ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F02B33/16 F02B75/30 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано на транспортных средствах - автомобилях, речных судах, летательных аппаратах, а также в качестве привода энергетических установок.

Аналогом предлагаемого изобретения является авторское свидетельство СССР N 1768784 A1, F 02 B 75/26 "Аксиально-поршневой двигатель", опубл. 1992 г.

Данный двигатель имеет параллельный осям цилиндров центральный коленчатый вал с косой шейкой, на которой шарнирно закреплена качающаяся шайба, второй опорой которой является сферический шарнир, расположенный на оси вала. Качающаяся шайба при вращении коленвала совершает пространственное движение без вращения вокруг общей оси, удерживаемая от него сдвоенным карданным шарниром, а плоскость, проходящая через центр сферического шарнира, совершает волнообразно-колебательное движение вдоль оси двигателя внутреннего сгорания. На этой плоскости в местах пересечения ее с осями неподвижных и расположенных по окружности цилиндров выполнены сферические шарниры крепления шатунов, также сферическими шарнирами соединенных со своими поршнями. Поршни движутся параллельно коленвалу и заметного качания шатунов при этом не происходит, что разгружает цилиндры от боковых составляющих рабочий усилий и повышает экономичность двигателя за счет снижения потерь энергии на внутреннее трение.

Недостатками данного двигателя внутреннего сгорания являются:
- перегрузка шарнирного соединения качающейся шайбы с косой шейкой коленвала, так как на него действуют рабочие усилия нескольких поршней;
- повышенная сложность конструкции, настройки и обслуживания механизма привода клапанов;
- трудность уравновешивания динамических усилий возвратно-поступательно движущихся масс.

Известно также авторское свидетельство СССР N 1760139 A1 "Двигатель внутреннего сгорания", F 02 В 25/10, опубл. 1992 г.

Двигатель имеет два соосно расположенных цилиндра. В верхний малого диаметра и одновременной в нижний большого диаметра, цилиндры входит рабочий ступенчатый поршень, шток которого сквозь расточку нижнего большого диаметра поршня присоединен к траверсе, шарнирно соединенной с шатунами двух кривошипно-шатунных механизмов с симметрично разнесенными осями кривошипов, синхронизированных на встречное вращение зацеплением соединенных с ними шестерен. В любом положении ступенчатого поршня оси шатунов симметрично наклонены и взаимно нейтрализуют боковые составляющие рабочих усилий. Нижний поршень аналогично штангой и траверсой шарнирно присоединен к другим шатунам тех же кривошипов, занимающих другое симметричное положение. Полость над верхним малым поршнем является рабочей, полость между поршнями большого диаметра нижнего цилиндра является заборно-наддувочной, а кольцевая полость между диаметрами верхнего ступенчатого поршня является компрессионно-продувочной для воздушного охлаждения рабочего поршня изнутри. И верхний, и нижний поршни движутся одновременно, но с разными скоростями, периодически сближаясь и расходясь. Имеет малые потери энергии на внутреннее трение.

Недостатками двигателя являются:
- повышенная сложность конструкции, высокий литражный вес, трудность настройки и регулировки;
- трудность уравновешивания инерционных усилий возвратно-поступательно и пространственно движущихся частей.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения - прототипом, является патент РФ N 2023186 C1, F 02 B 75/28 "Тепловой двигатель", опубл, 1994 г.

