ОППОЗИТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК F02B75/24 

Изобретение относится к отрасли машиностроения, в частности к двигателестроению, а именно к конструкциям уравновешенных без специальных механизмов двигателей внутреннего сгорания с оппозитно расположенными цилиндропоршневыми группами.

Известно, что уравновешивание двигателей внутреннего сгорания достигается несколькими способами: расположением определенным образом цилиндров и выбором такой кривошипной схемы коленчатого вала, при которой переменные силы инерции и их моменты взаимно уравновешиваются; созданием с помощью дополнительных масс новых сил, в любой момент времени равных по величине, но противоположных по направлению основным силам, которые уравновешиваются; использованием первого и второго способов одновременно (кн. Автомобильные и тракторные двигатели, ч. II, под ред. проф. И.М.Ленина, М.: Высшая школа, 1976, с. 34).

Так, например, известен оппозитный двигатель внутреннего сгорания, содержащий расположенные соосно и симметрично относительно оси трехкривошипного коленчатого вала первый и второй цилиндры с установленными в них первым и вторым поршнями, шарнирно соединенными с соответствующими им шатунами, причем первый поршень связан с первым кривошипом посредством первого шатуна, а второй поршень связан с расположенными симметрично относительно оси цилиндров под углом 180^o относительно первого кривошипа вторым и третьим кривошипами посредством второго шатуна, который выполнен вильчатым и охватывает первый кривошип (в.з. ФРГ 3132144, опубл. 03.03.83 г., МКИ F 16 F 15/24).

Оппозитный двигатель внутреннего сгорания известной конструкции сбалансирован не только относительно сил инерции вращающихся и движущихся возвратно-поступательно масс двигателя, но и относительно моментов инерции первой и высших степеней, возникающих вследствие осевого смещения шатунных шеек во время работы двигателя.

Недостаток известного устройства - чрезмерные нагрузки на кривошипно-шатунный механизм и опоры двигателя - обусловлен тем, что удаленность второй и третьей шатунных шеек от оси цилиндров требует использования второго, вильчатого шатуна больших размеров и массы. Для обеспечения уравновешенности двигателя первый, обычный, шатун необходимо выполнить с массой, равной массе вильчатого шатуна, то есть заведомо переутяжелить.

Однако вследствие возрастания сил инерции движущихся масс возрастают и нагрузки на кривошипно-шатунный механизм и опоры двигателя.

Прототипом заявляемого устройства является оппозитный двигатель внутреннего сгорания, содержащий расположенные соосно и симметрично относительно оси трехкривошипного коленчатого вала первый и второй цилиндры с установленными в них первым и вторым поршнями, щарнирно соединенными с соответствующими им шатунами с помощью поршневых пальцев, установленных в отверстиях стенки тронка каждого поршня, причем первый поршень связан с первым кривошипом посредством первого шатуна, соединенного с поршневым пальцем во внутренней полости первого поршня, а второй поршень связан с расположенными симметрично относительно оси цилиндров под углом 180^o относительно первого кривошипа вторым и третьим кривошипами посредством второго и третьего шатунов соответственно, масса каждого из которых в два раза меньше, чем масса первого шатуна (заявка ЕПВ 0503842 А1, опубл. 05.03.92 г., МКИ F 02 B 75/24, F 01 B 7/06, F 02 F 7/00).

Второй и третий шатуны согласно прототипу соединены с поршневым пальцем второго поршня во внутренней полости последнего, а поршневой палец закреплен концами в стенках тронка поршня.

В оппозитном двигателе внутреннего сгорания данной конструкции, как и в вышеупомянутом устройстве, массы и моменты инерции движущихся элементов, принадлежащих к первому и второму цилиндрам, одинаковы, благодаря чему обеспечивается их взаимная компенсация при вращении коленчатого вала.

Однако удаленность второй и третьей шатунных шеек от оси цилиндров и необходимость размещения второго и третьего шатунов во внутренней полости второго поршня обусловливают использование цилиндро-поршневых групп большого диаметра, что приводит к увеличению массы и площади поршней, то есть к увеличению как сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс, так и сил давления газов на поршень, вследствие чего возрастают суммарные силы, действующие на кривошипно-шатунный механизм и опоры двигателя.

