ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F02B75/32 F01B9/04 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания, отличающимся связями между поршнем и коренным валом.

Известен ротопоршневой двигатель Ванкеля, содержащий корпус, эксцентриковый вал, ротор, зубчатое зацепление между корпусом и ротором, впускные и выпускные окна в корпусе двигателя, систему подачи и зажигания топлива. Работа двигателя основана на преобразовании поступательно-вращательного движения ротора во вращательное движение эксцентрикового вала. Газораспределение в двигателе осуществляется ротором и окнами в корпусе. (B.C. Бениович, Г.Д. Апазиди, А.М. Бойко "Ротопоршневые двигатели", М.: Машиностроение, 1968 г., с.27 и "Наука и жизнь" 2, 1997 г., с. 62).

Недостатками известного двигателя являются ненадежность газового уплотнения между ротором и корпусом, малая степень сжатия рабочего тела и поэтому низкая экономичность его, повышенная токсичность выхлопных газов, сложность изготовления рабочей части корпуса, неравномерность нагрева корпуса двигателя, его термическая деформация, наличие зубчатого зацепления между ротором и корпусом.

Известен двигатель внутреннего сгорания, принятый за прототип, содержащий остов, в котором расположены один или несколько отсеков, в каждом из которых установлен цилиндр с поршнем и поршневым пальцем, шатун и коренной вал, который при выполнении двигателя из нескольких отсеков, является общим для них. Коренной вал выполнен в форме коленчатого вала. Коренной вал связан механической передачей с распределительным валом, который через клапаны в крышке цилиндра регулирует газораспределение. Этот двигатель внутреннего сгорания снабжен топливной системой, системой смазки, электросистемой, системой охлаждения (А.С. Орлин, М.Г. Круглов "Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей, "Москва", Машиностроение", 1980 г., с. 227-231, рис. 149).

Недостатком известного двигателя является сложность конструкции: наличие коленчатого вала, шатунов, распределительного вала и клапанного механизма газораспределения, отсутствие вращательного движения поршней для лучшего сгорания топлива, неудовлетворительные габаритные показатели и показатели по массе, значительные затраты на изготовление и эксплуатацию, ненадежность работы газораспределительного механизма, невысокая экономичность и экологичность.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции двигателя внутреннего сгорания, улучшение его габаритных показателей и показателей по массе, снижение затрат на изготовление и эксплуатацию, а также повышение надежности работы, экономичности и экологичности двигателя за счет нового принципа передачи давления газов от поршня на коренной вал, возвратно-поступательного и вращательного движения поршня. Указанный технический результат обеспечивает возможность газораспределения через окна цилиндра и окно поршня.

Указанный технический результат достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, содержащем остов, коренной вал, при этом в остове расположены не менее одного цилиндра с поршнем и поршневым пальцем, коренной вал выполнен из цилиндрической части, вилки и противовеса и установлен на подшипнике своей цилиндрической частью в остове под углом 15-45 градусов к оси поршневого пальца и двигатель снабжен ползуном и коромыслом, при этом ползун установлен через опорный подшипник на поршневом пальце, а внешней частью он связан через опорно-упорный подшипник с внутренней частью коромысла, а другая наружная часть коромысла шарнирно соединена с вилкой коренного вала, кроме этого, продольная ось ползуна выполнена перпендикулярной к оси поршневого пальца и в поршне выполнено перепускное окно, а в стенке цилиндра изготовлены впускные и выпускные окна, выполненные по траектории движения перепускного окна поршня.

На фиг.1 изображен двигатель в разрезе в вертикальной плоскости при нахождении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ); на фиг.2 - разрез двигателя в вертикальной плоскости при нахождении поршня в нижней мертвой точке (НМТ); на фиг. 3 - разрез по А-А на фиг.1; на фиг.4 - разрез по В-В на фиг.1 по горизонтальной плоскости при повороте коренного вала на 90 градусов от положения поршня в ВМТ, при этом наклонная плоскость коренного вала для наглядности соединена с горизонтальной плоскостью поршневого пальца.

Двигатель внутреннего сгорания (фиг.1, 2) состоит из остова 1, выполненного заодно с цилиндром 2. Количество цилиндров 2 может быть и более одного. В стенке цилиндра 2 изготовлены впускные 3 и выпускные 4 окна, выполненные по траектории движения перепускного окна 5, находящегося в средней части поршня 6 и уплотненного кольцом 7. Сверху цилиндр 2 закрыт крышкой 8 с установленной форсункой 9. В нижней части поршня 6 закреплен стопорными кольцами 10 поршневой палец 11. Верхняя часть поршня 6 имеет вогнутую сферу 12 для уменьшения высоты камеры сгорания 13 и уплотнительные кольца 14. Перепускное окно 5 находится в средней части поршня 6 и соединено с камерой сгорания 13. В нижней части поршня 6 расположено маслосъемное кольцо 15. Каждый цилиндр 2 двигателя снабжен коренным валом 16, состоящим из цилиндрической части 17, вилки 18 и противовеса 19. Своей цилиндрической частью 17 коренной вал 16 установлен в опорно-упорном подшипнике 20 в остове 1 под углом γ, равным 15-45 градусов к оси поршневого пальца 11. На поршневом пальце 11 установлен через опорный подшипник 21 ползун 22, который внешней частью через опорно-упорный подшипник 23 связан с внутренней частью коромысла 24. Наружная часть коромысла 24 шарнирно соединена с вилкой 18 коренного вала 16 посредством пальцев 25 (фиг.3) и отверстий 26 в вилке 18. Ползун 22 установлен таким образом, что его продольная ось m-m выполнена перпендикулярной к оси поршневого пальца 11. При количестве цилиндров в двигателе более одного коренные валы 16 могут быть связаны между собой соединительным валом с помощью, к примеру, зубчатой передачи (не показано).