Этот двигатель содержит корпус с цилиндром, два закрепленных на штоках соосных поршня: рабочий, образующий с цилиндром рабочую камеру, и наддувочный, образующий с рабочим поршнем компрессорную камеру, причем наддувочный поршень с цилиндром образуют буферную полость, а также впускной, выпускной и перепускной каналы, через осевую расточку штока наддувочного поршня в корпус проходит шток рабочего поршня, где опорой шарнирно присоединен к двум планетарным шатунам, другим шарниром которые присоединены к шейкам левого и правого соосных кривошипов, экс центриситеты e которых равны межцентровым расстояниям e планетарных шатунов, что образует ромбические механизмы удвоения хода, и имеющих противоположное вращение, синхронизированное зубчатым механизмом, а шток наддувочного поршня, оснащенный в корпусе двумя цапфами, шарнирно присоединен двумя шатунами к шейкам кривошипов и имеет ход вдвое меньший, чем у движущегося попутно рабочего поршня. Во всех положениях поршней их шатуны симметрично наклонены друг к другу и взаимно нейтрализуют встречно направленные составляющие рабочих и инерционных усилий, что разгружает стенки цилиндра, снижает потери на внутреннее трение и повышает экономичность двигателя.

Недостатками прототипа являются:
- неуравновешенность инерционных нагрузок однонаправленно и возвратно-поступательно движущихся масс;
- объем рабочей камеры превышает объем компрессорной камеры, что снижает весовой заряд горючей смеси.

Новое техническое решение направлено на устранение указанных недостатков, имеет целью повышение экономичности, снижение вредных выбросов, снижение веса и увеличение моторесурса двигателя внутреннего сгорания,
Поставленная задача решается тем, что двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с цилиндром, два закрепленных на штоках соосных поршня - рабочий, образующий с цилиндром рабочую камеру, и наддувочный, образующий с рабочим поршнем компрессорную камеру, причем наддувочный поршень образует буферную полость, а также впускной, выпускной и перепускной каналы, через осевую расточку штока наддувочного поршня в корпус проходит шток рабочего поршня, который одним шарниром присоединен к двум планетарным шатунам, а другим шарниром рабочий шток присоединен к шейкам левого и правого соосных кривошипов, эксцентриситеты e которых равны межцентровым расстояниям e планетарных шатунов, что образует ромбические механизмы удвоения хода, посредством синхронизирующего зубчатого механизма, а шток наддувочного поршня, оснащенный в корпусе двумя цапфами, шарнирно присоединен двумя шатунами к шейкам кривошипов и имеет ход вдвое меньший, чем у рабочего поршня, согласно изобретению соосно и оппозитно одному цилиндру с другой стороны корпуса выполнен аналогичный другой цилиндр, в который сквозь корпус пропущен рабочий шток, оснащенный на концах рабочими поршнями, а в центре - центральной опорой, шарнирно присоединенной к двум планетарным шатунам, наддувочный шток, на концах которого закреплены наддувочные поршни, в корпусе выполнен в виде скользящей по направляющей рамки, охватывающей центральную опору рабочего штока, наддувочные поршни обоих цилиндров оснащены подпружиненными кольцевыми обратными клапанами, кинематическая связь одного кривошипа с выходным валом осуществляется через двухзвенную цилиндрическую передачу, а связь другого кривошипа с выходным валом - через трехзвенную с сохранением передаточного отношения, шарниры присоединения планетарных шатунов расположены на кривошипах диаметрально противоположно шарнирам присоединения наддувочных шатунов, что обеспечивает противонаправленное движение рабочих и наддувочных поршней, а вес полной комплектной сборки рабочего штока с рабочими поршнями задан меньше веса полной комплектной сборки наддувочного штока с наддувочными поршнями, причем отношение их весов обратно пропорционально их ходам.

На чертеже изображен предлагаемый двигатель в виде аксонометрической кинематической схемы в фазе сжатия горючей смеси в рабочей камере верхнего цилиндра, фазе завершения рабочего хода и начала продувки в рабочей камере нижнего цилиндра, фазе заполнения горючей смесью компрессорной камеры верхнего цилиндра и фазе сжатия горючей смеси в компрессорной камере нижнего цилиндра.

