ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ДВИГАТЕЛЬ ПЕЧКИНА) Российский патент 2001 года по МПК F02B75/32 

Изобретение относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания, отличающимся связями между поршнями и коренным валом.

Известен поршневой двигатель внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом (Романов Б. А. Двигатели внутреннего сгорания. Учебник для техникумов - М.: Недра, 1989, стр. 6).

Известный поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит по меньшей мере одну цилиндропоршневую группу и кривошипно-шатунный механизм.

Использование в известном поршневом двигателе внутреннего сгорания кривошипно-шатунного механизма в качестве механизма, управляющего рабочим процессом двигателя, приводит к ряду существенных недостатков:
- неэффективно используется энергия сгорания топлива ввиду того, что кривошип и поршень двигателя работают по несовпадающим друг с другом диаграммам, что является основной причиной относительно низкого КПД такого двигателя;
- при работе двигателя возникает действующая перпендикулярно продольной оси цилиндра боковая сила, прижимающая поршень к стенке цилиндра и вызывающая усиленный износ цилиндра и поршня (Романов Б.А. Двигатели внутреннего сгорания, стр. 34-39);
- требуется обеспечение смазки трущихся узлов соединения шатуна с поршнем и шатуна с кривошипом.

Известен также поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором энергия продуктов сгорания передается кривошипу через шток, жестко соединенный с поршнем (описание изобретения к патенту СССР N 576973 "Двухтактный двигатель внутреннего сгорания", F 02 B 33/30).

Известный поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит по меньшей мере одну цилиндропоршневую группу, шток и управляющий рабочим процессом двигателя кривошип, причем шток одним своим концом жестко соединен с поршнем, а другим - с кривошипом.

Известный поршневой двигатель внутреннего сгорания исключает необходимость смазки одного из узлов (узла соединения штока и поршня), но сохраняет все остальные недостатки поршневого двигателя внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом, отмеченные у первого аналога.

Наиболее близким к заявленному изобретению по своей технической сущности и функциональному назначению является поршневой двигатель внутреннего сгорания с кулачковым валом, выполненным в виде вала с барабаном, снабженным криволинейным пазом (описание изобретения к патенту СССР N 12168 "Двигатель внутреннего сгорания", кл. 46 d⁴, 2).

Известный, наиболее близкий к заявленному изобретению поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержит по меньшей мере одну цилиндропоршневую группу, шток и управляющий рабочим процессом двигателя кулачковый вал, выполненный в виде вала с барабаном, снабженным криволинейным пазом, причем шток одним концом жестко соединен с поршнем, а другим находится в постоянном подвижном контакте с профилированной поверхностью кулачка, выполненного в виде барабана с криволинейным пазом.

Использование в известном поршневом двигателе внутреннего сгорания кулачкового вала позволяет увеличить КПД двигателя.

Однако создание кулачка с профилем, полностью реализующим потенциальные возможности энергии сгораемого топлива, практически неосуществимо из-за большой скорости движения поршня в процессе рабочего хода. Поэтому у существующих поршневых двигателей внутреннего сгорания с кулачковыми валами поршень и кулачок работают по несовпадающим рабочим диаграммам, т.е. существует потенциальная возможность увеличения КПД двигателя.

Исходя из вышеизложенного была поставлена задача разработать такую конструкцию передаточного звена от поршня к кулачку, которая обеспечивала бы возможность повышения КПД двигателя.

Поставленная задача решается заявленным поршневым двигателем внутреннего сгорания, содержащим по меньшей мере одну цилиндропоршневую группу, шток и управляющий рабочим процессом двигателя кулачковый вал, причем шток одним своим концом жестко соединен с поршнем, а другим находится в постоянном подвижном контакте с профилированной поверхностью кулачка, при этом шток со стороны кулачкового вала снабжен коромыслом с возможностью качания коромысла относительно своей оси между штоком и кулачком кулачкового вала.

В заявленном двигателе техническими признаками изобретения, общими для него и для его наиболее близкого аналога, являются:
- поршневой двигатель внутреннего сгорания;
- по меньшей мере одна цилиндропоршневая группа;
- шток;
- кулачковый вал;
- жесткое соединение штока одним своим концом с поршнем;
- постоянное подвижное соединение второго конца штока с профилированной поверхностью кулачка.

В заявленном двигателе техническими признаками изобретения, отличающими его от его наиболее близкого аналога, являются:
- снабжение штока со стороны кулачкового вала коромыслом;
- возможность качания коромысла относительно своей оси между штоком и кулачком кулачкового вала.

Данная совокупность отличительных технических признаков изобретения вместе с общими техническими признаками заявленного двигателя и наиболее близкого его аналога обеспечивает получение положительного эффекта изобретения во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

На фиг. 1 изображена кинематическая схема заявленного поршневого двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 2 - кулачок кулачкового вала; на фиг. 3 - шток с коромыслом в постоянном подвижном контакте с профилированной поверхностью кулачка.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, поршень 2, шток 3 и кулачковый вал 4 с кулачком 5. Шток 3 и поршень 2 жестко соединены друг с другом. Второй конец штока 3 со стороны кулачкового вала 4 снабжен роликом 6 и коромыслом 7 с возможностью качания коромысла относительно оси - 8. Пружина 9 обеспечивает постоянный подвижный контакт ролика б штока 3 с профилированной поверхностью кулачка 5. Пружина 10 позволяет коромыслу качаться относительно оси 8 между штоком 3 и кулачком 5 кулачкового вала 4.

