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

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

Уровень техники: известен двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом и крестообразным расположением цилиндров (см. авт.св. СССР N 118471, кл. F 01 B 9/02, 1958), 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 N 2008478, кл. F 02 B 75/32, 1994) с двухрядным параллельным расположением в корпусе спаренных цилиндров, надпоршневые камеры которых соединены перепускным каналом, 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 относительно друг друга на угол, обеспечивающий смещение по фазе в движении поршней совместно работающих цилиндров.

К недостаткам двигателя следует отнести увеличенные габариты поперечного сечения корпуса двигателя, несимметричность нагружения силового механизма, а также сложность разборки и сборки. Наиболее компактная конструкция двигателя может быть получена при числе цилиндров, кратном четырем. Попытка создания двух- или шестицилиндрового двигателя приводит к существенному увеличению удельной массы и габаритов из-за необходимости иметь избыточное количество балансиров ( в сравнении с четырехцилиндровым двигателем).

Первый недостаток определяется увеличением выхода балансиров в сторону внешней стенки корпуса, связанным со смещением центра тяжести балансира в ту же сторону, а также расположением маховика со смещением от центра корпуса (на ось одной из пар кривошипов). При этом увеличивается ширина корпуса. Увеличение высоты корпуса связано с размещением соединительного вала в нижней части двигателя (ниже направляющих балансиров).

Второй недостаток связан с тем, что последовательное нагружение поршней в цилиндрах вдоль оси коленчатого вала приводит к перекладке (перекосу) коленчатого вала в опорных подшипниках в кривошипах. Следствием может быть заклинивание концевых шеек коленчатого вала. Кроме того, силовые механизмы спаренных цилиндров нагружены неравномерно из-за сдвига по фазе в движении поршней.

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

Достоинством двигателя является высокая экономичность, связанная с особой формой организации рабочего процесса в спаренных цилиндрах, меньшие габариты и удельная масса в сравнении с аналогичными двигателями с кривошипно-шатунным механизмом.

Задача изобретения - устранение указанных недостатков, то есть упрощение конструкции, уменьшение габаритов и устранение возможности заклинивания силового механизма.

Указанная задача достигается тем, что в двигателе, содержащем корпус, по меньшей мере два параллельно расположенных цилиндра, надпоршневые камеры которых соединены перепускным каналом, свечу зажигания в одной из камер, бесшатунный механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала с кривошипами и установленным в них концевыми шейками коленчатым валом, соединительный вал, синхронизирующий посредством шестерен взаимное положение кривошипов, поршни, штоки, ползуны и балансир, согласно изобретению оси цилиндров, соединенных перепускным каналом, и ось кривошипов расположены в одной плоскости.

Упрощение конструкции связано с использованием рядной схемы двигателя вместо двухрядной и, следовательно, удобством доступа к элементам силового механизма. Уменьшение габаритов связано с возможностью устранения смещения центра тяжести балансира с оси штоковой шейки, расположения оси соединительного вала выше оси кривошипов у боковой стенки корпуса, совмещения оси маховика с продольной осью двигателя. Устранение возможности заклинивания бесшатунного силового механизма связано с одновременным, симметричным относительно балансира, нагружением шеек коленчатого вала усилиями совместно работающих цилиндров.

На фиг. 1 схематично изображен поперечный разрез двухцилиндрового двигателя внутреннего сгорания предлагаемой конструкции; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - поперечный разрез двухтактного двигателя предлагаемой конструкции с поршневым продувочным насосом.

Двигатель содержит по меньшей мере два цилиндра 1 и 2, оси которых параллельны. Надпоршневые камеры цилиндров различны по объему и соединены перепускным каналом 3. Свеча зажигания 4 расположена в одной из камер сгорания. Бесшатунный силовой механизм содержит два поршня 5, штоки 6 и 7, два ползуна 8, коленчатый вал 9 с концевыми и штоковыми шейками, коленами и щеками, балансир 10, кривошипы 11 и 12, шестерни 13 - 16 для синхронизации вращения кривошипов с помощью соединительного вала 17. Ползуны 8 и балансир 10 установлены с возможностью движения в направляющих корпуса, первые - вертикально, второй - горизонтально. На кривошипах 11 и 12 установлены противовесы 18. Оси цилиндров 1 и 2, а также кривошипов 11 и 12 расположены в одной плоскости.

Двухтактный двигатель, представленный на фиг. 3, содержит дополнительно продувочные 19 и выпускные 20 окна, продувочный насос 21. Балансир 10 состоит из ползунов, аналогичных ползуну 8, соединенному штоком 22 с поршнем продувочного насоса 23. Продувочный насос снабжен коробкой 24 впускных и продувочных пластинчатых клапанов. Продувочные окна 19 сообщены с коробкой 24 посредством канала 25.