Предложенный двигатель внутреннего сгорания, как и любой другой его вид, снабжен топливной системой, системой смазки, электросистемой, системой охлаждения, которые на чертеже не показаны.

Двигатель работает следующим образом.

При сгорании топливовоздушной смеси в камере сгорания 13 образующиеся продукты сгорания оказывают давление на поршень 6 и соответственно поршневой палец 11, который передает усилие на ползун 22 через опорный подшипник 21. Ползун 22 под действием усилия поршневого пальца 11 передает усилие на коромысло 24, которое через пальцы 25 оказывает давление на вилку 18 коренного вала 16, вызывая его вращение. При этом поршень 6 совершает одновременно поступательное движение к оси коренного вала 16 и вращение вокруг своей продольной оси о-о вместе с поршневым пальцем 11; центр "с" ползуна 22, находясь от оси о-о поршня 6 на расстоянии е, одновременно перемещается поступательно и вращательно (по винтовой траектории) по поршневому пальцу 11 к центру оси о-о поршня 6 и в то же время ползун 22 вращается относительно своей продольной оси m-m в подшипнике 23 коромысла 24, которое одновременно поворачивается вместе с ползуном 22 на своих пальцах 25 в вилке 18 коренного вала 16 на плече г и вращается вместе с коренным валом 16.

Возникает крутящий момент на коренном валу 16 двигателя, который, например, при угле поворота коренного вала 16 от положения поршня 6 в ВМТ, равном 90 градусов (фиг.4), будет составлять Мк=P•RCOSγ, где:
- Р - сила давления газов на поршень 6 (поршневой палец 11) (фиг.1);
- R - радиус вращения центра пальцев 25, коромысла 24 относительно оси коренного вала 16;
- γ - угол установки коренного вала 16 относительно оси поршневого пальца 11.

Таким образом, при одном ходе поршня 6 от ВМТ до НМТ S=R-COSγ, поршень 6 вместе с поршневым пальцем 11 повернется вокруг своей оси на 90 градусов, центр "с" ползуна 22 переместится на величину е в центр оси о-о поршня 6 и одновременно повернется на угол τ (фиг.2), продольная ось m-m ползуна 22 повернется в коромысле 24 на 90 градусов, коромысло 24 повернется относительно отверстий 26, вилки 18 так же на угол 90 градусов и совершит вместе с вилкой 18 и коренным валом 16 поворот на 180 градусов.

При движении поршня 6 от НМТ до ВМТ коромысло 24 относительно вилки 18 вернется в исходное положение, центр "с" ползуна 22 так же вернется в исходное положение, а коренной вал 16 повернется на 180 градусов, поршень 6 повернется в цилиндре 2 на 90 градусов.

Процесс газообмена осуществляется за счет перепускного окна 5 в поршне 6 и впускных 3 и выпускных 4 окон в стенке цилиндра 2 за счет вращения поршня 6 на 90 градусов в одном направлении при одном ходе его S при движении от ВМТ до НМТ и от НМТ до ВМТ.

Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания обеспечивает упрощение конструкции, исключение дорогостоящих узлов и деталей: коленчатого вала, распределительного вала, клапанного механизма газораспределения, сложной крышки цилиндра, исключение шатунов, уменьшение габаритных и весовых показателей, улучшение рабочего процесса в цилиндре за счет лучшего смесеобразования (непрерывное вращение камеры сгорания вместе с поршнем) и меньшего сопротивления движению газовых потоков в окна цилиндра и поршня, чем в двигателе с клапанным механизмом, т.е. улучшение топливной экономичности и экологичности двигателя, а так же снижение затрат в эксплуатации и ремонте за счет обслуживания меньшего количества деталей.

Предлагаемая конструкция может использована как в двигателях внутреннего сгорания, так и в компрессорах, гидромоторах и других механизмах, преобразующих вращательное движение деталей в поступательное и наоборот.

Принцип работы двигателя опробаван на макете.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания, отличающимся связями между поршнем и коренным валом. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции двигателя внутреннего сгорания, улучшение его удельных показателей. Сущность изобретения заключается в том, что коренной вал двигателя выполнен из цилиндрической части, вилки и противовеса и установлен на подшипнике своей цилиндрической частью в остове под углом 15-45 градусов к оси поршневого пальца. Двигатель снабжен ползуном и коромыслом, при этом ползун установлен через опорный подшипник на поршневом пальце. Внешней частью он связан через опорно-упорный подшипник с внутренней частью коромысла, а наружная часть коромысла шарнирно соединена с вилкой коренного вала. Продольная ось ползуна выполнена перпендикулярной к оси поршневого пальца, в поршне выполнено перепускное окно, а в стенке цилиндра изготовлены впускные и выпускные окна, выполненные по траектории движения перепускного окна поршня. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий остов, коренной вал, при этом в остове расположены не менее одного цилиндра с поршнем и поршневым пальцем, отличающийся тем, что коренной вал выполнен из цилиндрической части, вилки и противовеса и установлен на подшипнике своей цилиндрической частью в остове под углом 15-45^o к оси поршневого пальца и двигатель снабжен ползуном и коромыслом, при этом ползун установлен через опорный подшипник на поршневом пальце, и внешней частью он связан через опорно-упорный подшипник с внутренней частью коромысла, а наружная часть коромысла шарнирно соединена с вилкой коренного вала. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что продольная ось ползуна выполнена перпендикулярной к оси поршневого пальца. 3. Двигатель по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в поршне выполнено перепускное окно, а в стенке цилиндра изготовлены впускные и выпускные окна, выполненные по траектории движения перепускного окна поршня.