бесшатунного механизма с одним коленчатым валом, особенностью взаимного расположения осей кривошипа и соединительного вала, а также с уменьшением величины смещения центра тяжести балансира с оси штоковой шейки.

На фиг.1 изображен поперечный разрез четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания предлагаемой конструкции; на фиг.2 - разрез А - А на фиг. 1.

Двигатель содержит две пары цилиндров, расположенных вертикально двумя рядами 1 и 2 вдоль продольной оси корпуса. Два цилиндра, оси которых расположены в плоскости, перпендикулярной продольной оси корпуса, имеют камеры сгорания различного объема, соединенные перепускным каналом 3. Свеча зажигания 4 расположена в одной из камер сгорания. В корпусе расположен бесшатунный механизм преобразования движения, содержащий четыре поршня 5, четыре штока 6, два ползуна 7, коленчатый вал 8 с цапфами, коленами и щеками, балансир 9, кривошипы 10 и 11, шестерни 12 - 15 для синхронизации вращения кривошипов с помощью соединительного вала 16. На кривошипах 10 и 11 смонтированы противовесы 17. Балансир 9 снабжен горизонтально расположенными направляющими 18. Ползуны 7 снабжены вертикально расположенными направляющими 19. Каждый ползун 7 жестко соединен с двумя штоками 6. Ось кривошипов 10 и 11 смещена с оси цилиндра 1 в сторону оси 2 на величину (0,48 - 0,52)А, где А - межцилиндровое расстояние. Величина смещения обеспечивает минимальные потери трения ползунов 7 на направляющих 19, так как дополнительно учитывает перепад давлений в цилиндрах в процессе сгорания. Соединительный вал 16 установлен у боковой стенки корпуса в непосредственной близости от направляющей 19. Центр тяжести балансира 9 смещен с оси штоковой шейки коленчатого вала 8 в сторону противоположной боковой стенки корпуса.

В двигателе с совместно работающими цилиндрами могут быть реализованы различные способы организации рабочего процесса. Двигатель по одному из возможных способов работает следующим образом.

Рабочий процесс осуществляется в каждой паре цилиндров. В цилиндр 1 со свечой зажигания 4 подается от карбюратора (не показан) смесь в пределах устойчивого искрового зажигания. В цилиндр 2, с меньшим объемом камеры сжатия, подается смесь в пределах от обогащенного состава до чистого воздуха (переменного в зависимости от нагрузки). При синхронном движении поршней в цилиндрах 1 и 2 в процессе сжатия часть заряда цилиндра 2 перетекает через канал 3 в цилиндр 1 из-за разности объемов камер сжатия. Заряд цилиндра 1 после его воспламенения от свечи 4 интенсивно турбулизуется перетекающим зарядом, что обеспечивает быстрое и совершенное сгорание топлива в цилиндре 1. С развитием сгорания пламя в виде факела выбрасывается через канал 3 в камеру сгорания цилиндра 2. В результате обеспечиваются условия бездетонационной работы двигателя при высокой степени сжатия на низкооктановом топливе, а также обеднения смеси на режимах частичных нагрузок до коэффициента избытка воздуха α = 2,5. Для обеспечения минимальных потерь трения ползунов 7 на направляющих 19 ось кривошипов смещена с оси цилиндра 1 в сторону оси другого цилиндра на величину (0,58 - 0,62)А, где А - расстояние между осями цилиндров. Это смещение учитывает и возникающий перепад давлений между цилиндрами в процессе сгорания, составляющий не более 0,02 - 0,03 МПа. Процесс расширения газов осуществляется в обоих цилиндрах. Давление газов через поршни 5, штоки 6 и ползуны 7 передает усилие на штоковые шейки коленчатого вала 8 и далее на кривошипы 10 и 11, заставляя их вращаться. Часть мощности с переднего кривошипа 10 передается на кривошип 11 через шестерни 12 - 15 и соединительный вал 16, одновременно синхронизирующий взаимное положение кривошипов. Боковые усилия с поршней перенесены с поршней на ползуны 7 и балансир 9, работающие по направляющим 18 и 19 в условиях жидкостного трения. Массы балансира 9 и противовесов 17 выбраны таким образом, что полностью уравновешены силы инерции поступательно и вращательно движущихся масс силового механизма. А симметричное расположение пар совместно работающих цилиндров относительно балансира исключает появление неуравновешенного момента.

Использование схемы с одним коленчатым валом уменьшает число трущихся пар и при синхронном движении поршней позволяет повысить механический КПД на 7% в сравнении с прототипом, а новая совокупность взаимного положения оси кривошипов, соединительного вала и уменьшение смещения центра тяжести балансира с оси штоковой шейки уменьшает предельные поперечные размеры корпуса двигателя на 20%. Дополнительное преимущество заявляемого двигателя - упрощение сборки и разборки бесшатунного силового механизма.

Двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным силовым механизмом позволяет повысить механический КПД, уменьшить габариты и упростить конструкцию. В двигателе с двухрядным параллельным расположением спаренных цилиндров бесшатунный силовой механизм выполнен с одним коленчатым валом и с жестким соединением каждой пары штоков с поршнями на одном ползуне. Ось кривошипов смещена от оси цилиндра в сторону оси спаренного цилиндра на величину (0,48 - 0,52)A, где A - расстояние между цилиндрами. Для уменьшения поперечного размера двигателя соединительный вал размещен у боковой стенки корпуса в зоне, непосредственно примыкающей к направляющим ползунов, а центр тяжести балансира смещен с оси штоковой шейки на величину (0,03 - 0,15)L, где L - длина балансира. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания с двухрядным параллельным расположением в корпусе спаренных цилиндров, надпоршневые камеры которых соединены перепускным каналом, свечой зажигания в одной из камер, бесшатунным механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала с кривошипами и установленным в них концевыми шейками коленчатым валом, соединительным валом, синхронизирующим посредством шестерен взаимное положение кривошипов, поршнями, штоками, ползунами и балансиром, отличающийся тем, что, с целью снижения механических потерь и уменьшения габаритов двигателя, коленчатый вал выполнен общим для спаренных цилиндров с жестким соединением каждой пары штоков с поршнями на одном ползуне, ось кривошипов смещена с оси цилиндра в сторону оси спаренного цилиндра на величину (0,48 - 0,52)А, где А - расстояние между осями цилиндров, а соединенный вал размещен у боковой стенки корпуса в зоне, непосредственно примыкающей к направляющим ползунов. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что центр тяжести балансира смещен с оси штоковой шейки на величину (0,03 - 0,15)L, где L - длина балансира.