Предлагаемый двигатель содержит верхний 1 и нижний 2 цилиндры, в которых расположены верхний 3 и нижний 4 рабочие поршни, закрепленные на концах рабочего штока 5, имеющем центральную опору 6. В корпусе двигателя расположены левый 7 и правый 8 кривошипы, причем левый 7 кривошип шестернями 9, 10, 11 и правый кривошип 8 шестернями 13 и 14 передают вращение выходному валу 12. Рабочий шток 5 в верхнем цилиндре 1 проходит через наддувочный поршень 15, наддувочный шток 16 и обратный клапан 17, а в нижнем цилиндре 2 проходит через наддувочный поршень 18, наддувочный шток 19 и обратный клапан 20. Пружины 21 верхнего 17 и нижнего 20 обратных клапанов прижимают их к наддувочным поршням. Рамка 22 соединяет штоки наддувочных поршней 15 и 18 в единый блок и оснащена траверсой 23, левая шейка которой левым шатуном 24 шарнирно соединена с шейкой левого 7 кривошипа, а правая шейка траверсы 23 правым шатуном 25 шарнирно соединена с шейкой правого 8 кривошипа. Диаметрально-противоположная шейка правого 8 кривошипа шарнирно соединена с шарниром правого 26 планетарного шатуна, противоположный шарнир которого входит в шарнирное соединение с центральной опорой 6 рабочего штока 5, причем межосевое расстояние правого шатуна 26 равно радиусу e кривошипа 8. Аналогично у левого 7 кривошипа диаметрально-противоположная шейка шарнирно соединена с левым планетарным шатуном 27, межосевое расстояние e которого равно радиусу e кривошипа, а второй шарнир планетарного шатуна 27 шарнирно соединен с центральной опорой 6.

В верхнем цилиндре 1 выполнены впускной канал 28, выпускной канал 29 и перепускной канал 30. В нижнем цилиндре 2 выполнены, аналогично, впускной канал 31, выпускной канал 32 и перепускной канал 33. Направляющая 34 препятствует рамке 22, соединяющей штоки наддувочных поршней 15, 18, совершать повороты вокруг их оси. Цилиндры 1 и 2 оснащены свечами зажигания 35, а механизм синхронизации движения поршней заключен в корпус 36.

Двигатель работает следующим образом.

Верхний рабочий поршень 3 в верхнем цилиндре 1 при подходе к верхней мертвой точке (ВМТ) и наддувочный поршень 15 при подходе к нижней мертвой точке (НМТ) осуществляют сжатие горючей смеси (ГС) в рабочей камере и всасывание в буферную полость подготовленной ГС через впускной канал 28 под наддувочный поршень 15 и далее через открытый аэродинамическими силами обратный клапан 17 в компрессорную камеру. При достижении ВМТ верхним рабочим поршнем 3 ГС в камере сгорания поджигается свечой зажигания 35, а верхний наддувочный поршень 15 остановкой в НМТ помогает за счет инерции пружине 21 закрыть обратный клапан 17, и компрессорная камера оказывается изолированной. Совершающий рабочий ход вниз верхний рабочий поршень 3 и поднимающийся верхний наддувочный поршень 15 сжимают ГС, проталкивая ее в перепускной канал 30, где она сжимается и нагревается. При дальнейшем сближении поршней, верхнего рабочего 3 и наддувочного поршня 15, возникает ситуация, изображенная в нижнем цилиндре 2, когда днище нижнего рабочего поршня 4 начинает открывать окно выпускного канала 32 и отработанные газы (ОГ) начинают выходить. Через короткое время после открытия выпускного канала днище нижнего рабочего поршня 4 открывает окно перепускного канала 33, выходящие оттуда высокоскоростные струи сжатой ГС выталкивают остатки ОГ и заполняют рабочую камеру за время подхода нижнего рабочего поршня 4 к НТМ и отхода от нее до перекрытия перепускного канала 33 и выпускного канала 32. Дальнейшее движение нижнего рабочего поршня 4 вниз и наддувочного поршня 18 вверх приводят к ситуации, рассмотренной в верхнем цилиндре 1. При этом рабочее усилие, действующее на рабочий шток 5, в центральной опоре 6 равномерно раскладывается вдоль симметрично наклоненных планетарных шатунов правого 26, левого 27, передающих, в свою очередь, усилия на шейки кривошипов 7, 8, вынуждая их вращаться противоположно друг другу. Правый кривошип 8 своей шестерней 13 вращает шестерню 14 выходного вала 12 противоположно своему вращению, а левый кривошип 7 своей шестерней 9 через промежуточную ("паразитную") шестерню 10 вращает шестерню 11 выходного вала 12 в своем направлении, таким образом, на выходном валу 12 суммируются два потока мощности, идущих от левого и правого кривошипов 7, 8.

