ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ САХАРНОВА Российский патент 1999 года по МПК F01B3/02 F02B75/26 

Изобретение относится к производству и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в различных областях техники: автостроении, тракторостроении, танкостроении, судостроении, самолетостроении, энергетики и др.

Создание конструкции более совершенного двигателя внутреннего сгорания сводится к обеспечению высококачественного рабочего процесса, а значит, энергосбережения и конструкции двигателя, обладающего высокой надежностью и долговечностью при низкой стоимости изготовления и эксплуатации, а также минимальным весом и габаритами.

Известно много конструкций двигателей внутреннего сгорания, работающих по циклу Отто-бензиновые двигатели, по циклу Сабатэ-дизельные двигатели. Известны двигатели двух- и четырехтактные с рядным, V-образным, опозитным, звездообразным и другими расположениями цилиндров, с водяным и воздушным охлаждением.

Подавляющее большинство двигателей, применяемых в настоящее время, строятся на принципе превращения поступательного движения поршня во вращательное с помощью коленчатого вала, при этом в каждом цилиндре расположен один поршень.

Особое место в конструкции двигателя занимают двухтактные двигатели с двумя движущимися навстречу поршнями в одном цилиндре и с прямоточной продувкой цилиндров. Эти двигатели обладают высокими показателями: высоким КПД, низким расходом топлива, уравновешенностью сил инерции первого и второго порядка, высоким средним эффективным давлением, большой литровой мощностью, совершенством продувки и выхлопа, легкостью осуществления наддува.

Основным недостатком этого типа двигателя является сложность конструкции в осуществлении преобразования встречно-поступательного движения двух поршней в одном цилиндре во вращательное движение выходного элемента. Так, в этом случае требуется либо два коленвала, синхронно связанных между собой силовой передачей, либо два комплекта разновеликих шатунов, передающих движение на один коленвал.

Однако и такие двигатели давно и широко строятся.

Известен двигатель "ЮНКЕРС", выпускающийся одноименной германской фирмой, описанной в книге: инженер В.В.Власов "Быстроходные транспортные дизели", ОНТИ НКТП СССР, 1936, Москва, Ленинград, Главная редакция автотракторной литературы, с. 213-223.

В этом двигателе в одном цилиндре расположены два взаимно перемещающихся поршня, связанные штоками с одним коленчатым валом, при этом нижний поршень связывается с валом коротким средним шатуном, а верхний поршень через балансир двумя длинными боковыми шатунами с противоположным коленом коленчатого вала.

Конструкция получается очень сложной с дорогим многоколенным валом, габариты и вес двигателя очень большие.

Известен также сконструированный по этому же принципу двигатель фирмы "БУРМЕЙСТЕР И ВАЙН", описанный в вышеназванной книге инж. В.В.Власова "Быстроходные транспортные дизели", с. 226-227. В этом двигателе верхний и нижний поршни также связаны с одним коленвалом разновеликими шатунами, причем верхний поршень имеет меньший диаметр, и, по сути, служит золотниковым клапаном открытия продувочных окон.

Такие же двигатели выпускались и другими фирмами и они широко описаны в литературе.

Известен также авиационный двигатель "ЮНКЕРС-ЮМО", подробно описанный в книге А. Додж "Быстроходные дизели", ОНТИ НКТП СССР, 1938, Главная редакция машиностроительной и автотракторной литературы, с. 269-272.

В этом двигателе также в каждом цилиндре расположены по два поршня, имеющих возможность встречного поступательного движения. Но поступательное движение каждого из поршней преобразуется во вращательное при помощи своего шатуна и своего коленчатого вала. Таким образом двигатель имеет два коленчатых вала, связанных между собой силовой синхронизирующей передачей и передающей вращение на один маховик.

Двигатель такой конструкции очень сложен в изготовлении, имеет два дорогостоящих коленчатых вала, сложную силовую синхронизирующую трансмиссию, большую высоту и массу.

Таким образом во всех рассматриваемых конструкциях известных двигателей преобразование поступательного движения поршня во вращательное осуществляется посредством кривошипно-шатунного механизма.

