ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F02B75/26 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в различных энергетических установках летательных аппаратов, автомобилей, быстроходных катеров и т.д.

Известны конструкции аксиально-поршневых ДВС /А.С. СССР N 761771, МКИ⁵ F 16 H 21/18 опубликовано 7.09.80, Б.И. N 33/, содержащие корпус, блок цилиндров, камеры сгорания, поршни, размещенные в цилиндрах, систему топливоподачи, при этом на валу двигателя жестко закреплена плоская вращающаяся шайба, к которой через переходные элементы присоединены поршни с помощью сферических шарниров.

Недостатками таких двигателей являются определенные трудности в создании и эксплуатации долговечных сферических шарниров, сложности в балансировке двигателя. Кроме того, силы, действующие вдоль оси вала, достигают значительных величин и для их нейтрализации необходимо создавать сферические подшипники со специфическими конструктивными решениями. Все это усложняет конструкцию двигателя и уменьшает его к.п.д.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является аксиально-поршневой ДВС /А.С. СССР N 689624, МКИ⁵ F 02 В 75/26 опубликовано 30.09.79, Б.И. N 36/, принятый в качестве прототипа, содержащий корпус, блок цилиндров, камеры сгорания, поршни, размещенные в цилиндрах, шатуны, соединенные цилиндрическими шарнирами с поршнями и качающейся рамкой, воздействующей на наклонную шайбу, установленную на косом кривошипе выходного вала двигателя, к которому подключены потребители энергии.

К недостаткам прототипа следует отнести то, что данная конструктивная схема не обеспечивает эффективного преобразования колебательного углового движения коромысла во вращательное движение выходного вала двигателя и способствует образованию значительных боковых сил при взаимодействии поршней с цилиндром, требует организации системы уплотнения поршня и снижает к.п.д. двигателя.

Задачей изобретения является повышение к.п.д., экономичности, а также надежности и долговечности двигателя за счет исключения бокового давления поршня на стенки цилиндра и их контактного взаимодействия.

Поставленная задача достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, блок цилиндров, поршни, размещенные в цилиндрах, шатуны, соединенные цилиндрическими шарнирами с поршнями и с качающейся наружной рамкой-коромыслом, установленной на наклонной шайбе косого кривошипа выходного вала двигателя, к которому подключены потребители энергии, в отличие от прототипа, каждый шатун выполнен в виде эксцентричного вала с эксцентриситетом с одновременно удовлетворяющим условиям и , где a - расстояние по коромыслу между осями вала двигателя и осью крепления шатуна, d - дезоксиальность двигателя, α_max максимальное значение угла наклона коромысла, а поршни выполнены ступенчатыми и снабжены штоками, установленными в опорах, вынесенных из зоны горения топливного заряда, закрепленных на корпусе.

Совокупность перечисленных признаков предлагаемого изобретения позволяет полностью исключить появление боковой составляющей силы на стенки цилиндра.

Введение ступенчатых поршней позволяет переместить боковые усилия от поршней на стенки цилиндра в дополнительные опоры в места их сопряжения со штоками поршней.

Введение эксцентричного вала в виде шатуна с эксцентриситетом, удовлетворяющим полученными авторами условиями, позволяет исключить боковые силы от поршней на стенках цилиндра.

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что известны пространственные механизмы /А.С. СССР N 1375892, МКИ⁵ F 16 H 23/00 опубликовано 23.02.88, Б.И. N 7/, осуществляющие преобразование колебательного углового движения коромысла в возвратно-поступательное движение поршней, посредством шатунов в виде эксцентричного вала с эксцентриситетом, равным e>a-d. Кинематический анализ такого пространственного механизма, проведенный авторами, показал, что это условие является необходимым, но недостаточным, так как не учитывает всех вариантов дезоаксиальности двигателя, что не обеспечивает работоспособности двигателя при разных углах наклона кривошипа, то есть во всех положениях механизма при вращении вала двигателя. Необходимыми и достаточными условиями поступательного движения поршней со штоками будут следующие:

Вывод этих зависимостей базируется на кинематическом анализе механизма преобразования поступательного движения поршней со штоками в угловое колебательное движение наружной рамки-коромысла и далее во вращательное движение выходного вала двигателя. Принципиальная схема такого механизма показана на фиг. 1.

Кинематическое уравнение поступательного движения поршня, штока или точки В имеет вид

где a - расстояние по коромыслу между осью двигателя и осью крепления шатуна, e - эксцентриситет шатуна, d - дезоаксиальность двигателя, α - угол поворота коромысла.

