БЕСШАТУННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК F02B75/32 F01B3/04 

Изобретение относится к области машиностроения и, в частности, к двигателестроению и может быть использовано в качестве источника механической энергии в машинах и механизмах наземного, водного и воздушного транспорта, а также в мобильных и стационарных энергетических установках различного назначения.

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, цилиндры, поршни, штоки, соединительные звенья, коленчатый вал. В двигателе Баландина преобразование возвратно-поступательного движения поршней, попарно жестко связанных со штоками, во вращательное осуществляется при помощи соединительных звеньев и коленчатого вала.

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

Наиболее близкой к предлагаемому двигателю является конструкция бесшатунного двигателя внутреннего сгорания с вращающимися поршнями согласно патенту РФ 2057948, МПК 6 F 01 В 9/08. Этот бесшатунный двигатель содержит корпус, гильзу цилиндра с криволинейным замкнутым пазом, выполненным в ее нижней (по отношению к камере сжатия и сгорания) части, поршни, механизмы преобразования, которые представляют собой ролики, установленные на пальцах, находящихся в поршнях, и штоки, закрепленные на поршнях и связанные с шестернями выходного вала посредством роликов, находящихся в прямолинейных пазах ступиц шестерен.

Основными недостатками такого двигателя являются следующие:
- невозможность такой организации рабочего цикла, при которой степень расширения рабочего тела в такте рабочего хода превышала бы степень предварительного сжатия рабочего тела в такте сжатия;
- заниженная возможность, вследствие названной причины, преобразования внутренней энергии рабочего тела при его расширении в механическую работу;
- повышенное содержание вредных веществ в выпускных газах двигателя и, как следствие, относительно высокая токсичность отработавших газов, а также значительный уровень шума, излучаемого двигателем в окружающую среду, обусловливаемые недостаточной степенью расширения рабочего тела;
- увеличение, вследствие названных причин, механических потерь и, в частности, потерь на трение в основных элементах кинематической цепи механизма преобразования движения, что приводит к повышенному износу и нарушению работоспособности основных деталей двигателя;
- относительно высокие температуры выпускных газов, что ведет к перегреву деталей такого ДВС.

В основу изобретения положено значительное улучшение мощностных, экономических, массогабаритных, эксплуатационных и экологических параметров и характеристик бесшатунного двигателя внутреннего сгорания с вращающимися поршнями посредством повышения степени расширения рабочего тела в такте рабочего хода, т.е. введением продолженного расширения.

Решение технической задачи достигается тем, что в бесшатунном двигателе внутреннего сгорания, содержащем поршни, цилиндр с пазами на его цилиндрической поверхности, передаточный механизм с роликами, камеру сгорания, форсунку, механизм газораспределения, выходной вал, согласно изобретению каждый поршень снабжен подвижным соединением, включающим вал с площадками, ходовые ролики, опирающиеся с двух сторон на указанные площадки и установленные на траверсе, на противоположных концах которой расположены ролики преобразующего механизма, при этом конфигурация продольного профиля паза цилиндра представляет собой замкнутую, многопериодную, несимметричную в направлении, перпендикулярном к развертке, с несколькими экстремумами объемную канавку. При этом участки канавки могут быть выполнены синусоидальной формы, или прямолинейной формы в сочетании с круговой, или синусоидальной формы в комбинации с элементами прямолинейной и круговой форм, а экстремумы канавки находятся на разной высоте (через один).

В другом варианте бесшатунного двигателя внутреннего сгорания, содержащем поршни, цилиндр, передаточный механизм с роликами, камеру сгорания, форсунку, механизм газораспределения, выходной вал, согласно изобретению ролики передаточного механизма установлены в корпусе двигателя и размещены в пазах, выполненных на боковой поверхности поршня, причем каждый поршень снабжен подвижным соединением, включающим вал с площадками и ходовые ролики, опирающиеся с двух сторон на указанные площадки и установленные на траверсе, при этом конфигурация продольного профиля паза поршня представляет собой замкнутую, многопериодную, несимметричную в направлении, перпендикулярном к развертке, с несколькими экстремумами объемную канавку. При этом участки канавки могут быть выполнены синусоидальной формы, или прямолинейной формы в сочетании с круговой, или синусоидальной формы в комбинации с элементами прямолинейной и круговой форм, а экстремумы канавки находятся на разной высоте (через один).

Размещение упомянутых механизмов и конфигурация продольного профиля беговой дорожки обеспечивают возможность того, что каждый из поршней бесшатунного двигателя внутреннего сгорания в течение одного полного оборота вокруг продольной оси может совершать перемещение с различной амплитудой относительно камеры сжатия и сгорания.

