БЕСШАТУННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ВРАЩАЮЩИМИСЯ ПОРШНЯМИ Российский патент 2001 года по МПК F02B75/26 F01B9/06 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению.

Известны конструкции бесшатунных двигателей внутреннего сгорания, такие как, например, двигатель Баландина, поршневая машина Лапидуса.

Двигатель Баландина (см.: Баландин С.С. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1972) содержит корпус, цилиндр, поршень, шток, камеру сгорания, коленчатый вал. В двигателе Баландина преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное осуществляется при помощи коленчатого вала специальной конструкции.

Поршневая машина Лапидуса (А.с. N 1038487, F 01 В 9/08, опубл. 1983), которая может быть использована в качестве двигателя внутреннего сгорания, содержит корпус, цилиндр, поршень, камеру сгорания и выходной вал, связанный с поршнем и цилиндром посредством обгонных муфт.

Известна конструкция поршневой машины, которая представляет собой свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания (см.: Бирюков Б.Н. От водяного колеса до квантового ускорителя. - М.: Машиностроение, 1990). Этот двигатель содержит корпус, в котором размещены два поршня, свободно перемещающиеся внутри цилиндра, и два буферных устройства, расположенных по торцам внутри цилиндра. Рабочий объем и камера сгорания находятся между поршнями. Поршни выполнены из ферромагнитного материала, а на корпус двигателя намотаны токопроводящие обмотки, и при возвратно-поступательном перемещении поршней внутри цилиндра, которое ограничено с одной стороны буферными устройствами, а с другой - силой сопротивления сжатого рабочего тела, в обмотках наводится переменная ЭДС. Такая поршневая машина может быть использована в качестве генератора электрической энергии.

Основными недостатками такого двигателя являются:
- переменная степень сжатия с неблагоприятной зависимостью ее от нагрузки: степень сжатия увеличивается при увеличении нагрузки на двигатель;
- запуск такого двигателя требует применения постороннего источника электрической энергии большой мощности для перемещения поршней внутри цилиндра путем подключения его к обмоткам на корпусе двигателя;
- ненадежность поршневой машины вследствие воздействия на ее основные детали высоких ударных нагрузок, возникающих при работе машины;
- ухудшение электромагнитных характеристик поршней вследствие воздействия на них высоких температур и давлений, а также агрессивности рабочего тела.

Наиболее близкой к предлагаемому двигателю является конструкция бесшатунного двигателя внутреннего сгорания с вращающимися поршнями по патенту Российской Федерации N 2057948, МПК⁶ F 01 В 9/08. Двигатель содержит корпус, гильзу цилиндра с пазом, выполненным на ее внутренней поверхности в виде замкнутой кривой, поршень, в котором размещены передаточные механизмы в виде роликов на пальцах и шток, укрепленный в поршне и взаимодействующий с шестерней выходного вала при помощи роликов, находящихся в прямолинейных пазах в ступице шестерни. За счет перемещения роликов поршня в пазу гильзы цилиндра и роликов штока в пазу ступицы шестерни выходного вала осуществляется преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное, передающееся на выходной вал через шестерню.

Недостатками такого двигателя являются:
- несоответствие конфигурации роликов передаточных механизмов, имеющих форму круглых цилиндрических тел вращения, характерному виду эпюры скоростей движения внешних образующих данных элементов, которая имеет вид треугольников, симметричных относительно оси поршня, вследствие чего неизбежно возникновение проскальзывания определенных участков боковых (рабочих) поверхностей роликов относительно беговой (рабочей) поверхности пава на внутренней поверхности гильзы (цилиндра) в процессе работы двигателя;
- значительное увеличение работы трения, а также возникновение колебательных процессов (вибраций) в передаточных механизмах двигателя по причине, указанной выше, что весьма отрицательно сказывается на плавности и равномерности хода двигателя и, кроме того, существенно ограничивает диапазон работоспособности и снижает показатели надежности и долговечности основных деталей такого ДВС;
- существенное повышение динамической нагруженности механизма преобразования движения двигателя вследствие возникновения различного рода колебательных процессов, что в совокупности с предыдущим недостатком ведет к ускоренному износу и быстрому выходу из строя основных силовых элементов двигателя, а также к необходимости конструктивного увеличения запасов прочности указанных элементов, вследствие чего значительная часть деталей такого ДВС оказывается "переразмеренной":
- высокая доля (удельный вес в конструкции) и масса ведомых (валы, шестерни и т. п.) и связанных с ними корпусных (подшипники с элементами крепления, картеры, различного рода приливы и т. д.) элементов в конструкции двигателя, что уменьшает степень ее рациональности, значительно увеличивает потери мощности в самом двигателе и снижает его КПД, а также существенно ухудшает массогабаритные параметры двигателя;
- ввиду наличия у двигателя указанной совокупности недостатков сравнительно низкие мощностные, технико-экономические, эксплуатационные и экологические показатели такого ДВС.

