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, и предназначен для тепловозов, путевых машин, автомобилей, тракторов, электростанций и др. энергетических установок.

Известен бесшатунный двигатель внутреннего сгорания, содержащий в одной секции картер, два оппозитно расположенных цилиндра (или 4 цилиндра расположенных Х-образно), два поршня, соединительный шток между поршнями, две направляющих штока, коленчатый вал, соединительный вал (Баландин С.С. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1972 г.; Седунов И.П. Конструированный анализ бесшатунных двигателей Баландина и пути их совершенствования. Ж. "Двигателестроение", 1, 2000 г., с. 39).

Недостатком известного двигателя является сложность конструкции, повышенная точность изготовления деталей, наличие в одной секции большого количества деталей: картера, двух поршней, соединительного штока, направляющих, коленвала, и как следствие повышенная стоимость изготовления.

Известны судовые малооборотные дизели, в которых применяется крейцкопфный кривошипно-шатунный механизм для преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Поршень в этом случае разгружен от бокового давления на стенки цилиндра.

Недостатком известного двигателя является то, что боковая сила от крейцкопфа действует на направляющие остова и потери на трение все равно велики, что снижает механический коэффициент полезного действия двигателя, снижает его технический ресурс. Кроме того, значительно возрастает длина механизма и его масса, что не позволяет принимать эту систему на транспортных быстроходных двигателях внутреннего сгорания (Алексеев В.П. и др. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей, М.: Машиностроение, 1990 г, с. 244-250).

Известен двигатель внутреннего сгорания, принятый за прототип, содержащий остов, в котором расположены один или несколько отсеков, в каждом из которых установлены друг другу оппозитно две цилиндровые втулки, механизм движения, состоящий из двух поршней, поршневых пальцев и шатунов с подшипниками и коренного вала, который при выполнении двигателя из нескольких отсеков., является общим для них. Коренной вал выполнен в форме коленчатого вала и установлен в подшипниках скольжения. Коренной вал связан механической передачей с распределительным валом, который регулирует газораспределение. Этот двигатель внутреннего сгорания снабжен топливной системой, системой смазки, электросистемой, системой охлаждения (Ванштейнт В. А. Конструирование и расчеты прочности судовых дизелей, Ленинград: Судостроение, 1969 г., стр.32, рис.4г. с.251, 254-259).

Недостатком известного двигателя является низкий технический ресурс из-за быстрого износа пары трения "цилиндровая втулка-поршень", нагруженной поперечными знакопеременными силами при отклонениях шатуна от продольной оси цилиндра, а также невысокое значение механического кпд главным образом из-за больших потерь на трение в поперечно нагруженной цилиндропоршневой группе и подшипниках скольжения коленчатого вала. Сложность конструкции прототипа из-за необходимости изготовления двигателя в многоцилиндровом исполнении, т. к. из-за неравенства ускорений поршня в верхней и нижней мертвых точках возникают большие трудности с уравновешиванием его при малом числе цилиндров. Следствием указанных выше недостатков является повышенная стоимость эксплуатации двигателя из-за высокой стоимости ремонта большого количества деталей и повышенного расхода топлива.

Техническим результатом изобретения является повышение технического ресурса двигателя за счет исключения бокового давления поршня на стенки цилиндровых втулок, существенное повышение механического кпд двигателя (до 0,95) за счет уменьшения потерь на трение поршня о стенки цилиндра и замены подшипников скольжения на малогабаритные подшипники качения в опорах коренных валов, следствием чего является пониженный расход топлива и повышенная экологичность, в особенности на холостых режимах работы, полное уравновешивание двигателя даже с одним поршнем, улучшение габаритных и весовых показателей за счет применения нового механизма движения двигателя, снижение стоимости изготовления и ремонта двигателя за счет упрощения его конструкции.