Для осуществления поступательного движения поршней со штоками подкоренное выражение должно быть:
e²-(d-a·cosα)²>0,
что при разных углах α и при разных сочетаниях геометрических размеров приводит к требованию соблюдения указанных выше двух условий. Неучет этих условий приводит либо к заклиниванию механизма преобразования, либо к его разрушению.

Существо устройства поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена кинематическая схема предлагаемого ДВС. На фиг. 2 изображен продольный разрез заявляемого аксиально-поршневого ДВС.

Двигатель состоит из корпуса 1, в котором установлен вал 2 с косыми кривошипами 3. Наклонные шайбы внутренней рамки 4 установлены на косом кривошипе и к ним крепится качающаяся наружная рамка-коромысло 5, и далее через эксцентричные шатуны 6 присоединяются штоки 7 ступенчатых поршней 8, снабженных бесконтактными уплотнениями, например, лабиринтными 9, движущихся в цилиндрах 10, снабженных впускными 11 и выпускными окнами 12. Штоки 7 установлены в дополнительных опорах 13, закрепленных на корпусе 1. Камера сгорания 14 расположена между поршнями и формируется при их сближении во внутренней мертвой точке. В корпусе установлены свечи зажигания 15.

Работа двухтактного аксиально-поршневого ДВС осуществляется следующим образом. При расположении поршней во внешней мертвой точке (верхняя часть фиг. 2) происходит удаление продуктов сгорания топлива и продувка цилиндра свежим воздухом через выпускные окна 12. Перед окончанием продувки в цилиндр 10 впрыскивается топливо насосом низкого давления. Поршни 8 движутся навстречу друг другу и топливная смесь оказывается в камере сгорания 14, как это изображено на фиг. 2. При достижении внутренней мертвой точки от свечи зажигания 15 происходит воспламенение топливовоздушной смеси и начинается рабочий ход и совершение полезной работы. Именно в этом такте вырабатывается крутящий момент. При достижении поршнями крайнего нижнего положения во внешней мертвой точке происходит выхлоп отработанных газов и начинается новый цикл работы двигателя.

Использование предлагаемого устройства позволяет, по сравнению с прототипом, обеспечить повышение к. п.д., экономичности, долговечности и эффективности за счет:
- исключения боковых усилий на цилиндры от поршней и, соответственно, потерь на трение, что в обычных двигателях и в прототипе тоже составляет не менее 30% от всех видов механических потерь,
- переноса контактных уплотнений поршней из зоны горения топливного заряда,
что не очевидно в известных устройствах.

Изобретение может быть использовано в качестве поршневого двигателя в различных энергетических установках, в частности в летательных аппаратах и автомобилях. Двигатель внутреннего сгорания содержит корпус, блок цилиндров и поршни, размещенные в цилиндрах. Шатуны соединены цилиндрическими шарнирами с поршнями и с качающейся наружной рамкой-коромыслом, установленной на наклонной шайбе косого кривошипа выходного вала двигателя. Каждый шатун выполнен в виде эксцентричного вала с эксцентриситетом e, одновременно удовлетворяющим условиям: (мм), где a - расстояние по коромыслу между осью двигателя и осью крепления шатуна, d - дезоаксиальность двигателя, α_max - максимальное значение угла наклона кривошипа. Поршни могут быть выполнены ступенчатыми и снабжены штоками, установленными в опорах. Опоры вынесены из зоны горения топливного заряда и закреплены на корпусе. Технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия, экономичности, а также надежности и долговечности двигателя за счет исключения бокового давления поршня на стенки цилиндра и их контактного взаимодействия. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, блок цилиндров, поршни, размещенные в цилиндрах, шатуны, соединенные цилиндрическими шарнирами с поршнями и с качающейся наружной рамкой-коромыслом, установленной на наклонной шайбе косого кривошипа выходного вала двигателя, к которому подключены потребители энергии, отличающийся тем, что каждый шатун выполнен в виде эксцентричного вала с эксцентриситетом e, одновременно удовлетворяющим условиям:

мм,
где a - расстояние по коромыслу между осью двигателя и осью крепления шатуна;
d - дезоаксиальность двигателя;
α_max - максимальное значение угла наклона кривошипа. 2. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что поршни выполнены ступенчатыми и снабжены штоками, установленными в опорах, вынесенных из зоны горения топливного заряда, закрепленных на корпусе.