СИЛОВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1999 года по МПК F02B75/32 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания, отличающихся связями между поршнями и коренным валом и непосредственным газораспределением с помощью окон в цилиндре и поршне при четырехтактном цикле.

Известен ротопоршневой двигатель Ванкеля, содержащий корпус, эксцентриковый вал, ротор, зубчатое зацепление между ротором и эксцентриковым валом, впускные и выпускные окна в корпусе двигателя, систему подачи и зажигания топлива. Работа двигателя основана на преобразовании поступательно-вращательного движения ротора во вращательное движение эксцентрикового вала (В.С. Бениович, Г.Д. Апаздиди, А.М. Бойко "Ротопоршневые двигатели", М.: Машиностроение, 1968 г., с. 27 и "Наука и жизнь" N 2, 1997 г., с. 62).

Недостатками известного двигателя являются ненадежность газового уплотнения между ротором и корпусом, малая степень сжатия рабочего тела, повышенная токсичность выхлопных газов, сложность изготовления эпитрохоидальной поверхности рабочей части корпуса, неравномерность нагрева корпуса двигателя, его термическая деформация, повышенные обороты эксцентрикового вала, наличие зубчатого зацепления между ротором и эксцентриковым валом.

Известен двигатель Стирлинга, содержащий косую шайбу (наклонный диск), которая жестко связана с валом. Вдоль оси вала расположены четыре цилиндра с поршнями. Поршни через штоки воздействуют на сферические толкатели, которые приводят во вращение косую (наклонную) шайбу (диск). Для восприятия боковых усилий служат четыре крейцкопфа с направляющими (Г. Ридер, Ч. Хупер "Двигатели Стирлинга" М.: Мир, 1986 г., с. 68 - рис. 1,61).

Недостатками известного двигателя с косой шайбой являются:
- возможность уравновешивания двигателя только при определенном угле наклона косой шайбы;
- отсутствие вращения поршней и как следствие невозможность создания непосредственного газораспределения окнами в цилиндрах и поршнях при 4-тактном цикле, что усложняет конструкцию двигателя;
- наличие на каждом цилиндре одного крейцкопфа.

Известна силовая установка для двухтактного цикла, принятая за прототип, содержащая корпус, вертикальный коренной вал с закрепленным на нем диском, цилиндры, в каждом из которых установлен шток, соединенный с поршнем на его конце, разделяющим на надпоршневую и корпусную (подпоршневую) полость, форсунки для впрыска топлива, установленные в надпоршневых полостях в верхней части каждого цилиндра и соединенные соответственно с топливными насосами высокого давления, кинематически связанными с кулачками вертикального коренного вала, причем цилиндры объединены в блок цилиндрической формы и установлены на одинаковом расстоянии от оси коренного вала, стенки цилиндров снабжены впускными и выпускными окнами (RU, патент N 2008465, кл. F 02 B 47/02, 1994).

Недостатком известной силовой установки является высокая скорость вращения вала, невозможность полного уравновешивания возвратно-поступательно движущихся масс поршней, штоков и их шаров, скользящих по наклонному диску (шайбе), невозможность непосредственного газораспределения поршнями при четырехтактном цикле, высокие удельные давления между шарами штоков и поверхностью диска из-за малой площади соприкосновения.

Техническим результатом изобретения является увеличения вдвое мощности силовой установки при той же скорости, упрощение конструкции: осуществление четырехтактного цикла наиболее простым путем без наличия клапанов и их приводов и сложной конструкции крышки цилиндров, увеличение степени динамической неуравновешенности и степени неравномерности вращения коренного вала за счет вращения поршней, штоков и пят, снижение удельных давлений между пятами штоков и диском.

Указанный технический результат достигается тем, что в силовой установке, содержащей корпус, вертикальный коренной вал с закрепленным на нем диском, цилиндры, в каждом из которых установлен шток, соединенный с поршнем на его конце, разделяющим верхнюю и нижнюю части цилиндра на надпоршневую и корпусную полость, форсунки для впрыска топлива, установленные в надпоршневых полостях в верхней части каждого цилиндра и соединенные соответственно с топливными насосами высокого давления, кинематически связанными с кулачками вертикального коренного вала, причем цилиндры объединены в блок цилиндрической формы и установлены на одинаковом расстоянии от оси коренного вала, стенки цилиндров снабжены впускными и выпускными окнами, диск выполнен в виде усеченного по длине цилиндра, днище каждого поршня снабжено камерой сгорания с перепускным окном, имеющим возможность периодически соединяться с впускными или выпускными окнами цилиндра, а штоки поршня снабжены пятами, которые шарнирно соединены с ними и имеют возможность перемещаться по канавке во внешней поверхности диска, и установка снабжена синхронизирующим устройством для обеспечения неразрывности контакта нижней поверхности пяты и верхней поверхности диска, и плитой сверху пят для удержания пят на поверхности диска в случае снижения давления в воздушной камере. Кроме того, нижние поверхности пят штоков выполнены цилиндрической формы соответственно верхней поверхности канавки диска, а синхронизирующее устройство выполнено в виде крейцкопфов, каждый из которых выполнен в виде головки, расположенной на направляющей, и лап, соединяющих диаметрально расположенные штоки поршней, при этом крейцкопфы связаны между собой рычагами и центральным рычагом, ось которого оперта на каретку, которая связана с мембраной воздушной камеры.