Работа заявленного поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Двигатель запускают с помощью стартера (на чертеже не показан). После запуска двигателя кулачковый вал 4 вращается против часовой стрелки. Ролик 6 штока 3 катится по профилированной поверхности кулачка 5, находясь с ним в постоянном подвижном контакте под воздействием пружины 9. Поршень 2 двигателя, жестко связанный со штоком 3 и с роликом 6, совершает возвратно-поступательные движения. За один оборот кулачкового вала осуществляются все четыре такта рабочего процесса двигателя: такт впуска, такт сжатия, рабочий ход и такт выпуска.

При движении ролика 6 по профилированной поверхности кулачка 5 от точки A до точки B осуществляется такт впуска, при движении ролика 6 от точки B до точки C - такт сжатия, при движении ролика 6 от точки C до точки E - рабочий ход и при движении ролика 6 от точки E до точки A - такт выпуска.

Особенностью работы заявленного двигателя по сравнению с поршневым двигателем внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом является рабочий ход. При воспламенении сжатой топливно-газовой смеси ролик 6 штока 3 соскальзывает с вершины кулачка 5 и поршень 2 вместе с жестко закрепленным с ним штоком 3 резко движется вниз. Коромысло 7 в начальный момент движения штока 3 вниз контактирует с вершиной кулачка 5 и по мере продвижения штока 3 вниз сжимает пружину 10, обеспечивая плавное без ударов движение штока 3 до соприкосновения ролика 6 с цилиндрической частью кулачка 5 в точке D. На протяжении всего пути движения штока 3 с роликом 6 и коромыслом 7 вниз коромысло 7 за счет пружины 10 воздействует на вершину кулачка 5, обеспечивая вращение кулачкового вала против часовой стрелки.

Воздействие коромысла на вершину кулачка продолжается на протяжении угла α до прихода ролика 6 в точку E.

Коромысло качается относительно своей оси 8 в пределах угла α в интервале от 0 до 60^o. Данный интервал обусловлен стремлением обеспечить наиболее эффективное использование энергии, получаемой в результате сгорания топливно-газовой смеси.

Граничное значение интервала качания коромысла 7 в 0^o обеспечивает мягкую работу двигателя в процессе рабочего хода и улучшает его динамическую уравновешенность, особенно в начальный момент рабочего хода, когда шток 3 вместе с коромыслом 7 резко движется вниз. Увеличение этого граничного значения свыше 0^o ведет к повышению жесткости работы двигателя и ухудшает его динамическую уравновешенность.

Граничное значение интервала качания коромысла в 60^o обеспечивает оптимальную эффективность использования энергии продуктов сгорания. Уменьшение данного граничного значения менее 60^o уменьшает КПД двигателя, а увеличение данного граничного значения сверх 60^o, не увеличивая КПД двигателя, повышает жесткость его работы.

По сравнению с известным поршневым двигателем внутреннего сгорания, в котором управляющий рабочим процессом двигателя кулачковый вал размещен в направлении продольной оси двигателя, КПД заявленного поршневого двигателя внутреннего сгорания будет также значительно выше.

Связано это с тем, что в известном двигателе с продольным расположением кулачкового вала величина крутящего момента в процессе рабочего хода будет значительно уменьшаться не только за счет уменьшения воздействующей на кулачок силы F, но и за счет уменьшения расстояния от точки приложения силы F до продольной оси кулачкового вала.

Этого недостатка лишен заявленный поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором благодаря коромыслу, аккумулирующему энергию движения поршня, воздействующая на кулачок сила F будет на всем протяжении рабочего хода приложена к вершине кулачка на максимально возможном удалении от оси вала и практически на неизменяемом расстоянии.

Изобретение относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания. Технический результат заключается в повышении КПД двигателя. Двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, поршень 2, шток 3 и кулачковый вал 4 с кулачком 5. Шток 3 и поршень 2 жестко соединены друг с другом. Конец штока 3 со стороны кулачкового вала 4 снабжен роликом 6 и коромыслом 7 с возможностью качания коромысла 7 относительно своей оси 8. Постоянный подвижный контакт ролика 6 с профилированной поверхностью кулачка 5 обеспечивает пружина 9. Качание коромысла относительно своей оси 8 между штоком 3 и кулачком 5 кулачкового вала 4 обеспечивает пружина 10. 3 ил.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере одну цилиндропоршневую группу, шток и управляющий рабочим процессом двигателя кулачковый вал, причем шток одним своим концом жестко соединен с поршнем, а вторым своим концом находится в постоянном подвижном контакте с профилированной поверхностью кулачка, характеризующийся такой особенностью, что шток со стороны кулачкового вала снабжен коромыслом с возможностью качания коромысла относительно своей оси между штоком и кулачком кулачкового вала.