Таким образом, чрезмерная нагрузка на кривошипно-шатунный механизм и опоры известных оппозитных двигателей внутреннего сгорания с трехкривошипным коленчатым валом, отрицательно влияющая на показатели надежности и ресурс двигателя, объясняется тем, что следствием мероприятий, направленных на обеспечение уравновешивания моментов и сил инерции движущихся масс, неизменно становилось увеличение этих же масс (или массы шатунов или массы поршней).

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования оппозитного двигателя внутреннего сгорания, в котором за счет нового выполнения обеих поршневых групп и нового соединения шатунов со вторым поршнем уменьшались бы силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс и сила давления газов на поршни при соблюдении условий уравновешенности двигателя, благодаря чему уменьшаются нагрузки на кривошипно-шатунный механизм и опоры двигателя и возрастают его показатели надежности и ресурса.

Для решения поставленной задачи в оппозитном двигателе внутреннего сгорания, содержащем расположенные соосно и симметрично относительно оси трехкривошипного коленчатого вала первый и второй цилиндры с установленными в них первым и вторым поршнями, шарнирно соединенными с соответствующими им шатунами с помощью поршневых пальцев, установленных в отверстиях стенки тронка каждого поршня, причем первый поршень связан с первым кривошипом посредством первого шатуна, соединенного с поршневым пальцем во внутренней полости первого поршня, а второй поршень связан с расположенными симметрично относительно оси цилиндров под углом 180^o относительно первого кривошипа вторым и третьим кривошипами посредством второго и третьего шатунов соответственно, масса каждого из которых в два раза меньше, чем масса первого шатуна, согласно изобретению стенки тронка каждого поршня выполнены со смещенными относительно внутренней поверхности цилиндра участками, расположенными симметрично относительно условной плоскости, пересекающей поршень по оси цилиндров перпендикулярно оси отверстий под поршневой палец, концы которого выведены в полости, образованные наружной поверхностью тронка поршня и внутренней поверхностью цилиндра, причем второй и третий шатуны соединены с концами поршневого пальца второго поршня.

В соответствии с первым примером в оппозитном двигателе внутреннего сгорания наружная поверхность тронка каждого поршня выполнена с плоскими участками, расстояние между которыми определено из соотношения:
0,50D≤d≤0,75D,
где d - расстояние между плоскими участками наружной поверхности тронка поршня;
D - диаметр внутренней поверхности цилиндра.

В соответствии со вторым примером в оппозитном двигателе внутреннего сгорания наружная поверхность тронка каждого поршня выполнена с вогнутыми в направлении оси цилиндров участками, расстояние между которыми в условной плоскости, пересекающей поршень по оси цилиндров и оси отверстий под поршневой палец, определено из соотношения:
0,50D≤d≤0,75D,
где d - расстояние между вогнутыми участками наружной поверхности тронка поршня;
D - диаметр внутренней поверхности цилиндра.

Совокупность существенных признаков заявляемого устройства обеспечивает по сравнению с прототипом уменьшение сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс и сил давления газов на поршни при выполнении условий уравновешенности двигателя. Это достигается благодаря созданию условий для размещения второго и третьего шатунов, связанных с поршневым пальцем второго поршня, не в его внутренней полости, как в прототипе, а в полостях, образованных внешней поверхностью тронка поршня и внутренней поверхностью цилиндра, что позволило уменьшить массу и площадь поршней и, следовательно, суммарные силы, действующие на кривошипно-шатунный механизм, которые складываются из сил давления газов в цилиндрах и сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс (кн. Автомобильные и тракторные двигатели, ч.II, под ред. проф. И. М. Ленина, М.: Высшая школа, 1976, с. 17-19). Уменьшение же нагрузки на кривошипно-шатунный механизм и опоры (подшипники) двигателя способствует повышению показателей надежности и ресурса двигателя.

Кроме того, унификация поршневых комплектов заявляемого оппозитного двигателя внутреннего сгорания способствует не только его уравновешенности, но и технологичности изготовления.

На фиг. 1 показано сечение оппозитного двигателя внутреннего сгорания по оси цилиндров; на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1, первый пример выполнения поршневой группы двигателя; на фиг. 3 - разрез по А-А на фиг. 1, второй пример выполнения поршневой группы двигателя; на фиг. 4 - пример узла осевой фиксации поршневого пальца первого цилиндра; на фиг. 5 - пример узла осевой фиксации шатуна второго цилиндра.

