БЕСШАТУННЫЙ ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК F01B1/08 F01B9/02 F02B75/24 F02B75/32 

Изобретение относится к бесшатунным поршневым двигателем. Известны бесшатунные двигатели (Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания. С. С.Баландин, М.: Машиностроение, 1968 г., с. 9, 14), состоящие из корпуса, цилиндров, расположенных Y-образно и X-образно, звездообразно или под различными углами относительно друг друга, поршни и штоки с преобразующим механизмом не совершают угловых качаний. Преобразующий механизм основан на кинематике "точного прямила" и два поршня жестко соединены со штоком, действующим на коленчатый вал, который вращается в кривошипах с зубчатыми венцами.

Недостатками устройства являются: необходимое количество цилиндров, кратное четырем; значительный осевой габарит; несоосное расположение цилиндров; наличие коленчатого вала и сложного по конструкции и технологии изготовлению механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное; невозможность регулирования степени сжатия.

Известна поршневая машина с бесшатунным преобразованием возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала (авт. св. 1771513, кл. F 01 B 9/02), содержащая корпус с оппозитно расположенными цилиндрами, в которых размещены двухпоршневые штоки, без крейцкопфных направляющих, связывающие поршни с шейками коленчатого вала, выполненного из двух и более частей, и каждая часть которого смонтирована в отдельной эксцентричной втулке с возможностью соосного вращения всех втулок в корпусе в противоположных друг другу направлениях, и связанных с зубчатыми колесами и выходным валом; шарнирная муфта жестко связана с двухпоршневым штоком, установленным с возможностью возвратно-поступательного движения в цилиндрах, расположенных под прямым углом к другим цилиндрам.

Недостатками устройства являются: наличие коленчатого вала эксцентричных втулок, шарнирной муфты, зубчатых колес, выходного вала, т.е. сложного по конструкции и изготовлению преобразующего механизма; большая металлоемкость конструкции; необходимое количество цилиндров, кратное четырем; работа на определенном виде топлива; невозможность регулирования сжатия в цилиндрах.

Известно устройство бесшатунного поршневого двигателя (патент Германии (DE) N 902925, кл, F 02 B 75/32, 1954 г.), содержащего корпус, расположенные рядно и/или оппозитно цилиндры, поршни, размещенные в цилиндрах с образованием рабочих камер, жестко соединенные с поршнями штоки, маховик, противовес, редуктор и кривошип с опорной и штоковой шейками и щекой, кинематически связанной с поршнями посредством кулисного механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала, включающий кулису, жестко соединенную с перпендикулярно расположенными к ней штоками, и кулисный камень, размещенный в кулисе и имеющий отверстие, в котором с возможностью вращения расположена штоковая шейка кривошипа.

Недостатками устройства являются: невозможность регулирования степени сжатия; не используются цилиндры двустороннего действия; не используется двигатель в качестве двигателя-компрессора; невозможность регулирования степени сжатия в камерах цилиндров двустороннего действия.

Целью данного изобретения является создание двигателя с изменяемой степенью сжатия рабочей смеси; двигателя-компрессора; двигателя, в котором компрессорная камера цилиндра служит для наддува воздуха в камеры сгорания; уменьшение осевыми габаритами; упрощение конструкции; снижение металлоемкости; улучшение технологичности изготовления и обслуживания; уменьшение токсичности отработавших газов; повышение надежности за счет снижения трения в цилиндрах; исключение трения поршней о цилиндры; повышение удельной мощности двигателя.