В основу изобретения поставлено решение задач существенного улучшения мощностных, технико-экономических, массогабаритных, эксплуатационных и экологических показателей, параметров и характеристик бесшатунного ДВС с вращающимися поршнями, а также значительного снижения динамической нагруженности, повышение надежности и увеличение срока службы (долговечности) как основных деталей, так и двигателя в целом.

Это достигается тем, что в бесшатунном ДВС с вращающимися поршнями, содержащем размещенные в корпусе гильзу цилиндра, поршень, выходной вал и передаточные механизмы, взаимодействующие с одним из элементов цилиндропоршневой группы, содержащим на поверхности паз, а также механизм взаимодействия поршня с выходным валом двигателя, согласно изобретению поршень соединен с выходным валом, проходящим через оба днища поршня по его оси, посредством подшипников качения или скольжения, опирающихся на плоскости выходного вала, наружные поверхности верхнего и нижнего днищ поршня в совокупности с соответствующими поверхностями верхней и нижней крышек цилиндра, а также гильзы цилиндра образуют камеры сгорания, расположенные с обеих сторон одного и того же поршня, при этом паз выполнен на боковой поверхности поршня, передаточные механизмы установлены в корпусе двигателя, а механизм взаимодействия поршня с выходным валом расположен внутри поршня двигателя.

Особенностью данного двигателя является то, что термодинамические и газодинамические процессы, в определенной совокупности составляющие рабочий цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания, осуществляются поочередно с каждой из сторон одного и того же поршня таким образом, что этот поршень может совершать рабочий ход как в одну, так и в другую сторону относительно какого-либо торца (крышки цилиндра) двигателя. То есть полезная работа, совершаемая рабочим телом внутри цилиндра в процессе работы двигателя и реализуемая при помощи механизма преобразования движения, который включает передаточные механизмы, взаимодействующие с одним из элементов цилиндропоршневой группы, а также механизм взаимодействия с выходным валом двигателя, в виде вращающего (крутящего) момента на выходном валу, может быть получена при движении поршня в обе стороны, которых возможно иметь две. Это позволяет считать данный бесшатунный ДВС с вращающимися поршнями двигателем двойного действия.

Благодаря указанному взаимному расположению и способу взаимодействия поршня с передаточными механизмами, выходным валом и корпусом (цилиндром) двигателя достигается сокращение числа пар трения, при этом в имеющихся в двигателе парах трения трение скольжения в максимальной степени заменено трением качения, а форма и пространственная конфигурация основных деталей и конструктивных элементов механизма преобразования движения полностью соответствует требованиям, предъявляемым к данным деталям и элементам с точки зрения совершенства кинематических и динамических параметров поршневого бесшатунного ДВС. Это позволяет согласовать геометрические характеристики основных силовых элементов механизма преобразования движения такого ДВС с учетом физической сущности протекающих в двигателе кинематических и динамических процессов, значительно снизить работу трения, а также исключить возникновение вибраций, ударных нагрузок и колебательных явлений в процессе работы двигателя. Таким образом достигается снижение динамической нагруженности, повышение надежности и долговечности работы двигателя, а также улучшение технико-экономических показателей и, в частности, увеличение КПД такого ДВС. Вследствие осуществления принципа двойного действия при работе двигателя повышается энергетическая эффективность ДВС при значительной компактности его как силового агрегата, что ведет к улучшению как мощностных и массогабаритных, так и ремонтно-эксплуатационных показателей, параметров и характеристик такого двигателя.

Поршень бесшатунного ДВС двойного действия предназначен для размещения механизма взаимодействия с выходным валом двигателя.

Выходной вал проходит по оси цилиндра двигателя, в том числе и через рабочие объемы, и уплотняется в поршне и крышках цилиндра двигателя соответствующими уплотнительными элементами, что позволяет существенно снизить габариты и массу, а также упростить конструкцию двигателя.

Каждая крышка цилиндра двигателя в совокупности с соответствующим днищем поршня и частью внутренней поверхности стенок гильзы цилиндра образует отдельный рабочий объем, в котором осуществляется рабочий цикл двигателя, при этом каждый рабочий объем посредством окон в гильзе цилиндра сообщается с впускными и выпускными органами двигателя, что позволяет значительно повысить удельные мощностные показатели двигателя. Следовательно, для каждого поршня двигатель имеет два независимых друг от друга рабочих объема, в каждом из которых осуществляются процессы, составляющие рабочий цикл поршневого ДВС.