Указанный технический результат достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, содержащем остов, в котором расположено не менее одного отсека с двумя цилиндровыми втулками, установлены друг другу оппозитно, коренной и распределительный валы, связанные между собой механической передачей, механизм движения, включающий в себя поршни, коренной вал, в каждом отсеке остова установлены в двух оппозитно расположенных цилиндровых втулках один сдвоенный составной поршень с двумя его корпусами, соединенными между собой штоком, имеющим посередине утолщение с цилиндрическим отверстием, в которое посредством антифрикционных вкладышей шарнирно установлен своей центральной шаровой головкой поршневой валик, имеющий на концах симметрично расположенные концевые шаровые головки, и по два коренных вала, выполненных цилиндрической формы и соосно расположенных одними концами в верхней и нижней половинах остова по его центру разъема на подшипниках, а на других концах со стороны цилиндровых втулок консольно выполнены по два пальца, оси которых перпендикулярны к продольной оси коренных валов, при этом на коренных валах между подшипниками соответственно установлены большое и малое зубчатое колеса, аналогичные зубчатые колеса установлены на распределительном вале, смонтированном параллельно коренным валам, причем большие зубчатые колеса коренного и распределительного валов сцеплены между собой непосредственно, а их малые зубчатые колеса сцеплены между собой посредством промежуточного зубчатого колеса, а механизм движения каждого отсека двигателя снабжен двумя качающимися кривошипами, один конец каждого кривошипа шарнирно соединен посредством поперчно разрезных сферических антифрикционных вкладышей с концевой шаровой головкой поршневого валика, а другой его конец соединен с пальцами коренного вала посредством подшипников. Кроме этого, на внешних концах коренных валов со стороны подшипников установлены зубчатые колеса для привода вспомогательных агрегатов, на внутренних концах коренных валов со стороны цилиндровых втулок и на зубчатых колесах для привода вспомогательных агрегатов расположены противовесы для полного динамического уравновешивания инерционных сил и моментов подвижных деталей двигателя, на корпусах сдвоенного составного поршня укреплены жаропрочные головки посредством болтового соединения, при выполнении двигателя из отсеков более одного коренные валы каждого отсека связаны между собой зубчатыми колесами, которые предназначены также для привода вспомогательных агрегатов.

На фиг.1 показан двигатель внутреннего сгорания в разрезе по осевым линиям цилиндров и коренных валов, на фиг.2 - разрез фиг.1 по А-А, на фиг.3 - разрез фиг. 1 по Б-Б, на фиг.4 показаны совмещенные индикаторные диаграммы рабочих процессов в верхней и нижней камерах сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания (фиг.1, 2, 3) состоит из верхней 1 и нижней 2 половин остова, образующих между собой не менее одного отсека и соединенных между собой болтами 3. Обе половинки остова отливаются из алюминиевого сплава.

В каждом отсеке остова в соосных цилиндрических расточках верхней 1 и нижней 2 половин остова установлены две оппозитно расположенные цилиндровые втулки 4 и 5, уплотненные в остове резиновыми кольцами 6 для предотвращения вытекания охлаждающей жидкости. Цилиндровые втулки 4 и 5 отливаются из антифрикционного чугуна. С наружных торцов цилиндровые втулки 4 и 5 закрыты крышками 7, образующими верхний и нижний цилиндры (крышка нижнего цилиндра на чертежах не показана). Крышки 7 прикреплены к цилиндровым втулкам 4 и 5 и к верхней 1 и нижней 2 половинам остова шпильками (на чертежах не показаны). В каждой крышке 7 установлены по четыре клапана - два впускных 8 и два выпускных 9. Все клапаны размещены в направляющих втулках 10 и прижаты к крышке 7 пружинами 11, упирающимися в шайбы 12. В центре крышек 7 размещены форсунки 13. Клапаны 8 и 9 открываются и закрываются штангами 14 посредством рычагов 15 и 16. Приводной механизм клапанов 8 и 9 закрыт кожухом 17.