Для достижения данной цели устройство содержит корпус, расположенные рядно и/или оппозитно цилиндры, поршни, размещенные в цилиндрах с образованием рабочих камер: камер сгорания и/или компрессорных камер, жестко соединенные с поршнями штоки. Штоки посредством гайки с зажимом жестко закреплены под прямым углом к кулисе. Кулиса перемещается возвратно-поступательно в ползунах. Внутри кулисы размещен кулисный камень с отверстием, в которое вставляется штоковая шейка кривошипа с возможностью вращения. Штоковая шейка жестко закреплена к ползуну, находящемуся в пазу щеки кривошипа. В этом же пазу расположен противовес. Ползун и противовес посредством винтовых передач левого и правого вращения кинематически связаны с выходным валом червячного редуктора, приводимого во вращение электродвигателем, который установлен внутри опорной шейки кривошипа. На торце опорной шейки закреплен маховик, служащий для создания момента инерции для вывода поршня (поршней) из мертвых точек. На маховике установлены токосъемные кольца для подключения электродвигателя. Жестко связанные поршень-шток-кулиса движутся возвратно-поступательно без перекоса поршня (поршней). Для повышения удельной мощности применяются цилиндры двустороннего действия, расположенные рядно и/или оппозитно с двумя рабочими камерами (камерами сгорания) - над поршнем и под поршнем. Каждая камера снабжена механизмами, обеспечивающими процесс сгорания топлива по 4- тактному циклу, а именно: газораспределения (впускной, выпускной клапаны и трубопроводы) зажигания (свеча зажигания для бензиновых или газобаллонных двигателей); форсункой (для дизелей и газодизелей).

При использовании цилиндра (цилиндров) двустороннего действия рабочая камера под поршнем используется в качестве компрессора. В этом случае компрессорная камера оснащена впускным и выпускным клапанами, через которые воздух подается в корректирующий воздушный резервуар, позволяющий сохранять и распределять воздух под необходимым давлением.

В варианте использования цилиндров двустороннего действия с наддувом для повышения удельной мощности воздух из воздушного корректирующего резервуара подается в камеры сгорания над поршнями, что увеличивает наполнение цилиндров.

На фиг. 1 изображено устройство бесшатунного поршневого двигателя с цилиндром (цилиндрами) одностороннего действия.

На фиг. 2 изображено устройство бесшатунного поршневого двигателя с цилиндрами двустороннего действия.

На фиг. 3 изображено устройство бесшатунного двигателя с цилиндрами двустороннего действия с камерой сгорания и компрессорной камерой.

На фиг.4 кинематическая схема работы бесшатунного поршневого двигателя.

На фиг. 5 компоновочные схемы бесшатунных поршневых двигателей: а) одноцилиндровый; б) одноцилиндровый двустороннего действия; в) двухцилиндровый с рядным расположением цилиндров; г) двухцилиндровый двустороннего действия с рядным расположением цилиндров; д) двухцилиндровый двустороннего действия с оппозитным расположением цилиндров; е) двухцилиндровый с оппозитным расположением цилиндров; ж) четырехцилиндровый двустороннего действия с оппозитным расположением цилиндров; и) четырехцилиндровый оппозитный двигатель.

На фиг.6 функциональная схема.

Устройство (фиг.1), содержащее корпус 1 с неподвижно установленным в нем цилиндром (цилиндрами) 2, внутри которого находится поршень 3, который закреплен на штоке 4. Второй конец штока посредством гайки с зажимом 5 крепится к кулисе 6. Внутри кулисы находится кулисный камень 7, с отверстием, в которое установлена штоковая шейка 8 кривошипа 9 с возможностью вращения. Штоковая шейка жестко крепится к ползуну 10, который вместе с противовесом 11 находится в пазу щеки кривошипа 9 с возможностью поступательного движения в нем. Ползун 10 и противовес 11 посредством винтовых передач связаны с червячным редуктором 12, находящимся на валу электродвигателя 13, размещенного внутри опорной шейки 14 кривошипа 9. На торце опорной шейки 14 кривошипа 9 крепится маховик 15 с токосъемными кольцами 16 для подключения электродвигателя 13. На цилиндре (цилиндрах) 2 установлена головка 17 с механизмами газораспределения, зажигания и/или впрыска топлива и датчиком давления 18. Жесткая система поршень 3 - шток - 4 - кулиса 6 совершает возвратно-поступательные движения в ползунах 19 корпуса 1.

Устройство (фиг.2) содержит цилиндры 2 двустороннего действия, расположенные рядно и/или оппозитно с камерами сгорания над поршнем 24 и под поршнем 25; обе эти камеры имеют головки 17 и 26 с механизмами газораспределения, зажигания и/или впрыска топлива, датчик давления 18 установлен на головке 17.