Главной отличительной особенностью данного двигателя является то, что паз, выполненный на поверхности одного из элементов цилиндропоршневой группы (цилиндра или поршня), представляет собой замкнутую, криволинейную, многопериодную, несимметричную канавку, отдельные участки которой могут быть выполнены синусоидальной, прямолинейной или круговой формы, так что канавка имеет насколько экстремумов. При этом экстремальные точки, так как канавка многопериодная и несимметричная, находятся на разной высоте относительно камеры сжатия и сгорания, причем канавка выполнена так, что чередование экстремумов по высоте происходит через один. Благодаря этому обстоятельству в бесшатунном ДВС достигается превышение степени расширения рабочего тела над степенью сжатия, т.е. реализация цикла с продолженным расширением.

Сущность изобретения (на примере одноцилиндровой машины с противоположно движущимися поршнями и синхронизирующим валом) поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена конструктивная схема бесшатунного ДВС с продолженным расширением, в котором криволинейный паз выполнен на поверхности цилиндра; на фиг. 2 - конструктивная схема бесшатунного ДВС с продолженным расширением, в котором криволинейный паз выполнен на поверхности поршня; на фиг.3 - принципиальная схема бесшатунного ДВС с продолженным расширением; на фиг.4 - схема последовательных положений беговых роликов одной траверсы (одного поршня), которые они занимают относительно криволинейного паза при перемещении поршня в цилиндре двигателя; на фиг.5 - конфигурация продольного профиля криволинейного паза, образованного участками синусоидальной формы; на фиг.6 - конфигурация продольного профиля криволинейного паза, образованного участками прямолинейной формы в сочетании с круговой; на фиг.7 - конфигурация продольного профиля криволинейного паза, образованного участками синусоидальной формы в комбинации с участками прямолинейной и круговой форм, при этом во всех вариантах указанного паза экстремумы канавки находятся на разной высоте (через один).

Бесшатунный ДВС с продолженным расширением (фиг.1) содержит поршни 1 и 2, размещенные в гильзе цилиндра 3, поршневые валы 4 и 5, установленные в корпусе 6 двигателя и связанные с поршнями при помощи подвижных соединений 7, которые включают траверсы 8, рабочие площадки 9 и ходовые ролики 10, шестерни 11, укрепленные на поршневых и выходном (синхронизирующем) 12 валах, камеру сжатия и сгорания 13, форсунку 14; гильза цилиндра имеет окна газораспределения 15, а на поверхности цилиндра выполнен криволинейный паз 16, в котором расположены установленные на траверсе беговые ролики 17 передаточного механизма.

Другой вариант бесшатунного ДВС с продолженным расширением (фиг.2) содержит поршни 1 и 2, размещенные в гильзе цилиндра 3, поршневые валы 4 и 5, установленные в корпусе 6 двигателя и связанные с поршнями при помощи подвижных соединений 7, которые включают траверсы 8, рабочие площадки 9 и ходовые ролики 10, шестерни 11, укрепленные на поршневых и выходном (синхронизирующем) 12 валах, камеру сжатия и сгорания 13, форсунку 14; гильза цилиндра имеет окна газораспределения 15, а на поверхности поршня выполнен криволинейный паз 16, в котором расположены установленные в корпусе двигателя беговые ролики 17 передаточного механизма.

Принцип действия бесшатунного ДВС с продолженным расширением (фиг.3) заключается в следующем. В процессе сгорания и расширения газы (рабочее тело), находящиеся в цилиндре, побуждают поршни 1 и 2 расходиться к наружным (по отношению к камере сжатия и сгорания, или средней части цилиндра) крайним положениям. При этом беговые ролики 17 скатываются из положений 18 (фиг. 4), которые они занимали при нахождении поршней 1 и 2 во внутренних (по отношению к камере сжатия и сгорания) крайних положениях, в положения 19, соответствующие нахождению поршней 1 и 2 в наружных крайних положениях. Таким образом, благодаря особенностям профиля беговой дорожки (паза) 16 поршни удаляются друг от друга на максимальное расстояние. В процессе дальнейшего (уже сходящегося) движения поршней 1 и 2, происходящего за счет энергии, накопленной маховыми массами, и (или) работы других цилиндров, беговые ролики 17 перемещаются в пазах 16 из положений 19 в положения 20. Осуществляется выпуск рабочего тела (выпускных газов) из цилиндра. Затем при скатывании беговых роликов 17 в пазах 16 из положений 20 в положения 21 поршни 1 и 2 вновь расходятся и происходит впуск рабочего тела в цилиндр двигателя. При этом величина перемещения поршня (его ход) меньше, чем его перемещение в процессах сгорания и расширения. При дальнейшем перемещении беговых роликов 17 в пазах 16 (из положений 21 в положения 22, они же - 18) происходит процесс сжатия рабочего тела в цилиндре. Подвижное соединение 7 обеспечивает отделение и передачу вращательной составляющей движения поршней через поршневые валы 4 и 5 и шестерни 11 на выходной вал 12. При этом, как видно из схем, представленных на фиг.5, 6 и 7, степень расширения рабочего тела, определяемая профилем "участка расширения" беговой дорожки и соответствующим перемещением поршней, оказывается больше степени его сжатия. Этим и обеспечивается реализация в бесшатунном ДВС цикла с продолженным расширением.