Так же известна схема двигателя с двумя встречными в каждом цилиндре поршнями и передачей возвратно-поступательного движения поршней во вращательное коренному валу с двумя косыми кривошипами через две качающиеся шайбы, представленные в книге: С.Н.Кожевников, Я.И. Есиненко, Я.Н.Раскин Механизмы. М.: Машиностроение, 1976, с. 128, 130, рис. 22-27.

Двигатель состоит из кривошипного вала, имеющего два встречно наклоненных кривошипа, на которых установлены качающиеся шайбы. Качающиеся шайбы шаровыми парами связаны с шатунами, противоположные концы которых также связаны шаровыми шарнирами с поршнями, расположенными навстречу друг другу по два в каждом из цилиндров, оси которых параллельны оси вала. Возвратно-поступательное движение поршней посредством качающихся шайб трансформируется во вращение кривошипного вала.

В верхней мертвой точке, когда поршни в цилиндре максимально сближены, а следовательно, и соответствующие участки качающихся шайб, происходит впрыск и воспламенение горючей смеси. Горячие газы с большим давлением воздействуют на поршни, стараясь их раздвинуть, поршни в свою очередь через шатуны передают усилие на косые шайбы, стараясь их раздвинуть, последние, воздействуя на косой кривошип, заставляют вращаться коренной вал. Сами качающиеся шайбы удерживаются от поворота двумя диаметрально расположенными пальцами, имеющими возможность перемещаться в направлении, соосном оси двигателя, в двух криволинейных пазах, расположенных в неподвижном корпусе двигателя. Таким образом шайбы имеют возможность лишь покачиваться. При работе пальцы воспринимают реактивный крутящий момент, равный крутящемуся моменту двигателя, и под этим усилием совершают в криволинейных пазах путь больший, чем ход каждого поршня. В связи с этим при движении в пазах происходят большие потери на трение, от чего снижается общий КПД двигателя. Кроме того, известный двигатель имеет большой вес, высокую стоимость, низкую точность изготовления и монтажа двигателя, малую надежность в работе, сложен в изготовлении.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является поршневой двигатель, содержащий неподвижный корпус, цилиндры с двумя встречными поршнями в каждом, коренной вал с жестко закрепленными на нем двумя встречнонаклонными дисками, на наружной поверхности которых через подшипники установлены пространственно-качающиеся шайбы, при этом поршни шарнирно соединены с шатунами, противоположные концы которых шарнирно соединены с качающимися шайбами, а оси цилиндров выполнены параллельными оси коренного вала (RU, патент, 2033543, кл. F 02 B 75/26, 1995).

Недостатком данного двигателя является сложность конструкции, большой вес, малая надежность, высокая стоимость.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать известный двигатель внутреннего сгорания за счет изменения формы коренного вала, введения новых элементов конструкции и введения новых связей между существующими элементами конструкции, что позволило изменить кинематику передачи поступательного движения поршней во вращательное движение вала, исключить возможность перекоса шатунов, компенсировать температурные расширения коренного вала, уравновесить массы и концентрично расположить их в предлагаемой конструкции, убрать колебания первого и второго порядка, и тем самым уменьшить потери на трение, повысить общий КПД двигателя, повысить точность изготовления и монтажа двигателя, повысить надежность работы устройства.

Поставленная задача достигается тем, что в известной конструкции поршневого двигателя, содержащего неподвижный корпус, цилиндры с двумя встречными поршнями в каждом, коренной вал с жестко закрепленными на нем двумя встречнонаклонными дисками, на наружной поверхности которых через подшипники установлены пространственно-качающиеся шайбы, при этом поршни шарнирно соединены с шатунами, противоположные концы которых шарнирно соединены с качающимися шайбами, а оси цилиндров выполнены параллельными оси коренного вала, двигатель снабжен кольцами, каждая шайба соединена с одним из них посредством двух цапф, расположенных друг против друга на внутренней стороне кольца, кольца соединены с корпусом двумя другими цапфами, расположенными друг против друга с внешней стороны колец, и установлены с возможностью покачивания вокруг осей наружных цапф, при этом оси цапф, расположенные на внутренней и внешней сторонах перпендикулярны между собой и лежат в одной плоскости с центром вращения дисков и центром пространственного покачивания шайб, а цапфы, расположенные на внешней стороне колец снабжены подпружиненными ползунами, установленными с возможностью перемещения в пазах корпуса вдоль продольной оси двигателя и параллельно оси коренного вала.