Устройство (фиг. 3) оснащается цилиндрами 2 двустороннего действия, расположенными рядно и/или оппозитно с камерой сгорания 24 над поршнем 3 и компрессорной камерой 23 под поршнем 3. Головка 27 компрессорной камеры 23 имеет впускной 20 и выпускной 21 клапаны. Воздух под давлением поступает в воздушный корректирующий резервуар 22 с трубопроводами для распределения воздуха.

Работает двигатель (фиг. 1) следующим образом: в зависимости от применяемого вида топлива устанавливается необходимая степень сжатия в цилиндре. Штоковая шейка 8 с ползуном 10 устанавливается на необходимом расстояния (для данного вида топлива) от оси опорной шейки 14 кривошипа 9. Под давлением газов в цилиндре 2 поршень 3 через шток 4 перемещает кулису 6 в ползунах 19. В этом время кулисный камень 7 совершает возвратно-поступательное движение внутри кулисы 6, а штоковая шейка 8 кривошипа 9 вращается по часовой стрелке (положение А, Б, В, Г) (фиг.4), преобразуя возвратно-поступательное движение кулисного камня 7 кулисы 6 во вращательное движение кривошипа 9.

Движение поршня (фиг.4) от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ) и обратно соответствует движениям кулисного камня 7 и кулисы 6 соответственно из среднего и верхнего положения (А), через крайнее правое и среднее положение (Б), через среднее и нижнее положение (Г) до исходного положения (А). Маховик 15 по своим параметрам выбирается таким образом, чтобы момент инерции маховика (15) позволял выводить поршень 3 из ВМТ и НМТ.

При перемене вида топлива в двигателе необходимо изменять степень сжатия топливной смеси, что достигается корректированием с пульта управления положения ползуна 10 и противовеса 11 штоковой шейки 8. Изменение хода кулисного камня 7, кулисы 6 изменяет ход поршня, а контролируется величина степени сжатия с помощью датчика давления 18 через пульт управления следующим образом.

Информация от датчика давления 18 через пульт управления запускает электродвигатель 13, который посредством червячного редуктора 12 и винтовой передачи преобразует вращение вала электродвигателя 13 в поступательное движение ползуна 10 со штоковой шейкой 8 и противовеса 11, что приводит к изменению радиуса вращения штоковой шейки 8 относительно оси вращения опорной шейки 14. При этом изменение радиуса вращения штоковой шейки 8 ведет к изменению хода поршня 3 (поршней).

При работе двигателя (фиг.3), оснащенного цилиндрами 2 двустороннего действия, камера сгорания 24 над поршнем с головкой 17, оснащенной механизмами газораспределения, зажигания и/или впрыска топлива и датчиком давления 18, работает по 4-тактному циклу; камера 23 под поршнем 3 работает как компрессор: при положении поршня 3, близком к ВМТ, всасывается атмосферный воздух через впускной клапан 20, головки 27, затем поршень 3 сжимает эту порцию воздуха, двигаясь в ВМТ, и подает ее через выпускной клапан 21 головки 27 в воздушный корректирующий резервуар 22, оснащенный трубопроводами и механизмами для распределения сжатого воздуха под необходимым давлением: для наддува воздуха в камеры сгорания 24 самого двигателя; пневматическим машинам - орудиям; к пневматическим сервисным механизмам.

При работе двигателя, оснащенного цилиндрами 2 двустороннего действия (фиг.2) с двумя камерами сгорания над поршнем 24 и под поршнем 25 с головками 17 и 26, имеющими механизмы газораспределения, зажигания и/или впрыска топлива и датчиком давления 18 в головке 17. Обе камеры сгорания работают по 4-тактному циклу.

При работе двигателя, оснащенного цилиндрами 2 двустороннего действия, расположенными рядно и/или оппозитно, определенное (расчетное) количество цилиндров имеет две камеры сгорания 24 и 25, а определенное расчетное количество цилиндров с камерой сгорания 24 над поршнем 3 и компрессорной камерой 23 под поршнем.

Оптимальная степень сжатия топливной смеси в камере сгорания 24 цилиндра и воздуха в компрессорной 23 достигается изменением длины штока посредством гайки 5 с зажимом.

