ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F02B75/32 F01B9/06 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания.

Известны двигатели внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом, в котором радиус кривошипа равен половине хода поршня или несколько меньше половины хода поршня при смещении плоскости движения оси поршневого пальца от оси кривошипа (Ховард М.С. Автомобильные двигатели. - М.: Машиностроение, 1977, с. 3371). Однако эти двигатели имеют невысокое значение КПД из-за больших механических потерь при высоких скоростях движения поршня, нагруженности пары трения поршень-зеркало цилиндра, сложности рабочих процессов в камерах сгорания за счет оперативного изменения нагрузок на поршень, изменения его скорости, жесткой зависимости между фазами рабочего цикла в цилиндре и угловыми перемещениями кривошипа.

Известен двигатель внутреннего сгорания (JP, патент, 930223, кл. F 02 B 75/32, 1994), содержащий картер, закрепленный на нем цилиндр, в котором установлен поршень, ось коленчатого вала наклонена в направлении радиуса цилиндра относительно осевой линии сверления цилиндра.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий картер, закрепленный на нем цилиндр, установленный в нем поршень и механизм преобразования возвратно-поступательного движения с валом (SU, патент, 12168, кл. F 02 B 75/26, 1929). Данное устройство взято за ближайший аналог.

Недостатком ближайшего аналога является неполный рычаг воздействия поршня на кривошипно-шатунный механизм из-за несовершенства кинематической схемы последнего.

Технической задачей изобретения является разработка двигателя внутреннего сгорания с высоким КПД за счет прямого преобразования возвратно-поступательного движения поршня со штоком во вращение маховика с рычагом воздействия от 1,5 хода поршня и более, а также повышение удельных показателей двигателя: уменьшение выбросов токсичных продуктов сгорания, повышение теплового КПД, уменьшение коэффициента трения, улучшение параметра удельного веса.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в формуле изобретения.

Согласно п. 1 формулы изобретения в двигателе внутреннего сгорания, содержащем признаки, общие с прототипом: картер, закрепленный на картере цилиндр, поршень, размещенный в цилиндре, и механизм преобразования возвратно-поступательного движения с валом, имеются существенные отличительные признаки, такие как механизм преобразования снабжен маховиком, установленным на валу, ось вращения которого перпендикулярна оси цилиндра, причем на боковой поверхности маховика выполнен канал ромбовидной формы, при этом шток поршня имеет диаметрально расположенные посадочные гнезда для шариков подшипников качения, установленных с одной стороны в канал маховика, а с другой стороны в опорной направляющей, размещенной на картере.

Использование маховика с ромбовидной формой канала позволяет: нагружать детали поршневой группы и маховика в основном пульсирующими нагрузками, что увеличивает прочностные свойства материала этих деталей; получить более высокое значение крутящего момента за оборот маховика; снизить инерционные нагрузки на детали двигателя.

Конструкция штока с посадочными гнездами, в которых установлены шарики подшипников качения, позволяет преобразовать возвратно-поступательное движение поршня во вращение маховика, при этом опорная направляющая препятствует отклонению шарикам подшипников качения (их центров) из плоскости, на которой находится ось цилиндра, совмещенные оси маховика и вала двигателя. За один оборот вала поршень может совершать два возвратно-поступательных движения, причем можно изменять скоростную характеристику прохождения поршня в цилиндре от линейной до гиперболической, изменяя форму канала на боковой поверхности маховика.

В п. 2 формулы изобретения характеризуется особенность выполнения маховика, а именно маховик выполнен радиусом больше величины рабочего хода поршня в цилиндре. Это позволяет увеличить рычаг воздействия штока поршня на вал относительно прототипа как минимум в 3 раза.

Согласно п. 3 формулы изобретения раскрывается особенность размещения штока и посадочных гнезд на нем, а именно на штоке посадочные гнезда удалены от поршня на расстояние больше величины рабочего хода поршня, при этом величина расстояния, отделяющего шток от маховика и от опорной направляющей, равна 1/4 диаметра шарика подшипника качения. Такая конструкция позволяет прямо преобразовать возвратно-поступательное движение штока поршня во вращение маховика без значительных потерь на трение.