Открытием и закрытием впускных и выпускных окон гильзы цилиндра для каждого рабочего объема управляет один и тот же поршень в процессе своего перемещения, чем достигается конструктивная простота и эффективность управления процессами газообмена.

Таким образом, рабочий цикл осуществляется с обеих сторон одного и того же поршня, причем процессы рабочего хода чередуются попеременно в каждом рабочем объеме, при этом двигатель может работать как по двух-, так и по четырехтактному рабочему циклу, и может являться как карбюраторным (с внешним смесеобразованием), так и дизельным (с внутренним смесеобразованием), чем достигаются высокие энергетические показатели двигателя, а также его универсальность.

На боковой поверхности поршня бесшатунного ДВС двойного действия выполнена бесконечная криволинейная замкнутая непересекающаяся канавка, что обеспечивает закон перемещения поршня, задаваемый продольным профилем канавки. В корпусе бесшатунного ДВС двойного действия установлены передаточные механизмы, которых может быть по меньшей мере два и каждый из которых содержит колодку и тело вращения сферической или цилиндрической формы, взаимодействующее с канавкой поршня, что обеспечивает кинематическую связь элементов цилиндро-поршневой группы.

Поршень посредством подвижного соединения, содержащего подшипники, связан с выходным валом двигателя, что обеспечивает передачу крутящего момента потребителю.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен схематический разрез бесшатунного ДВС (БШ ДВС) двойного действия на примере одноцилиндровой поршневой машины, работающей по двухтактному циклу.

Бесшатунный ДВС двойного действия содержит корпус 1 с гильзой цилиндра 2, крышки цилиндра 3 и 4, расположенные с обеих сторон цилиндра, поршень 5, взаимодействующий посредством канавки 6 на своей боковой поверхности с передаточными механизмами 7, содержащими колодку 8 и тело вращения 9 сферической формы, а также подвижное соединение 10, обеспечивающее передачу вращения на выходной вал 11 двигателя. Гильза цилиндра 2 имеет два впускных 12 и два выпускных 13 окна, а в местах, требующих по условиям работы применения уплотнений, установлены уплотнительные элементы 14 и 15 в виде колец. Выходной вал двигателя 11 установлен в подшипниках 16 и снабжен маховиком (последний на чертеже не показан). Выходной вал 11 выполнен в средней, находящейся внутри поршня части плоским и имеет две лыски для взаимодействия с элементами подвижного соединения 10. Подвижное соединение 10 содержит оси 17, установленные в поршне 5, на которых размещены ролики 18 на втулках 19. Ролики 18 опираются на плоскости (лыски) выходного вала 11. Вместо роликов 18 на втулках 19, образующих подшипники скольжения, в подвижном соединении 10 могут быть использованы подшипники качения.

Бесшатунный ДВС двойного действия работает следующим образом. В процессе сгорания и расширения газы, находящиеся в верхнем рабочем объеме А цилиндра, заставляют поршень 5 перемещаться вниз, при этом в нижнем рабочем объеме Б осуществляется сжатие рабочей смеси; в конце хода поршня 5 в верхнем рабочем объеме происходит открытие вначале выпускных 13, а затем впускных 12 окон и начинается процесс газообмена, а в нижнем рабочем объеме вблизи нижней мертвой точки (НМТ) поршня 5 происходит воспламенение топливо-воздушной (рабочей) смеси. При дальнейшем движении поршня 5 газы, образующиеся в результате процесса сгорания в нижнем рабочем объеме цилиндра, заставляют поршень 5 перемещаться вверх, в результате чего в нижнем рабочем объеме цилиндра происходит рабочий ход, а в верхнем рабочем объеме заканчивается процесс газообмена (продувки-наполнения) и происходит сжатие свежего заряда рабочей смеси, поступившего в верхний рабочий объем за время продувки-наполнения. Вблизи верхней мертвой точки (ВМТ) поршня 5 в нижнем рабочем объеме цилиндра начинается процесс газообмена, а в верхнем рабочем объеме происходит воспламенение рабочей смеси. В дальнейшем указанные процессы циклически повторяются в каждом из рабочих объемов цилиндра. В процессе своего движения поршень 5 посредством бесконечной криволинейной замкнутой канавки 6 на своей боковой поверхности взаимодействует с передаточными механизмами 7, установленными в корпусе двигателя, и вследствие взаимодействия тел вращения 9 передаточных механизмов 7 с канавкой 6 поршня 5 возвратно-поступательное движение поршня 5 преобразуется во вращательное, которое при помощи подвижного соединения 10 передается на выходной вал двигателя. Маховик бесшатунного ДВС двойного действия обеспечивает требуемую равномерность хода двигателя.