Предлагаемое устройство имеет по сравнению с известными двигателями следующие преимущества:
- двигатель использует различные виды топлива, т.к. система регулирования степени сжатия гарантирует бездетонационную работу двигателя с расчетной мощностью и экономичностью и улучшает экологичность отработавших газов;
- для увеличения удельной мощности применяются цилиндры двустороннего действия, одну из камер сгорания которых можно отключать для экономичной работы двигателя на режимах, не требующих максимальной мощности, или использовать в качестве компрессора для увеличения мощности двигателя (в качестве наддува) или для обеспечения сжатым воздухом пневматических орудий - (в качестве двигателя - компрессора);
- конструкция двигателя имеет малый осевой габарит, позволяет располагать цилиндры в ряд и оппозитно, в цилиндропоршневой группе полностью отсутствует трение поршней о цилиндры, следовательно ресурс двигателя не лимитируется состоянием цилиндропоршневой группы;
- простота конструкции двигателя сокращает время техобслуживания и ремонта;
- способ крепления штоков к кулисе позволяет изменением длины штока корректировать соотношение объемов камер сгорания в цилиндрах двустороннего действия, а в момент обрыва одного из поршней движущиеся части преобразующего механизма не контактируют с корпусом и не разрушают его;
- возможность установки цилиндров одно - или двустороннего действия, а также их расположения в ряд или оппозитно, открывает широкий диапазон применения двигателей от легких машин до судовых двигателей.

Библиография:
1. Баландин С.С. Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1968 г.

2 Авт.св. 1771513, кл. F 01 B 9/02
3. Патент Германии (DE) N 902925, кл. F 02 B 75/32

Двигатель предназначен для использования в качестве ДВС, в том числе бесшатунных. Двигатель содержит цилиндры и ползуны. В каждом цилиндре размещен поршень со штоком, перпендикулярным корпусу кулисы, в котором размещен кулисный камень. В ползунах возвратно-поступательно перемещается кулиса, в отверстии кулисного камня вставляется штоковая шейка кривошипа с возможностью вращения в нем. Ползун и противовес кинематически связаны с редуктором и электродвигателем, размещенными внутри опорной шейки кривошипа. Цилиндры двустороннего действия содержат или две камеры сгоранияб или камеру сгорания и компрессорную камеру, служащую для обеспечения наддува двигателя или работающую в режиме компрессора. Изменение степени сжатия и использование цилиндров двустороннего действия делают двигатель многотопливным, с высокой удельной мощностью. Универсальность, многотопливность, надежность, простота и технологичность сборки, обслуживания и ремонта обеспечивают широкий диапазон применения двигателя. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Бесшатунный поршневой двигатель, содержащий корпус, содержащий корпус, расположенные рядно и/или оппозитно цилиндры, поршни, размещенные в цилиндрах с образованием рабочих камер, жестко соединенные с поршнями штоки, маховик, кривошип с опорной и штоковой шейками и щекой, кинематически связанный с поршнями посредством применения кулисного механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращение вала, включающего кулису, соединенную с перпендикулярно прикрепленными к ней штоками, кулисный камень, размещенный в кулисе и имеющий отверстие, в котором с возможностью вращения расположена штоковая шейка кривошипа, отличающийся тем, что двигатель снабжен ползуном, противовесом и электродвигателем, в щеке кривошипа выполнен паз, ось которого перпендикулярна осям штоковой и опорной шеек кривошипа, в пазу кривошипа размещены ползун, редуктор и противовес, кинематически связанные между собой с возможностью поступательного движения ползуна и противовеса в пазу кривошипа, причем ползун жестко соединен со штоковой шейкой кривошипа, а редуктор установлен на валу электродвигателя, размещенного внутри опорной шейки кривошипа. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что кулиса соединена со штоками посредством гайки с зажимом. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что цилиндры двустороннего действия оснащены головками с механизмами обеспечения сгорания топлива в камерах сгорания над поршнем и под поршнем. 4. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что цилиндры снабжены компрессорными камерами под поршнем с впускными и выпускными клапанами, подключенными к воздушному корректирующему резервуару с возможностью подачи воздуха под необходимым давлением в рабочую часть цилиндра и к работающим от компрессора агрегатам или машинам.