На фиг. 1 изображена схема силовой установки в разрезе; на фиг. 2 - разрез по А-А фиг. 1, при этом условно не показаны цилиндры с поршнями, лапы крейцкопфа не разрезаны, а центральный рычаг повернут до горизонтального положения.

В центральной части корпуса 1 установлены подшипники 2, создающие опору вертикальному коренному валу 3, на котором установлен диск 4, выполненный в виде усеченного по длине цилиндра.

По внешней поверхности диска 4 выполнена канавка 5, в которой могут свободно перемещаться пяты 6, соединенные шарнирно со штоками 7, которые соединены шарнирно с поршнями 8, установленными в своих цилиндрах 8. Нижняя поверхность пят 6 штоков выполнена цилиндрической формы соответственно верхней поверхности диска 4 канавки 5.

Цилиндры 9 закрыты крышкой 10 и закреплены по периметру корпуса 1 на одинаковом расстоянии от оси коренного вала 3.

Поршни 8 разделяют цилиндры 9 на надпоршневую 11 и корпусную (подпоршневую) 12 полости. Днище каждого поршня 8 снабжено камерой сгорания 13 с перепускным окном 14, имеющим возможность периодически соединяться с впускными 15 и выпускными 16 окнами цилиндра 9, которые могут быть соединены с впускными и выпускными патрубками (не показано).

В надпоршневых полостях 11 в верхней части каждого цилиндра 9 установлены форсунки 17 для впрыска топлива, соединенные трубками 18 с топливными насосами высокого давления и кинематически связанные с кулачком (не показано) коренного вала 3.

Силовая установка снабжена синхронизирующим устройством, которое состоит из крейцкопфов 19, каждый из которых выполнен в виде головки, расположенной на направляющей 20, и лап, соединяющих диаметрально расположенные штоки 7 поршней 8, при этом крейцкопфы 19 связаны между собой рычагами 21 и центральным рычагом 22. Ось 23 центрального рычага 22 оперта на каретку 24, которая связана с мембраной 25 воздушной камеры 26. Количество крейцкопфов зависит от числа цилиндров и равно их половине. Синхронизирующее устройство необходимо для обеспечения неразрывности контакта нижней поверхности пяты 6 и верхней поверхности диска 4.

Сверху пят установлена верхняя цилиндрическая плита 27 для удержания пят 6 на поверхности диска 4 в случае снижения давления в воздушной камере 26.

Силовая установка работает следующим образом.

При принудительном вращении вертикального коренного вала 3 (фиг. 1 и фиг. 2), установленного на подшипниках 2, вместе с коренным валом 3 вращается установленный на нем диск 4, выполненный в виде усеченного по длине цилиндра, при этом по поверхности канавки 5 диска 4 свободно перемещаются пяты 6, которые шарнирно связаны со штоками 7 и передают им усилие на поршни 8, при этом совершается одновременно вращательное и возвратно-поступательное движение поршней и штоков в цилиндрах 9, т.е. вращательное движение коренного вала 3 преобразуется одновременно во вращательное и возвратно-поступательное (винтовое) движение штоков и поршней, и наоборот. При движении поршня 8 вниз над поршнем образуется разряжение, открываются впускные окна 15 в цилиндре 9 и перепускное окно 14 в камере сгорания 13 поршня, объем над поршнем заполняется воздухом. При движении поршня 8 вверх закрываются впускные окна 15 в цилиндре 9 и происходит сжатие и нагрев воздуха. При нахождении поршня 8 вверху в нагретый от сжатия воздух камеры сгорания 13 топливо от насоса высокого давления подается через форсунку 17, топливо воспламеняется, образуется газовое давление, под напором которого поршень 8 совершит рабочий ход вниз, при этом поршень 8 повернется на 90^o и откроются выпускные окна 16 в стенке цилиндра 9, которые будут соединяться с перепускным окном 14 в камере сгорания 13 поршня 8 по мере его вращения и движения вверх, т.е. происходит выпуск отработанных газов из цилиндра 9. За один оборот коренного вала 3 вместе с цилиндрическим диском 4 осуществляется четырехтактный цикл двигателя непосредственно через окна 15 и 16 в стенке цилиндра 9 и перепускное окно 14 в поршне. Движение поршня 8 при впуске воздуха, его сжатии и выпуске отработанных газов из цилиндра 9 происходит за счет диска 4 и работы других поршней. Поршни 8, закрепленные на штоках 7 в противолежащих цилиндрах 9 и соединенные крейцкопфом 19, работают в противофазе и обеспечивают постоянное прижатие пят 6 к цилиндрической поверхности канавки 5 диска 4. Крейцкопфы 19 также служат для снятия боковых усилий поршней 8 на стенки цилиндра 9, что повышает механический КПД двигателя. Вращение коренного вала 3 повторяет циклы работ в каждом цилиндре 9, создавая суммарный крутящий момент на валу.

