ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F02B71/00 F02B75/32 

Изобретение относится к области преобразования энергии сгорания горючей смеси (горючий газ или жидкость совместно с воздухом) в механическое движение, а более конкретно к двигателям внутреннего сгорания.

Для преобразования энергии сгорания горючей смеси в возвратно-поступательное движение поршня в практике широко используются двигатели внутреннего сгорания.

Известные двигатели внутреннего сгорания (Луканин В.Н., Мозов К.А. и др. "Двигатели внутреннего сгорания"; в трех книгах; М., Высшая школа, 1995 г.) состоят из одного или нескольких цилиндров с поршнями, клапанов, системы подачи горючего, системы зажигания, системы охлаждения и привода.

Недостатками известных двигателей внутреннего сгорания являются: обеспечение повышенной точности обработки контактирующих поверхностей поршня и цилиндра, обеспечение охлаждения и смазки трущихся поверхностей и герметичности конструкции, особенно, герметичности поршня и цилиндра при использовании горючих смесей, создающих высокое давление. Все существующие двигатели внутреннего сгорания предполагают наличие коленчатого вала для обеспечения взаимосвязанной работы цилиндров и превращения возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение привода. Установка поршней на общий коленчатый вал двигателя строго регламентирует работу отдельных цилиндров и ограничивает возможность использования цилиндров по отдельности. Неполадки, возникающие в процессе работы отдельных цилиндров, существенно влияют на работу двигателя в целом и могут привести к выходу из строя двигателя. Это существенно снижает надежность двигателя внутреннего сгорания. Увеличение крутящего момента на коленчатом валу двигателя возможно только при помощи увеличения подачи горючей смеси, что приводит к неполному сгоранию горючей смеси. Сравнительно большие инерционные силы, возникающие в движущихся деталях двигателя, приводят к увеличению размеров движущихся деталей и габаритных размеров самого двигателя, создают большие нагрузки на подшипники коленчатого вала. Уменьшение длины хода поршней, для уменьшения инерционных сил приводит тоже к неполному сгоранию горючей смеси. Существенные осложнения возникают при пуске двигателя при низких температурах. Достаточно сложен ремонт и восстановление отработавшего двигателя внутреннего сгорания.

В основу настоящего изобретения положена задача создания двигателя внутреннего сгорания с таким конструкторским выполнением, которое позволило бы устранить указанные выше недостатки.

Эта задача решена созданием двигателя внутреннего сгорания для преобразования энергии сгорания горючей смеси в механическое движение, включающего, по меньшей мере, один цилиндр с клапанами и свечой зажигания, в который соосно установлены сильфон и пружина с эластичным баллоном, крышка цилиндра, поршень и направляющая опора поршня, отличающийся тем, что, концы сильфона и пружины с эластичным баллоном соосно закреплены соответственно на крышке цилиндра и на поршне, таким образом, что между сильфоном и эластичным баллоном образуется камера охлаждения, а между сильфоном, поршнем и внутренней поверхностью цилиндра образуется герметично закрытая камера с возможностью преобразования энергии сгорания горючей смеси в движение поршня по геометрической оси цилиндра.