Оппозитный двигатель внутреннего сгорания (фиг. 1) содержит первый и второй цилиндры 1 и 2 соответственно, расположенные соосно и симметрично относительно оси 3 трехкривошипного коленчатого вала 4. В цилиндре 1 и 2 установлены поршни 5 и 6 соответственно. Кривошипно-шатунный механизм двигателя включает первый, второй и третий кривошипы 7, 8 и 9 соответственно и первый, второй и третий шатуны 10, 11 и 12 соответственно. Шатуны 10, 11 и 12 шарнирно связаны с соответствующими им поршнями 5 и 6 с помощью поршневых пальцев 13, которые установлены в отверстиях 14 стенок тронка 15 поршней 5 и 6. Первый поршень 5 связан с первым кривошипом 7 с помощью первого шатуна 10, соединенного с поршневым пальцем 13 во внутренней полости 16 первого поршня 5. Второй поршень 6 связан со вторым кривошипом 8 с помощью второго шатуна 11, а с третьим кривошипом 9 - с помощью третьего шатуна 12. Второй и третий кривошипы 8 и 9 соответственно расположены симметрично относительно оси 17 цилиндров под углом 180^o относительно первого кривошипа 7. Второй и третий шатуны 11 и 12 соответственно размещены симметрично относительно оси 17 цилиндров. Масса каждого из шатунов 11 и 12 вдвое меньше, чем масса шатуна 10.

Поршневые комплекты двигателя выполнены идентично. Каждый из поршней 5 и 6 имеет цилиндрическую головку 18 и профилированный тронк 15. Стенки тронка 15 каждого поршня 5, 6 имеют смещенные относительно внутренней поверхности соответствующего цилиндра 1, 2 участки, которые расположены симметрично относительно условной плоскости, пересекающей поршни 5, 6 по оси 17 цилиндров перпендикулярно к оси 19 отверстий 14 под поршневой палец 13. Концы поршневых пальцев 13 выведены в полости 20 и 21, которые образованы наружной поверхностью тронка 15 поршней 5 и 6 и внутренней поверхностью соответствующих им цилиндров 1 и 2, причем шатуны 11 и 12 соединены с концами поршневого пальца 13 поршня 6.

В соответствии с первым примером (фиг. 2) в оппозитном двигателе внутреннего сгорания наружная поверхность тронка 15 каждого из поршней 5, 6 выполнена с плоскими участками, расстояние d между которыми определено из соотношения:
0,50D≤d≤0,75D,
где d - расстояние между плоскими участками наружной поверхности тронка поршня;
D - диаметр внутренней поверхности цилиндра.

В соответствии со вторым примером (фиг. 3) в оппозитном двигателе внутреннего сгорания наружная поверхность тронка 15 каждого из поршней 5, 6 выполнена с вогнутыми в направлении оси 17 цилиндров участками, расстояние d между которыми в условной плоскости, пересекающей поршень 5, 6 по оси 17 цилиндров и оси 19 отверстий 14 под поршневой палец 13, определено из соотношения:
0,50D≤d≤0,75D,
где d - расстояние между вогнутыми участками наружной поверхности тронка поршня;
D - диаметр внутренней поверхности цилиндра.

Расстояние между смещенными относительно внутренней поверхности цилиндров 1, 2 участками наружной поверхности тронка 15 поршней 5, 6 по оси 19 отверстий 14 под поршневой палец 13 выбрано исходя из таких соображений. В случае унификации первой и второй цилиндро-поршневых групп двигателя в диаметр первого и второго цилиндров 1 и 2 соответственно необходимо вписать подшипник 26 шатуна 10, подшипники 25 шатунов 11 и 12 и пару бобышек поршней 5 и 6 при условии, что длина подшипника 26 приблизительно равна сумме длин подшипников 25, а длина поршневого пальца 13 ограничена внутренним диаметром цилиндров 1 и 2.

Осевую фиксацию поршневого пальца 13 поршня 5 (фиг. 4) можно осуществить, например, с помощью поршневых головок шатунов 11 и 12 и подшипников 25, а также кольца 23.

Шатун 10 соединен с поршневым пальцем 13 во внутренней полости 16 первого поршня 5 с помощью подшипника 26.

Коленчатый вал 4 установлен при помощи подшипников 27 в картере (не показан) двигателя.