Мембрана 25 воздушной камеры 26 производит давление на ось 23 центрального рычага 22, который через рычаги 21 и крейцкопфы 19 постоянно обеспечивает контакт пят 6 с диском 4. В случае потери давления в воздушной камере пяты 6 удерживаются от отрыва от диска 4 верхней цилиндрической плитой 27.

Передаточное устройство от коренного вала к поршням, выполненное по данному изобретению в виде диска, штоков с пятами к поршням и синхронизирующим устройством, плитой сверху пят, может быть использовано в компрессорах, насосах, гидромоторах и других механизмах, преобразующих вращательное движение деталей в поступательное и наоборот.

Принцип работы силовой установки опробован на макете.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. В силовой установке, содержащей корпус, вертикальный коренной вал с закрепленным на нем диском, цилиндры, в каждом из которых установлен шток, соединенный с поршнем на его конце, разделяющим верхнюю и нижнюю части цилиндра на надпоршневую и корпусную полости. Форсунки для впрыска топлива, установлены в надпоршневых полостях в верхней части каждого цилиндра и соединены с топливными насосами высокого давления, кинематически связанными с кулачками вертикального коренного вала. Цилиндры объединены в блок цилиндрической формы и установлены на одинаковом расстоянии от оси коренного вала, стенки цилиндров снабжены впускными и выпускными окнами. Штоки поршня снабжены пятами, которые имеют возможность перемещаться по канавке во внешней поверхности диска. Установка снабжена синхронизирующим устройством для обеспечения неразрывности контакта нижней поверхности пяты и верхней поверхности диска и плитой сверху пят для удержания пят на поверхности диска. Техническим результатом изобретения является увеличение вдвое мощности силовой установки при той же скорости, упрощение конструкции. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Силовая установка, содержащая корпус, вертикальный коренной вал с закрепленным на нем диском, цилиндры, в каждом из которых установлен шток, соединенный с поршнем на его конце, разделяющим верхнюю и нижнюю части цилиндра на надпоршневую и корпусную полости, форсунки для впрыска топлива, установленные в надпоршневых полостях в верхней части каждого цилиндра и соединенные соответственно с топливными насосами высокого давления, кинематически связанными с кулачком вертикального коренного вала, причем цилиндры объединены в блок цилиндрической формы и установлены на одинаковом расстоянии от оси коренного вала, стенки цилиндров снабжены впускными и выпускными окнами, отличающаяся тем, что диск выполнен в виде усеченного по длине цилиндра, днище каждого поршня снабжено камерой сгорания с перепускным окном, имеющим возможность периодически соединяться с впускными или выпускными окнами цилиндра, а штоки поршней снабжены пятами, которые шарнирно соединены с ними и имеют возможность перемещаться по канавке во внешней поверхности диска, и установка снабжена синхронизирующим устройством для обеспечения неразрывности контакта нижней поверхности пяты в верхней поверхности диска и плитой сверху пят для удержания пят на поверхности диска в случае снижения давления в воздушной камере. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что нижние поверхности пят штоков выполнены цилиндрической формы соответственно верхней поверхности канавки диска. 3. Установка по п.1, отличающийся тем, что синхронизирующее устройство выполнено в виде крейцкопфов, каждый из которых выполнен в виде головки, расположенной на направляющей, и лап, соединяющих диаметрально расположенные штоки поршней, при этом крейцкопфы связаны между собой рычагами и центральным рычагом, ось которого оперта на каретку, которая связана с мембраной воздушной камеры.