Движение наддувочных поршней 15 и 18 осуществляется посредством двух также симметрично наклоненных шатунов: левого шатуна 24 - от левого кривошипа 7 и правого шатуна 25 - от правого кривошипа 8. Боковые составляющие усилий шатунов 24, 25 взаимно уравновешиваются и лишь малыми усилиями, ввиду работы шатунов в разных плоскостях, стремятся повернуть рамку 22 наддувочных поршней 17, 18, чему препятствует направляющая 34.

Предлагаемое изобретение позволяет осуществить работу двигателя по двухтактному циклу, оптимальному для процессов разрядки ГС рабочей полости и очистки ее от ОГ, так как поверочные сечения выпускных и впускных каналов конструктивно можно задавать требуемых размеров для устойчивой работы на высоких оборотах. Конструктивно встроенный в двигатель компрессор обеспечивает на всех оборотах, вплоть до холостого хода, расчетный наддув, значительно повышает литровую мощность, что позволяет уменьшить габариты и вес двигателя. Штоковый механизм привода поршней исключает боковое прижатие поршней к стенкам цилиндров, что позволяет отказаться от добавления масла в ГС и снизить, тем самым, количество вредных выбросов до минимума. В то же время все шарнирные соединения корпуса достаточно просто обеспечить принудительной смазкой от насоса, что осуществлено в экспериментальном образце двигателя. Удаление камер сгорания ДВС от корпуса, тем более, отгорожение их от него достаточно холодными буф ерными и компрессорными камерами, позволяет обеспечить оптимальный режим работы масляной системы, продлить срок службы масла и обеспечить большой срок службы шарнирных соединений.

Ввиду того, что все шатуны в кинематике механизма синхронизации присоединены к шарнирам кривошипов, сдвинутых на 180^o друг относительно друга (образуют консольный двухшейковый коленвал), то движение рабочих и наддувочных поршней будет взаимно противоположным и с различной скоростью. Образованные парой кривошип - планетарный шатун ромбические механизмы сообщают рабочим поршням ход, равный учетверенному эксцентриситету кривошипа, тогда как наддувочные поршни имеют ход, равный удвоенному эксцентриситету. Задавая массу комплекта рабочих поршней настолько меньше массы комплекта наддувочных поршней, насколько ход последних меньше хода рабочих поршней конструктивно просто полностью уравновесить инерционные нагрузки, так как они приложены на общей оси, равны друг другу и противоположно направлены. При качественной балансировке кривошипов можно добиться полного отсутствия вибрации двигателя, который может быть по этому параметру приравнен к работе турбины.

Существенным преимуществом двигателя является то, что детали механизма синхронизации движения поршней будут испытывать лишь частичную нагрузку от рабочих процессов, так как одновременно с рабочим процессом в рабочей камере одного цилиндра в противоположной рабочей камере второго цилиндра идет подготовительный процесс сжатия горючей смеси и нагрузки будут определяться разностью между рабочим давлением и давлением компрессии. Это будет сопровождаться повышением срока службы двигателя.