Таким образом, предложена конструкция, в которой отсутствует кривошипно-шатунный механизм, что значительно упрощает, удешевляет и делает ее более надежной. В связи с тем, что давление газов, воспринимаемое поршнями через качающиеся шайбы и наклонные диски, передается коренному валу, полностью разгружается от рабочих нагрузок корпус двигателя, что позволяет его сделать легким, несущим только нагрузки от веса двигателя. Как правило, при движении поршней шатуны покачиваются на угол 2-3^o. В предлагаемой конструкции потери на трение при одинаковых усилиях на поршнях меньше, чем в двигателях с кривошипно-шатунным механизмом, где этот угол составляет 15-20^o. В двигателя с коленчатым валом шатунный подшипник под полной нагрузкой вращается на 360^o. В заявляемом двигателе шатунный подшипник поворачивается всего на 45^o, что тоже сокращает потери на трение.

Применение качающихся колец, закрепленных шарнирно с возможностью покачивания при помощи цапф в неподвижном корпусе двигателя, и при закреплении на нем с возможностью покачивания при помощи других, крестообразно расположенных цапф качающихся шайб, исключает возможность перекоса цапф качающихся шайб, исключает возможность перекоса шатунов, а следовательно и возможность поломки механизма.

При этом потери на трение сведены к минимуму, т.е. реактивный момент воздействия на цапфы, которые имеют, сравнительно с пазами прототипа, небольшой диаметр и поворачиваются под этим усилием на небольшой угол, равный двойному углу наклона шайб (последний на практике составит 15 - 25^o).

Для компенсации температурных расширений коренного вала и облегчения точности изготовления и монтажа качающееся кольцо имеет возможность перемещения вдоль оси коренного вала за счет подпружинивания цапф, с помощью которых оно соединено с корпусом, что уменьшает требуемую точность изготовления и облегчает монтаж двигателя и тем самым повышается надежность работы устройства.

В связи с уравновешенностью масс и концентричного их расположения в предлагаемой конструкции двигателя отсутствуют колебания первого и второго порядка, следовательно он работает более спокойно и надежно и уменьшается возможность разрушения от усталости металла.

На фиг. 1 изображен продольный разрез предлагаемого двигателя; на фиг. 2 изображен поперечный разрез A-A двигателя; на фиг. 3 изображено сечение Б-Б по наклонному качающемуся кольцу, качающейся шайбе и наклонному диску.

Конструкция двигателя выполнена следующим образом: в центральной расточке цилиндрического корпуса 1 (фиг. 1 и 2) преимущественно на шарикоподшипниках, с возможностью вращения установлен коренной вал 2, от осевого перемещения он удерживается передним подшипником 3, закрепленным в осевом направлении в корпусе 1. На концах коренного вала 2 жестко закреплены два встречнонаклонных диска 4, имеющих возможность вращаться вместе с коренным валом. На наружной поверхности каждого из наклонных дисков 4 установлены, преимущественно на шарикоподшипниках или гидроподшипниках, качающиеся шайбы 5, при этом наклонные диски 4 имеют возможность вращения в них. Пространственно качающиеся шайбы 5 удерживаются от вращения вместе с коренным валом 2 и наклонными дисками 4 механизмом, состоящим из колец 6 и цапф 7, 8. Каждая шайба 5 соединена с одним из колец 6 посредством двух цапф 7, расположенных друг против друга на внутренней стороне кольца 6. Кольца 6 соединены с корпусом 1 двумя другими цапфами 8, расположенными друг против друга с внешней стороны колец 6, и установлены с возможностью поворачивания вокруг осей наружных цапф 8. Цапфы 7 крестообразно расположены к цапфам 8. Оси цапф, расположенные на внутренней и внешней сторонах, перпендикулярны между собой и лежат в другой плоскости с центром вращения дисков 4 и центром пространственного покачивания шайб 5, а цапфы, расположенные на внешней стороне колец снабжены подпружиненными ползунами 9, имеющими возможность перемещения в пазах корпуса 1 вдоль продольной оси двигателя и поджимаемые пружинами 10 в направлении продольной оси двигателя для компенсации теплового расширения коренного вала 2, точности изготовления и монтажа и параллельно оси коренного вала 2.