Изобретение обеспечивает следующие технические преимущества:
- соответствие геометрических параметров и характеристик основных силовых элементов механизма преобразования движения требованиям, предъявляемым к данным деталям с точки зрения совершенства кинематических и динамических процессов, протекающих в поршневом бесшатунном ДВС во время его работы;
- уменьшение работы трения и механических потерь в двигателе, а также исключение возникновения высоких ударных нагрузок и различного рода колебательных процессов, что позволяет повысить КПД двигателя, расширить диапазон (границы) работоспособности, повысить надежность и увеличить срок службы (моторесурс) двигателя;
- снижение динамической нагруженности механической части двигателя, а значит возможность такой оптимизации его основных деталей, при которой их форма, размеры и масса будут обеспечивать лучшие массогабаритные и эргономические показатели двигателя;
- улучшение мощностных, технико-экономических, ремонтно-эксплуатационных и экологических параметров, показателей и характеристик двигателя.

Промышленная применимость
Представленная конструкция бесшатунного ДВС двойного действия может быть использована в качестве источника механической энергии машин и механизмов наземного, водного и воздушного транспорта, а также для привода всевозможных промышленных и бытовых потребителей механической энергии (генераторы, насосы, компрессоры, мобильные анренаты, оборудованные ДВС, сельскохозяйственные машины и т. д.). Поршневая машина подобной конструкции может быть использована также в качестве поршневого насоса, компрессора или другого аналогичного агрегата.

Бесшатунный ДВС двойного действия позволяет существенно упростить конструкцию и значительно снизить номенклатуру деталей двигателя, повысить технологичность изготовления его основных деталей, повысить надежность работы и моторесурс двигателя за счет упрощения его конструкции и достаточно высокой технологичности изготовления и сборки как основных деталей, так и двигателя в целом, а также существенно снизить массу и габариты двигателя и улучшить характеристики его компонуемости в составе силовой установки.

Двигатель может быть использован в качестве источника механической энергии машин и механизмов наземного, водного и воздушного транспорта, для привода различных промышленных и бытовых потребителей, а также как насос или компрессор. В корпусе двигателя установлена гильза цилиндра. Крышки цилиндра расположены по торцам. Поршень выполнен в виде цилиндрического трубчатого элемента, торцевые части которого уплотнены по наружной и внутренней поверхностям с помощью уплотнительных кольцевых элементов. Поршень взаимодействует посредством криволинейной замкнутой непрерывной непересекающейся канавки (паза) на своей боковой поверхности с передаточными механизмами. Механизмы установлены в корпусе двигателя и содержат тела вращения сферической или цилиндрической формы. Выходной вал двигателя проходит по оси цилиндра через ось поршня и рабочие объемы, расположенные с обеих сторон поршня. Вал взаимодействует с поршнем двигателя посредством подвижного соединения, содержащего подшипники качения или скольжения. Процессы, составляющие двух- или четырехтактный рабочий цикл поршневой тепловой машины, осуществляются поочередно с обеих сторон поршня двигателя таким образом, что поршень совершает перемещение, сопровождающееся получением полезной работы цикла (рабочий ход) в двух направлениях, что позволяет считать данный двигатель двигателем двойного действия. Данное решение обеспечивает уменьшение работы трения и механических потерь, повышение КПД двигателя, снижение динамической загруженности основных деталей ДВС, улучшение мощностных, технико-экономических, массогабаритных, ремонтно-эксплуатационных и экологических показателей двигателя, а также повышение надежности и увеличение его моторесурса (долговечности). 1 ил.

Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания с вращающимися поршнями, содержащий размещенные в корпусе гильзу цилиндра, поршень, выходной вал и передаточные механизмы, взаимодействующие с одним из элементов цилиндропоршневой группы, содержащим на поверхности паз, а также механизм взаимодействия поршня с выходным валом двигателя, отличающийся тем, что поршень выполнен в виде закрытого с торцов трубчатого элемента, концы которого уплотнены по наружной и внутренней поверхностям, поршень соединен с выходным валом двигателя, проходящим через оба днища поршня по его оси, посредством подшипников качения или скольжения, опирающихся на плоскости выходного вала, наружные поверхности верхнего и нижнего днищ поршня в совокупности с соответствующими поверхностями верхней и нижней крышек цилиндра, а также гильзы цилиндра образуют камеры сгорания, расположенные с обеих сторон одного и того же поршня, что обеспечивает возможность поочередного осуществления рабочих процессов с обеих сторон одного и того же поршня, то есть, его двойное действие (двигатель двойного действия), при этом паз выполнен на боковой поверхности поршня, передаточные механизмы установлены в корпусе двигателя, а механизм взаимодействия поршня с выходным валом расположен внутри поршня двигателя.