Для предлагаемой конструкции двигателя внутреннего сгорания цилиндр является основной корпусной деталью, на одной крышке которой установлены свеча зажигания, и клапаны для горючей смеси и выхлопных газов. На другой крышке закрепляются концы сильфона, эластичного баллона и пружины. Корпус цилиндра оснащен полостью для охлаждения. Двигатель может быть оснащен несколькими цилиндрами, диаметры которых могут быть разные. Количество и диаметр цилиндров определяются из условия обеспечения требуемой мощности двигателя и времени, необходимого для достижения этой мощности, т.е. цели использования двигателя. Поршень и шток двигателя выполнены как одно целое и соосно закреплены на подвижном торце пружины. Диаметр поршня выбирается таким образом, чтобы обеспечить гарантированный радиальный зазор между поршнем и цилиндром. Размер зазора определяется из условия обеспечения бесконтактного хода поршня по длине цилиндра и условия обеспечения допустимого давления газов на сильфон. Шток установлен на направляющей опоре, которая обеспечивает необходимую траекторию движения. К поршню крепится также донная часть эластичного баллона и подвижный торец сильфона таким образом, чтобы между сильфоном и эластичным баллоном образовалась герметичная осесимметричная камера. Эта герметичная камера снабжена более одного входными клапанами и осуществляет функции насоса для охлаждающей смеси. Она также позволяет при помощи заполняющей камеру смеси часть давления газов сжигания от сильфона передавать пружине и облегчить условия работы сильфона. Регулируя усилия выпускного клапана, можно регулировать величину передаваемого давления. Усилие входного клапана определяется из условия прочности сильфона от величины отрицательного давления при всасывании охлаждающей смеси. Зазор между поршнем и цилиндром выбирается таким образом, чтобы обеспечить соответствующее осевое и радиальное давление на камеру охлаждения. Сильфон и пружина с эластичным баллоном являются основными деталями предлагаемой конструкции двигателя внутреннего сгорания и могут быть выполнены цилиндрическими или в форме усеченного конуса. Они служат как для восприятия давления газов сгорания рабочей смеси и создания усилия, необходимого для обратного перемещения поршня, так и для обеспечения охлаждения цилиндра и поршня. Цилиндр может быть снабжен и дополнительными сильфонами, установленными соосно друг другу. Параметры сильфона определяются из условия обеспечения его срока эксплуатации при заданном максимальном перемещении поршня, величины температуры эксплуатации и давления, которая воспринимает на себя сильфон. Это давление определяется разностью рабочего давления газов сжигания рабочей смеси и радиального давления, которая через охлаждающую смесь и эластичный баллон воспринимает пружина. Следовательно, для двигателя можно использовать более гибкие сильфоны, позволяющие получать большие осевые и угловые деформации, например, диафрагменные сильфоны. Предлагаемая конструкция использует упругую потенциальную энергию деформации пружины для обеспечения обратного хода поршня и обеспечивает радиальную жесткость сильфона. Осевая жесткость пружины определяется из условия обеспечения скорости возврата поршня, а радиальную жесткость пружины нужно выбирать таким образом, чтобы обеспечить прочность камеры давления (сильфона) при максимальном перемещении поршня. При этом необходимо обязательно провести проверочный расчет геометрических размеров пружины на циклическую прочность. В зависимости от мощности двигателя внутреннего сгорания пружина может иметь разные конструкции. Для двигателей внутреннего сгорания, имеющих небольшую мощность и малый диаметр поперечного сечения камеры сгорания, удобно пользоваться призматическими витыми пружинами, которые, имея небольшую жесткость, просты в изготовлении и могут противостоять небольшим давлениям. Для более мощных двигателей, в цилиндрах которых действуют высокие давления, предпочтение нужно отдать прорезным призматическим пружинам. Удобно использовать призматические пружины, кольцевые элементы которых работают на совместный изгиб и кручение, однако, в отличие от прорезных пружин собраны из отдельных плоских элементов, расстояние между которыми устанавливается во время сборки пружины при помощи вставных прокладок. Они позволяют не только обеспечить практически любую жесткость пружины при достаточной прочности, но и позволяют достаточно просто обеспечить получение разных осесимметричных конфигураций внутренней поверхности призматической пружины, что очень важно при использовании армированных высокопрочными нитями (корд) эластичных призматических баллонов. Использование эластичного баллона в предлагаемом двигателе позволяет обеспечить максимальную герметичность камеры охлаждения. Эластичный призматический баллон изготавливается из упругого, легкодеформируемого материала, например резины, и может иметь форму стакана или трубы. Принцип действия поршневой машины позволяет использовать материалы с невысокими прочностными характеристиками, так как стенки эластичного баллона являются промежуточным звеном для передачи высокого давления, действующего в камере сгорания, к стенкам призматической пружины, что способствует возникновению сравнительно низких напряжений в стенках эластичного баллона при функционировании двигателя. Более подробное описание работы и выбора параметров пружины с эластичным баллоном приведен в заявке на патент РФ 2001115594 от 08.06.2001 г.

Допускается, чтобы цилиндр, поршень, сильфон, эластичный баллон и пружина двигателя имели призматическую форму, что практически осуществимо, так как между поршнем и цилиндром существует зазор. Это позволит использовать разного поперечного сечения цилиндры, и тем самым появятся большие возможности для компоновки многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания.

Допускается, чтобы цилиндр, сильфон, эластичный баллон и призматическая пружина двигателя имели форму отсеченного тора. Предлагаемая конструкция машины допускает существование зазора между полостью цилиндра и поршня, что позволяет осуществить бесконтактное движение поршня по дуге окружности, если цилиндр, сильфон, эластичный баллон и призматическая пружина имеют форму отсеченного тора, а направляющая опора является вращательной парой. Это позволяет в двигателе внутреннего сгорания, без применения коленчатого вала, осуществить поворот определенного звена двигателя относительно определенной оси. При использовании в двигателе нескольких аналогичных цилиндров с поршнями, имеющих фазовый сдвиг перемещений поршней друг относительно друга, можно осуществить непрерывное вращение прямолинейного приводного вала, если на приводном валу установить обгонные муфты, кинематически связанные со штоками. При этом уменьшаются инерционные силы и существенно снижаются нагрузки на подшипниках вала.