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

В цилиндр 1 со свечей зажигания 4 подается от карбюратора (на чертеже 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 5 в процессе сжатия часть заряда цилиндра 2 перетекает через канал 3 в цилиндр 1 из-за разности объемов камеры 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. Процесс расширения газов осуществляется в обоих цилиндрах одновременно. Давление газов через поршни 5, штоки 6 и 7, ползуны 8 передает усилие на штоковые шейки коленчатого вала 9 и далее на кривошипы 11 и 12, заставляя их вращаться. Синхронизация движения кривошипов обеспечивается через шестерни 13 - 16 и соединительный вал 17. Боковые усилия с поршней 5 перенесены на ползуны 8 и балансир 10, работающие по направляющим корпуса в условиях жидкостного трения, что повышает механический КПД двигателя. Массы балансира 10 и противовесов 18 выбраны таким образом, что полностью уравновешиваются силы инерции поступательно и вращательно движущихся масс силового механизма. Благодаря одновременному, симметричному относительно балансира 10 (см. фиг. 2), нагружению штоковых шеек коленчатого вала 9 устраняется возможность перекоса коленчатого вала и заклинивания его концевых шеек в подшипниках кривошипов. Использование рядного расположения цилиндров и одновальной схемы силового механизма, в сравнении с прототипом, уменьшает габариты двигателя, удельную массу и упрощает конструкцию двигателя, его сборку и разборку. Дальнейшее упрощение конструкции может быть достигнуто при выполнении соединительным валом 17 дополнительных функций: распределительного вала и (или) вала привода топливного насоса. При этом на соединительном валу выполняются соответствующие кулачки привода клапанов и толкателей топливного насоса.

Двухтактный двигатель, представленный на фиг. 3, работает аналогичным образом, как и двигатель по фиг. 1 и 2. Отличия связаны с введением продувочных 19 и выпускных окон 20 в цилиндрах 1 и 2, а также наличием поршневого продувочного насоса 21. Продувочный насос в сравнении с кривошипно-камерной продувкой обеспечивает лучшее наполнение цилиндров, и, как следствие, более высокую удельную мощность. Отличительная особенность двигателя заключается в том, что, несмотря на подключение продувочного насоса (а следовательно, подвижных масс штока 22 и поршня продувочного насоса 23), масса подвижных частей двигателя в сравнении с аналогичными массами на фиг. 1 и 2 не увеличивается. В этом случае составляющими массы балансира 10, рассчитанной из условий уравновешивания сил инерции поступательно движущихся частей в рабочих цилиндрах, являются масса ползуна (аналогично ползуну 8), масса штока 6 и масса поршня продувочного насоса 23. То есть функция балансира возложена на ползун и поршень продувочного насоса 23, соединенные штоком 22. Всасывание воздуха в продувочный насос 21 и его подача к продувочным окнам осуществляются через коробку 24 впускных и продувочных пластинчатых клапанов. Последние клапаны подключены к продувочным окнам 19 рабочих цилиндров 1 и 2 через канал 25.

На фиг. 3 представлена схема продувочного насоса одностороннего действия. Но подобный насос может быть и двустороннего действия, когда в процессе сжатия используется как прямой, так и обратный ход продувочного насоса.

Использование предлагаемого двигателя, в сравнении с ближайшим аналогом, исключает возможность заклинивания силового механизма, уменьшает объемные габариты двухцилиндрового двигателя аналогичной размерности на 40%, а также существенно упрощает его сборку и разборку.

Двигатель внутреннего сгорания может быть использован в машиностроении. Двигатель содержит два параллельных спаренных цилиндра 1, 2, соединенных перепускным каналом 3. Оси цилиндров 1, 2 и ось кривошипов 11, 12 расположены в одной плоскости. Устраняется возможность заклинивания силового механизма, упрощается конструкция, уменьшаются габариты двигателя. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, по меньшей мере два параллельных цилиндра, надпоршневые камеры которых соединены перепускным каналом, свечу зажигания в одной из камер, бесшатунный механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала с кривошипами и установленным в них концевыми шейками коленчатым валом, соединительный вал, синхронизирующий посредством шестерен взаимное положение кривошипов, поршни, штоки, ползуны и балансир, отличающийся тем, что оси цилиндров, соединенных перепускным каналом, и ось кривошипов расположены в одной плоскости. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что соединительный вал снабжен кулачками для обеспечения возможности реализации им функции распределительного вала. 3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что к нему подключен поршневой продувочный насос, а балансир выполнен в виде ползуна, соединенного посредством штока с поршнем продувочного насоса для выполнения двигателя двухтактным.