В п. 4 формулы изобретения характеризуется выполнение опорной направляющей, а именно в опорной направляющей выполнен канал в форме прямолинейного желоба и длиной больше величины рабочего хода поршня. Такая конструкция способствует преобразованию возвратно-поступательного движения штока поршня во вращение маховика.

В п. 5 формулы изобретения нашла отражение особенность размещения опорной направляющей, а именно ось канала опорной направляющей находится в плоскости, на которой расположены ось цилиндра и ось маховика, причем ось канала опорной направляющей и ось цилиндра перпендикулярны оси маховика. Расположение оси цилиндра и оси прямолинейного канала опорной направляющей перпендикулярно рабочей оси вала двигателя и позволяет изменять скоростную характеристику прохождения поршня в цилиндре, увеличить рычаг воздействия штока поршня на маховик.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволяет установить соответствие критерию "новизна".

При изучении других, известных технических решений в данной области техники, признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлен двигатель (разрез Б-Б на фиг. 2), на фиг. 2 изображен разрез по А-А фиг. 1. В таблице приведены фазы прохождения поршня в цилиндре, при величине хода поршня, равной 50 км, двигателя с кривошипно-шатунным механизмом, рычаг которого 0,5 хода поршня и рассматриваемого двигателя, а также соответствующие им угловые положения кривошипа и маховика соответственно.

Двигатель (фиг. 1, 2) состоит из картера 1с закрепленным на нем цилиндром 2, в котором установлен поршень 3 со штоком 4. В картере 1 размещен вал 5 с маховиком 6, имеющие общую ось вращения. На боковой поверхности маховика 6 размещен ромбовидной формы канал 7. В штоке 4 имеются посадочные гнезда 8 для установки шариков подшипников качения 9, которые соединяют шток 4 с маховиком 6 и опорной направляющей 10, последняя имеет канал 11 в форме прямолинейного желоба и длиной больше величины рабочего хода поршня, укреплена на картере 1.

Радиус маховика 6 выполнен больше величины рабочего хода поршня.

Расстояние, отделяющее шток 4 от маховика 6, а также шток 4 от опорной направляющей 10, равно 1/4 диаметра шарика подшипника качения 9, а посадочные гнезда 8 шариков подшипников качения 9, расположенные на штоке 4, удалены от поршня 3 на расстояние больше величины рабочего хода поршня 3. Ось канала 11 опорной направляющей и центры шариков подшипников качения 9 расположены в плоскости, на которой находятся оси цилиндра 2 и маховика 6, при этом оси цилиндра 2 и канала опорной направляющей 11 перпендикулярны оси маховика 6.

Двигатель работает следующим образом.

Рассмотрим общий случай (фиг 1, 2), когда поршень 3 находится в нижней мертвой точке цилиндра 2. Маховик 6 установлен в положении, при котором ромбовидной формы канал 7 и установленный в нем шарик подшипника качения 9 максимально приближены к оси вращения маховика 6. При вращении маховика 6 по часовой стрелке ромбовидной формы канал 7 перемещает шарик подшипника качения 9, установленного в посадочное гнездо 8 штока 4, при этом шток 4 и закрепленный на нем поршень 3 перемещаются к верхней мертвой точке. При достижении поршня 3 верхней мертвой точки заканчивается процесс сжатия горючей смеси в цилиндре 2, поршень 3 под воздействием расширяющихся продуктов сгорания переместится к нижней мертвой точке, при этом шток 4, воздействуя на ромбовидной формы канал 7 через шарик подшипника качения 9, поворачивает маховик 6 по часовой стрелке. Когда поршень 3 займет положение в нижней мертвой точке, маховик 6 повернется на 180^o. За счет накопленной кинетической энергии, при прохождении поршня 3 от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки, маховик 6 начинает воздействовать на шток 4, через шарик подшипника качения 9, при этом поршень 3 с нижней мертвой точки перемещается к верхней мертвой точке. Процесс повторяется.