Допускается применение предварительно напряженной составной призматической пружины и сильфона, что позволит при неизменной жесткости основной пружины существенно регулировать жесткость камеры сгорания и охлаждения. Например, установив винтовую пружину, между витками которой в начальный момент отсутствует зазор, внутрь прорезной пружины необходимой жесткости можно при помощи увеличения количества витков на длине пружины обеспечить минимальный размер межвиткового расстояния при максимальном ходе поршня и тем самым существенно уменьшить рабочие напряжения, действующие в стенках эластичного призматического баллона. Это позволит в конструкции поршневой машины использовать эластичные призматические баллоны, имеющие невысокие характеристики прочности. Предварительное напряженное состояние пружины может обеспечить соответствующую жесткость перемещения поршня при подаче горючей смеси и позволит регулировать скорость обратного хода поршня.

Для обеспечения охлаждения цилиндра и поршня их снабжают полостями, сообщающимися с камерой охлаждения. Это позволит при перемещении поршня обеспечить подачу охлаждающей смеси в камеру охлаждения и вывод ее через клапаны, установленные на камере охлаждения. Установив размеры камеры охлаждения таким образом, чтобы при одном ходе поршня обеспечить необходимый теплоотвод, можно обеспечить оптимальную систему охлаждения двигателя. Охлаждение будет обеспечиваться только для цилиндров, которые выполняют рабочий цикл.

Можно на внутреннюю поверхность призматической пружины нанести антифрикционное покрытие, например, графит. Это позволит существенно уменьшить силы трения между призматической пружиной и эластичным призматическим баллоном и тем самым увеличить долговечность эластичного баллона.

Для увеличения контактной прочности эластичного призматического баллона его можно армировать винтообразно расположенными относительно продольной оси баллона прочными нитями (кордом). Такое расположение армировки позволяет обеспечить сравнительно высокую прочность эластичного баллона при его достаточной эластичности, что создаст условия для использования горючих смесей, создающих высокие давления.

Для получения высокой степени сжатия рабочей смеси и увеличения осевой силы давления, действующей на поршень, свободная поверхность поршня может иметь вогнутую форму.

Возможно разъемное соединение поршня к штоку. Это позволит увеличить возможности конструктивной компоновки двигателя.

Удобно установить на камеру охлаждения более одного выпускного клапана. Это позволит уменьшить время обратного хода поршня, а, установив их на разных точках камеры, обеспечить лучшее охлаждение нагреваемых деталей двигателя.

Предлагаемое конструктивное выполнение двигателя внутреннего сгорания позволяет снизить точность изготовления ее деталей и тем самым существенно уменьшить трудоемкость производства. Без дополнительных осложнений конструкции двигателя обеспечивается высокая герметичность камеры сгорания, отпадает необходимость использования коленчатого вала и насоса охлаждения. Работа отдельных цилиндров осуществляется независимо друг от друга, что позволяет в цилиндры перманентно подавать оптимальный состав горючей смеси, а величину скорости и крутящего момента на приводном валу обеспечить, меняя частоту зажигания и количество функционирующих цилиндров, что допускает установку электронного управления двигателем и создание больших мощностей за малый промежуток времени. Уменьшаются габаритные размеры двигателя. Облегчается пуск двигателя в холодных условиях эксплуатации (отсутствует смазка между поршнем и цилиндром) и обслуживание двигателя. При этом существенно упрощается ремонт двигателя, который сводится к замене сильфона и эластичного баллона, без ухудшения эксплуатационных характеристик двигателя.

Для лучшего понимания изобретения приведены схематичные изображения предлагаемой поршневой машины:
фиг. 1 схематично изображает двигатель внутреннего сгорания, выполненный согласно изобретению;
фиг.2 схематично изображает вариант двигателя внутреннего сгорания с цилиндром, имеющим форму отсеченного тора.

Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания содержит, по меньшей мере, один цилиндр 2 (фиг.1; фиг.2), на одном торце которого установлены свеча зажигания и клапаны 9 для рабочей смеси и выхлопных газов. Другой торец цилиндра 2 закрывается крышкой 10, на котором закрепляются соосно концы сильфона 5, эластичного баллона 6 и пружины 7. Противоположные концы сильфона 5, эластичного баллона 6 и пружины 7 закреплены на поршне 1 таким образом, что создают герметичную камеру охлаждения, сообщающуюся с камерой охлаждения цилиндра. Камера охлаждения снабжена клапанами 4 и служит как насос для охлаждающей смеси. На крышке цилиндра 10 установлена направляющая опора 11 (на схеме соединение не показано).