Изобретение может быть использовано на транспортных средствах и в качестве привода энергетических установок. Двигатель содержит корпус с цилиндром, два закрепленных на штоках соосных поршня - рабочий, образующий с цилиндром рабочую камеру, и наддувочный, образующий с рабочим поршнем компрессорную камеру. Наддувочный поршень образует буферную полость, а также впускной, выпускной и перепускной каналы. Через осевую расточку штока наддувочного поршня в корпус проходит шток рабочего поршня, который одним шарниром присоединен к двум планетарным шатунам, а другим шарниром рабочий шток присоединен к шейкам левого и правого соосных кривошипов, эксцентриситеты е которых равны межцентровым расстояниям е планетарных шатунов, образуя ромбические механизмы удвоения хода посредством синхронизирующего зубчатого механизма. Шток наддувочного поршня оснащен двумя цапфами, шарнирно присоединен двумя шатунами к шейкам кривошипов и имеет ход вдвое меньший, чем у рабочего поршня. Соосно и оппозитно одному цилиндру с другой стороны корпуса выполнен аналогичный другой цилиндр, в который сквозь корпус пропущен рабочий шток, оснащенный на концах рабочими поршнями, а в центре - центральной опорой, шарнирно присоединенной к двум планетарным шатунам. Наддувочный шток, на концах которого закреплены наддувочные поршни, в корпусе выполнен в виде скользящей по направляющей рамки, охватывающей центральную опору рабочего штока. Наддувочные поршни обоих цилиндров оснащены подпружиненными кольцевыми обратными клапанами. Кинематическая связь одного кривошипа с выходным валом осуществляется через 2-х-звенную цилиндрическую передачу, а связь другого кривошипа с выходным валом через 3-х-звенную с сохранением передаточного отношения. Шарниры присоединения планетарных шатунов расположены на кривошипах диаметрально противоположно шарнирам присоединения наддувочных шатунов, что обеспечивает противонаправленное движение рабочих и наддувочных поршней. Вес полной комплектной сборки рабочего штока с рабочими поршнями задан меньше веса полной комплектной сборки наддувочного штока с наддувочными поршнями, отношение их весов обратно пропорционально их ходам. Технический результат заключается в повышении экономичности, снижении вредных выбросов, снижении веса и увеличении веса двигателя. 1 ил.

Двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с цилиндром, два закрепленных на штоках соосных поршня - рабочий, образующий с цилиндром рабочую камеру, и наддувочный, образующий с рабочим поршнем компрессорную камеру, причем наддувочный поршень с цилиндром образует буферную полость, а также впускной, выпускной и перепускной каналы, через осевую расточку штока наддувочного поршня в корпус проходит шток рабочего поршня, который одним шарниром присоединен к двум планетарным шатунам, а другим шарниром рабочий шток присоединен к шейкам левого и правого соосных кривошипов, эксцентриситеты е которых равны межцентровым расстояниям е планетарных шатунов, что образует ромбические механизмы удвоения хода, посредством синхронизирующего зубчатого механизма, а шток наддувочного поршня, оснащенный в корпусе двумя цапфами, шарнирно присоединен двумя шатунами к шейкам кривошипов и имеет ход вдвое меньший, чем у рабочего поршня, отличающийся тем, что соосно и оппозитно одному цилиндру с другой стороны корпуса выполнен аналогичный другой цилиндр, в который сквозь корпус пропущен рабочий шток, оснащенный на концах рабочими поршнями, а в центре - центральной опорой, шарнирно присоединенной к двум планетарным шатунам, наддувочный шток, на концах которого закреплены наддувочные поршни, в корпусе выполнен в виде скользящей по направляющей рамки, охватывающей центральную опору рабочего штока, наддувочные поршни обоих цилиндров оснащены подпружиненными кольцевыми обратными клапанами, кинематическая связь одного кривошипа с выходным валом осуществляется через двухзвенную цилиндрическую передачу, а связь другого кривошипа с выходным валом - через трехзвенную с сохранением передаточного отношения, шарниры присоединения планетарных шатунов расположены на кривошипах диаметрально противоположно шарнирам присоединения наддувочных шатунов, что обеспечивает противонаправленное движение рабочих и наддувочных поршней, а вес полной комплектной сборки рабочего штока с рабочими поршнями задан меньше веса полной комплектной сборки наддувочного штока с наддувочными поршнями, причем отношение их весов должно быть обратно пропорциональным их ходам.