При работе оппозитного двигателя внутреннего сгорания поршни 5 и 6, головки 18 которых воспринимают силу давления газов в цилиндрах 1 и 2, движутся возвратно-поступательно вдоль оси 17 цилиндров в направлении к оси 3 коленчатого вала 4, установленного в подшипниках 27 в картере двигателя. Поступательное движение поршней 5 и 6 преобразуется во вращательное движение коленчатого вала 4 с помощью шатунов 10, 11 и 12, соединенных с поршнями 5 и 6 с помощью поршневых пальцев 13, установленных в отверстиях 14 стенок тронка 15 поршней 5 и 6, и с соответствующими кривошипами 7, 8, 9 коленчатого вала.

Принимая во внимание то, что центры тяжести шатуна 10 и шатунов 11 и 12 размещены симметрично относительно оси 3 коленчатого вала 4 и со сдвигом на 180^o поворота коленчатого вала 4, силы инерции масс шатунов 10, 11 и 12, осуществляющих возвратно-поступательное и вращательное движения, взаимно компенсируются при вращении коленчатого вала 4.

Кроме того, массы поршней 5 и 6 одинаковы, а их центры тяжести размещены на одной оси, что способствует уравновешиванию сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс поршней 5 и 6. Причем сами силы инерции масс поршней 5 и 6 вследствие уменьшения массы и площади головок последних значительно меньше, чем в прототипе, благодаря чему уменьшаются нагрузки на кривошипно-шатунный механизм и опоры двигателя (подшипники 25, 26 и 27).

Двигатель предназначен для использования в двигателестроении. Двигатель содержит оппозитные цилиндры с поршнями и трехкривошипный коленчатый вал. Первый поршень связан с первым кривошипом первым шатуном, второй поршень связан с расположенными симметрично относительно оси цилиндров под углом 180^o относительно первого вторым и третьим кривошипами посредством второго и третьего шатунов, масса каждогo из последних в два раза меньше массы первого шатуна. Стенки тронка каждого поршня имеют участки, которые смещены относительно внутренней поверхности цилиндра, концы поршневых пальцев выведены в полости, образованные поверхностями: наружной тронка и внутренней цилиндра, второй и третий шатуны соединены с концами пальцев. Наружная поверхность тронка каждого поршня может быть выполнена с плоскими или вогнутыми к оси цилиндров участками, расстояние между которыми больше или равно 0,5 и меньше или равно 0,75 диаметра внутренней поверхности цилиндра. Изобретение обеспечивает уменьшение нагрузки на кривошипно-шатунный механизм и опоры. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Оппозитный двигатель внутреннего сгорания, содержащий расположенные соосно и симметрично относительно оси трехкривошипного коленчатого вала первый и второй цилиндры с установленными в них первым и вторым поршнями, шарнирно соединенными с соответствующими им шатунами с помощью поршневых пальцев, установленных в отверстиях стенки тронка каждого поршня, причем первый поршень связан с первым кривошипом посредством первого шатуна, соединенного с поршневым пальцем во внутренней полости первого поршня, а второй поршень связан с расположенными симметрично относительно оси цилиндров под углом 180^o относительно первого кривошипа вторым и третьим кривошипами посредством второго и третьего шатунов соответственно, масса каждого из которых в два раза меньше, чем масса первого шатуна, отличающийся тем, что стенки тронка каждого поршня выполнены со смещенными относительно внутренней поверхности цилиндра участками, расположенными симметрично относительно условной плоскости, пересекающей поршень по оси цилиндров перпендикулярно оси отверстий под поршневой палец, концы которого выведены в полости, образованные наружной поверхностью тронка поршня и внутренней поверхностью цилиндра, причем второй и третий шатуны соединены с концами поршневого пальца второго поршня. 2. Оппозитный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что наружная поверхность тронка каждого поршня выполнена с плоскими участками, расстояние между которыми определено из соотношения
0,50D≤d≤0,75D,
где d - расстояние между плоскими участками наружной поверхности тронка поршня;
D - диаметр внутренней поверхности цилиндра. 3. Оппозитный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что наружная поверхность тронка каждого поршня выполнена с вогнутыми в направлении оси цилиндров участками, расстояние между которыми в условной плоскости, пересекающей поршень по оси цилиндров и оси отверстий под поршневой палец, определено из соотношения
0,50D≤d≤0,75D,
где d - расстояние между вогнутыми участками наружной поверхности тронка поршня;
D - диаметр внутренней поверхности цилиндра.