На фиг.2 показана схема выполнения предлагаемого изобретения, когда цилиндр 2, сильфон 5, пружина 7 и эластичный баллон 6 двигателя внутреннего сгорания имеют форму отсеченного тора, а направляющая опора 11 является вращающейся парой, снабженной функциями обгонной муфты. На схеме показан также приводной вал 12 двигателя, на котором установлена обгонная муфта.

Двигатель внутреннего сгорания предлагаемой конструкции работает следующим образом.

Через входной клапан 9 в камеру сгорания под давлением подается горючая смесь. При включении зажигания происходит возгорание горючей смеси, образующиеся газы давят на поршень 1 и обеспечивают его рабочий ход. Усилие давления на поршень 1 и давление, действующее на сильфон 5, создают давление на охлаждающую смесь: открывается выпускной клапан 4 камеры охлаждения и при рабочем ходе поршня 1 выталкивается нагретый охлаждающий смесь из камеры охлаждения. Под действием упругого усилия, возникающего в пружине 7 и сильфоне 5, движение поршня 1 останавливается. Закрывается выпускной клапан 4 камеры охлаждения, открывается выхлопной клапан камеры сгорания 9 и под действием упругих сил поршень 1 возвращается в начальную позицию. При этом открывается входной клапан 4 камеры охлаждения и в камеру охлаждения поступает охлаждающая смесь. После возвращения поршня 1 в начальное положение закрывается выхлопной клапан камеры сгорания 9 и в камеру сгорания под давлением поступает следующая порция горючей смеси. Цилиндр 2 готов для выполнения следующего рабочего цикла, начало которого определяется частотой подачи искры зажигания в данном цилиндре. Количество цилиндров, функционирующих в двигателе, одновременно определяют величину крутящего момента на валу двигателя.

Настоящее изобретение может быть использовано во всех устройствах и машинах, где используются двигатели внутреннего сгорания.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателестроению, и позволяет повысить эффективность ДВС. Двигатель внутреннего сгорания включает, по меньшей мере, один цилиндр с клапанами и свечой зажигания, крышку цилиндра, поршень и направляющую опору поршня. В цилиндр соосно установлены сильфон и пружина с эластичным баллоном, концы сильфона и пружины с эластичным баллоном соосно закреплены соответственно на крышке цилиндра и на поршне таким образом, что между сильфоном и эластичным баллоном образуется камера охлаждения, а между сильфоном, поршнем и внутренней поверхностью цилиндра образуется герметично закрытая камера с возможностью преобразования энергии сгорания горючей смеси в движение поршня по геометрической оси цилиндра. Цилиндр, сильфон, пружина и эластичный баллон могут иметь различную форму, причем эластичный призматический баллон изготовлен из эластичного материала и армирован винтообразно расположенными относительно оси баллона прочными нитями, например, кордом. 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, включающий, по меньшей мере, один цилиндр с клапанами и свечой зажигания, крышку цилиндра, поршень и направляющую опору поршня, отличающийся тем, что в цилиндр соосно установлены сильфон и пружина с эластичным баллоном, концы сильфона и пружины с эластичным баллоном соосно закреплены соответственно на крышке цилиндра и на поршне таким образом, что между сильфоном и эластичным баллоном образуется камера охлаждения, а между сильфоном, поршнем и внутренней поверхностью цилиндра образуется герметично закрытая камера с возможностью преобразования энергии сгорания горючей смеси в движение поршня по геометрической оси цилиндра. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что цилиндр, сильфон, пружина и эластичный баллон имеют призматическую форму. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что цилиндр, сильфон, пружина и эластичный баллон имеют форму отсеченного тора, а поршень установлен с возможностью перемещения по геометрической оси цилиндра при помощи направляющей опоры вращения. 4. Двигатель по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что цилиндр и поршень оснащены герметичными камерами, сообщающимися с камерой охлаждения. 5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что сильфон, пружина и эластичный баллон выполнены цилиндрическими. 6. Двигатель по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что камера охлаждения оснащена клапанами для подачи охлаждающей смеси. 7. Двигатель по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что эластичный призматический баллон изготовлен из эластичного материала и армирован винтообразно расположенными относительно оси баллона прочными нитями, например, кордом. 8. Двигатель по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что свободная поверхность поршня имеет вогнутую форму. 9. Двигатель по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что пружина - составная, а пружина и сильфон закреплены в предварительно напряженном состоянии. 10. Двигатель по любому из пп. 1, 4 и 6-9, отличающийся тем, что сильфон, пружина и эластичный баллон имеют форму усеченного конуса. 11. Двигатель по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что цилиндр снабжен дополнительными сильфонами, установленными соосно друг другу. 12. Двигатель по любому из пп. 1-11, отличающийся тем, что поршень и шток выполнены разъемным соединением. 13. Двигатель по любому из пп. 1-11, отличающийся тем, что камера охлаждения снабжена более одного входными клапанами.