Представленная схема бесшатунного ДВС с продолженным расширением обеспечивает следующие технические преимущества:
- возможность такой организации внутрицилиндровых процессов, при которой степень расширения рабочего тела в цикле превышает степень сжатия;
- практическое осуществление рабочего цикла поршневой тепловой машины с высокой степенью использования внутренней энергии рабочего тела за счет более эффективного преобразования ее в механическую работу при расширении;
- в связи с названными преимуществами пониженное содержание вредных веществ в выпускных газах такого двигателя и, как следствие, относительно низкая их токсичность, а также меньший уровень шума, излучаемого двигателем в окружающую среду, что способствует уменьшению вредного воздействия двигателя на основные компоненты экологических систем и, кроме того, ведет к значительному улучшению эргономических (связанных с аспектами взаимодействия в рамках системы "двигатель-человек") параметров и характеристик такого ДВС;
- возможность существенного снижения требований, предъявляемых к глушителям шума выпускных газов ДВС и, как следствие, упрощение их конструкции;
- улучшение вследствие названных причин эффективности работы двигателя, повышение его КПД, уменьшение относительной величины механических потерь и, в частности, потерь на трение в основных элементах кинематической цепи механизма преобразования движения, что обеспечивает снижение износа и повышение работоспособности деталей, узлов и механизмов двигателя;
- лучшие массогабаритные, удельные мощностные и экономические характеристики двигателя;
- более низкая температура выпускных газов, что обеспечивает более низкую температуру и более высокий ресурс деталей такого ДВС.

Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания с продолженным расширением может быть использован в качестве источника механической энергии основных и вспомогательных машин и механизмов наземного, водного и воздушного транспорта, мобильных и стационарных установок различного функционального назначения (генераторы электрической энергии, насосы, компрессоры), а также в качестве поршневого насоса или компрессора. Благоприятные экологические и эргономические характеристики бесшатунного ДВС с продолженным расширением позволяют широко применять его в составе силовых агрегатов машин и механизмов, предназначенных для проведения горных разработок открытого и особенно закрытого типа.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к бесшатунным двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение экономичности и удельных массогабаритных параметров двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит поршни, цилиндр с пазами на его цилиндрической поверхности, передаточный механизм с роликами, камеру сгорания, форсунку, механизм газораспределения и выходной вал. Согласно изобретению каждый поршень снабжен подвижным соединением, включающим вал с площадками, ходовые ролики, опирающиеся с двух сторон на указанные площадки и установленные на траверсе, на противоположных концах которой расположены ролики преобразующего механизма. При этом конфигурация продольного профиля паза цилиндра представляет собой замкнутую, многопериодную, несимметричную в направлении, перпендикулярном к развертке, с несколькими экстремумами объемную канавку. В варианте выполнения двигателя ролики установлены в корпусе двигателя, а канавка - на боковой поверхности поршня. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания, содержащий поршни, цилиндр с пазами на его цилиндрической поверхности, передаточный механизм с роликами, камеру сгорания, форсунку, механизм газораспределения, выходной вал, отличающийся тем, что каждый поршень снабжен подвижным соединением, включающим вал с площадками, ходовые ролики, опирающиеся с двух сторон на указанные площадки и установленные на траверсе, на противоположных концах которой расположены ролики преобразующего механизма, при этом конфигурация продольного профиля паза цилиндра представляет собой замкнутую, многопериодную, несимметричную в направлении, перпендикулярном к развертке, с несколькими экстремумами объемную канавку. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что участки канавки выполнены синусоидальной формы, а экстремумы канавки находятся на разной высоте (через один). 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что участки канавки выполнены прямолинейной формы в сочетании с круговой, а экстремумы канавки находятся на разной высоте (через один). 4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что участки канавки выполнены синусоидальной формы в комбинации с элементами прямолинейной и круговой форм, а экстремумы канавки находятся на разной высоте (через один). 5. Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания, содержащий поршни, цилиндр, передаточный механизм с роликами, камеру сгорания, форсунку, механизм газораспределения, выходной вал, отличающийся тем, что ролики передаточного механизма установлены в корпусе двигателя и размещены в пазах, выполненных на боковой поверхности поршня, причем каждый поршень снабжен подвижным соединением, включающим вал с площадками и ходовые ролики, опирающиеся с двух сторон на указанные площадки и установленные на траверсе, при этом конфигурация продольного профиля паза поршня представляет собой замкнутую, многопериодную, несимметричную в направлении, перпендикулярном к развертке, с несколькими экстремумами объемную канавку. 6. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что участки канавки выполнены синусоидальной формы, а экстремумы канавки находятся на разной высоте (через один). 7. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что участки канавки выполнены прямолинейной формы в сочетании с круговой, а экстремумы канавки находятся на разной высоте (через один). 8. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что участки канавки выполнены синусоидальной формы в комбинации с элементами прямолинейной и круговой форм, а экстремумы канавки находятся на разной высоте (через один).