Таким образом, кольца 6 и качающиеся шайбы 5 удерживаются от вращения вместе с коренным валом 2 и наклонными дисками 4 и имеют возможность лишь покачиваться в диаметрально противоположных направлениях, каждое вокруг оси своих цапф.

Качающиеся шайбы 6 шаровыми шарнирами 11 связаны с шатунами 12, противоположные концы которых также шаровыми шарнирами 13 связаны с поршнями 14, установленными с возможностью встречного поступательного движения по два в каждом цилиндре 15, которые располагаются радиально в отверстиях корпуса 1 и оси которых параллельны оси коренного вала. На чертежах изображен двигатель с четырьмя цилиндрами, но в действительности их может быть два и больше.

Цилиндры 15 имеют выхлопные окна "а" и продувочные "б", которые открываются и перекрываются поршнями 14. Продувочные окна "б" выходят в кольцевые проточки корпуса 1 и соединены друг с другом коллектором 16 с заборным патрубком для воздуха. Выхлопные окна "а" также выходят в кольцевую проточку корпуса 1 и соединены коллектором с выхлопным патрубком.

В перпендикулярной плоскости, проходящей через вертикальную ось двигателя, между днищами поршней устанавливается форсунка 17 для впрыска топлива при работе двигателя в режиме дизеля или свеча зажигания для бензинового двигателя.

На переднем конце коренного вала жестко установлен маховик 18, с которого снимается крутящий момент, развиваемый двигателем.

Двигатель представляет из себя двухтактный двигатель Дизеля с двумя поршнями в одном цилиндре, двигающимися в противоположных направлениях и передающих свое поступательное движение через косонасаженные диски во вращательное движение коренного вала.

Работа двигателя происходит следующим образом.

При движении поршней 14 к центру цилиндра 15, поршни сначала перекрывают выхлопные окна "а", а затем и продувочные окна "б". Порция воздуха (при работе в дизельном варианте), находящаяся в полости цилиндра 15 между днищами поршней сжимается и от сжатия нагревается. При максимальном сближении поршней, называемой верхней мертвой точкой (максимальный встречный наклон качающихся шайб 6), а следовательно и максимальной температуры, в полость через форсунку 17 производится впрыск топлива. (В действительности впрыск топлива производится несколько раньше: так называемое опережение впрыска). Происходит воспламенение топлива, давление в полости между поршнями возрастает и поршни 14 передают усилие посредством шатунов 12 на соответствующие качающиеся шайбы 5, стараясь растолкнуть их. Так как шайбы не имеют возможности вращаться и шарнирно закреплены на кольцах 6, которые в свою очередь шарнирно закреплены на корпус 1 двигателя, они начинают качаться вокруг цапф 7 и через подшипники воздействуют на сбегающую сторону наклонных дисков 4 и заставляют их вращаться (как бы съезжают с наклонной плоскости), т.к. наклонные диски 4 жестко скреплены с коренным валом 2, то вращается и он.

В конце своего хода один поршень открывает выхлопное окно "а" и продукты сгорания выходят в атмосферу, чуть позже второй поршень открывает продувочное окно "б" и поступающий воздух выдавливает из полости цилиндра остатки выхлопных газов и заполняет ее новой порцией воздуха.

Одновременно в противоположном цилиндре поршни под воздействием вращающихся наклонных дисков, качающихся шайб и штоков, начинают сближаться, перекрывают выхлопные, а потом продувочные окна и сжимают свою порцию воздуха. Происходит процесс, подобный вышеописанному. Таким образом при последовательной работе цилиндров происходит непрерывное вращение коренного вала.