Для снижения коэффициента трения в штоке 4 имеются посадочные гнезда 8 для шариков подшипников качения 9, причем основание посадочного гнезда имеет форму квадрата, сторона которого равна величине 3/4 радиуса шарика подшипника качения 9, с соединением сторон в сомкнутый свод, при этом линия сопротивления шарика подшипника качения с посадочным гнездом выглядит в проекции на основание квадрата посадочного гнезда в виде креста, делящего квадрат на четыре равных квадрата. Такой профиль посадочного гнезда обеспечивает постоянное поступление смазки на все линии соприкосновения через углы основания квадрата по граням сторон посадочного гнезда. Для предотвращения отклонения центра шарика подшипника качения 9 из плоскости, в которой лежат оси цилиндра и маховика, установленного со стороны маховика 6 в шток 4, с противоположной стороны последнего в посадочное гнездо установлен шарик подшипника качения 9, который удерживает в прямолинейном канале 11 опорной направляющей 10, при этом совершает возвратно-поступательное движение по прямолинейному каналу 11 на величину расстояния рабочего хода поршня 3 и устраняет осевое вращение поршня 3 и штока 4.

Предлагаемая кинематическая схема двигателя позволяет: увеличить начальную скорость поршня, увеличить тепловое КПД за счет снижения теплоотдачи расширяющихся продуктов сгорания на цилиндр, из-за уменьшения зоны верхней мертвой точки в цилиндре применив канал ромбовидной формы; улучшить параметр удельного веса двигателя; сократить износ и увеличить долговечность цилиндра и уплотнительных колец; снизить коэффициент трения.

Из вышеперечисленного следует, что данный двигатель имеет многократное увеличение мощности по сравнению с двигателем с кривошипно-шатунным механизмом при условии равного соотношения объема цилиндра и рабочего хода поршня.

Двигатель внутреннего сгорания может быть использован в двигателестроении. Механизм преобразования снабжен маховиком (6), установленным на валу (5), ось которого перпендикулярна оси цилиндра (2). На боковой поверхности маховика (6) выполнен канал ромбовидной формы. В штоке (4) выполнены посадочные гнезда (8) для установки шариков подшипников качения (9), установленных с одной стороны в канал (7) маховика, а с другой стороны - в опорной направляющей, размещенной на картере. Повышается КПД, улучшаются удельные показатели двигателя. 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий картер, закрепленный на нем цилиндр, установленный в нем поршень и механизм преобразования возвратно-поступательного движения с валом, отличающийся тем, что механизм преобразования снабжен маховиком, установленным на валу, ось которого перпендикулярна оси цилиндра, причем на боковой поверхности маховика выполнен канал ромбовидной формы, при этом шток поршня имеет диаметрально расположенные посадочные гнезда для шариков подшипников качения, установленных с одной стороны в канал маховика, а с другой стороны в опорной направляющей, размещенной на картере. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что маховик выполнен с радиусом больше величины рабочего хода поршня. 3. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что посадочные гнезда на штоке удалены от поршня на расстояние больше величины рабочего хода поршня, при этом расстояние, отделяющее шток от боковой поверхности маховика, а также шток от опорной направляющей, равно 1/4 диаметра шарика подшипника качения. 4. Двигатель по пп.1 - 3, отличающийся тем, что в опорной направляющей выполнен канал в форме прямолинейного желоба и длиной больше величины рабочего хода поршня. 5. Двигатель по пп. 1 - 4, отличающийся тем, что ось канала опорной направляющей и центры шариков подшипников качения расположены в плоскости, на которой находится ось цилиндра и ось маховика, причем ось цилиндра и ось канала опорной направляющей перпендикулярны оси маховика.