Таким образом прямолинейное возвратно-поступательное движение поршней преобразуется во вращательное движение коренного вала.

Предлагаемая конструкция может быть выполнена как с двумя цилиндрами, так и с группой цилиндров с осями, радиально расположенными параллельно оси коренного вала. При этом сколько будет цилиндров, столько будет и рабочих ходов за один оборот коренного вала.

Подобный же двигатель можно применять также при бензиновом варианте работы, только вместо воздуха в цилиндры надо подавать рабочую смесь бензина с воздухом и вместо форсунки установить свечу зажигания.

Предлагаемый двигатель по сравнению с существующим имеет следующие преимущества: простота конструкции и возможность изготовления на обычном универсальном станочном оборудовании, отсутствие сложного и дорогостоящего коленчатого вала, простота цилиндрического блока цилиндров, полностью разгруженного от рабочих нагрузок, т. к. все усилие от поршней воспринимается только коренным валом, компактность, а значит намного меньшие габариты и вес; высокая износоустойчивость и высокий КПД, т.е. угол давления шатунов на поршень на порядок меньше, чем у двигателей с коленчатым валом, что уменьшает износ цилиндров и поршней и уменьшает потери на трение при движении поршня, в то же время шатуны при работе покачиваются относительно качающихся шайб на угол наклона порядка 40 - 45^o, т.е. сила трения от воздействия поршней на шаровые опоры штоков воздействует на очень малом пути, в то время как шейка коленчатого вала существующих двигателей в нижних головках шатунов при этих же нагрузках проворачивается на 360^o, т.е. в предлагаемом двигателе меньше потери на трение, кроме того применение прямого коренного вала исключает колебания первого и второго порядка, движение двух поршней в противоположных направлениях и параллельно коренному валу полностью уравновешиваются друг с другом.

Таким образом, двигатель работает спокойно и с высоким КПД. В настоящее время опытный двигатель изготавливается авторами на одном из заводов г. Киева.

Двигатель может быть использован в производстве и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в различных областях техники. Двигатель содержит корпус (1), коренной вал (2) и цилиндры (15) с двумя встречными поршнями (14) в каждом. По концам коренного вала (2) установлены два встречнонаклонных закрепленных на нем диска (4), на окружности которых концентрично установлены на подшипниках качающиеся шайбы (5), связанные с возможностью покачивания цапфами (7) с качающимися кольцами (6), которые своими накрест расположенными цапфами (8), с возможностью покачивания, связаны с корпусом (1). Качающиеся шайбы (5) связаны штоками, имеющими на концах шаровые шарниры (11) со своей группой поршней (14), попарно с возможностью встречного движения расположенных в цилиндрах (15). Упрощается конструкция, повышается износостойкость и КПД, уменьшаются потери на трение, габариты, масса. 3 ил.

Поршневой двигатель, содержащий неподвижный корпус, цилиндры с двумя встречными поршнями в каждом, коренной вал с жестко закрепленными на нем двумя встречнонаклонными дисками, на наружной поверхности которых через подшипники установлены пространственно-качающиеся шайбы, при этом поршни шарнирно соединены с шатунами, противоположные концы которых шарнирно соединены с качающимися шайбами, а оси цилиндров выполнены параллельными оси коренного вала, отличающийся тем, что двигатель снабжен кольцами, каждая шайба соединена с одним из них посредством двух цапф, расположенных друг против друга на внутренней стороне кольца, кольца соединены с корпусом двумя другими цапфами, расположенными друг против друга с внешней стороны колец, и установлены с возможностью покачивания вокруг осей наружных цапф, при этом оси цапф, расположенные на внутренней и внешней сторонах, перпендикулярны между собой и лежат в одной плоскости с центром вращения дисков и центром пространственного покачивания шайб, а цапфы, расположенные на внешней стороне колец, снабжены подпружиненными ползунами, установленными с возможностью перемещения в пазах корпуса вдоль продольной оси двигателя и параллельно оси коренного вала.