В каждом отсеке остова в двух оппозитно расположенных цилиндровых втулках 4 и 5 установлен двойной составной поршень 18 с двумя корпусами 19 поршней, соединенных между собой штоком 20, отлитых совместно из алюминиевого сплава. К корпусам 19 поршня крепятся болтами 21 жаропрочные головки 22. На жаропрочных головках 22 размещено по три компрессионных кольца 23, а на корпусах 19 поршня по одному маслосъемному кольцу 24. Шток 20 посередине имеет утолщение с цилиндрическим отверстием 25, в котором размещены сферические антифрикционные вкладыши 26 и 27, закрепленные на штоке 20 болтами 28. Сферические антифрикционные вкладыши 26 и 27 охватывают посередине центральную шаровую головку 29 поршневого валика 30, на концах которого симметрично расположены две другие концевые шаровые головки 31 и 32. В каждом отсеке двигателя установлены по два коренных вала: правый 33 и левый 34, выполненные цилиндрической формы и соосно расположенные одними концами в верхней 1 и нижней 2 половинах остова по его центру разъема на роликовом 35 и шариковом 36 подшипниках качения. В качестве этих подшипников могут быть использованы и другие подшипники, например подшипники скольжения.

На других концах коренных валов 33 и 34 со стороны их цилиндровых втулок 4 и 5 консольно выполнены по два пальца 37, оси которых перпендикулярны к продольной оси коренных валов 33 и 34.

В механизм движения двигателя кроме двойного составного поршня 18 с поршневым валиком 30 и коренных валов 33 и 34 входят два качающихся кривошипа 38 и 39. Один конец каждого кривошипа 38 и 39 шарнирно соединен посредством поперечно-разрезных сферических антифрикционных вкладышей 40 и 41 и крышек 42 с концевой шаровой головкой 31 или 32 поршневого валика 30, а другой его конец соединен с пальцами 37 коренного вала 33 или 34 посредством игольчатых или других подшипников 43, смонтированных в стаканах 44.

На концах коренных валов 33 и 34 между подшипниками качения 35 и 36 соответственно установлены большое 45 и малое 46 зубчатые колеса. Аналогичные зубчатые колеса установлены на распределительном вале 47, смонтированном параллельно коренным валам 33 и 34, причем большое зубчатое колесо 45 коренного вала 33 и большое зубчатое колесо 48 распределительного вала 47 сцеплены между собой непосредственно, а малое зубчатое колесо 46 коренного вала 34 сцеплено с малым зубчатым колесом распределительного вала 47 посредством промежуточного зубчатого колеса (на чертежах не показано).

На внешних концах коренных валов 33 и 34 со стороны их установки на подшипниках 35 и 36 качения установлены зубчатые колеса 49 для привода вспомогательных агрегатов: генератора 50 через зубчатое колесо 51, объемного роторного нагнетатора 52 через зубчатое колесо 53, а также других агрегатов, например топливоподкачивающего насоса, электростартера и т.д. (на чертежах не показаны).

На внутренних концах коренных валов 33 и 34 со стороны цилиндровых втулок 4 и 5 расположены противовесы 54 и 55 для уравновешивания инерционных сил поступательно движущихся масс составного поршня 18 с поршневым валиком 30 и вращающихся масс качающихся кривошипов 38 и 39. Для полного динамического уравновешивания инерционных сил и моментов подвижных деталей двигателя на каждом зубчатом колесе 49 установлены по одному противовесу 56. Таким образом, предложенный двигатель внутреннего сгорания полностью уравновешивается за счет противовесов 54, 55 и 56.

Углубления определенной формы в зависимости от способа смесеобразования в жаропрочных головках 22 составного поршня 18 с цилиндровыми втулками 4 и 5 и крышками 7 образуют верхнюю 57 и нижнюю 58 камеры сгорания.

Предложенный двигатель внутреннего сгорания может быть выполнен как с двухтактным рабочим циклом и внутренним смесеобразованием (дизельный вариант), так и с четырехтактным рабочим циклом, как с внешним карбюраторным, так и с внутренним эжекторным смесеобразованием. Дизельный вариант предпочтительнее для автомобильных двигателей, как наиболее экономичный и экологически более совершенный. Поэтому предложенный двигатель внутреннего сгорания снабжен двумя топливными насосами высокого давления 59 и 60, приводимыми в действие распределительным валом 47. Насосы высокого давления 59 и 60 соединены с форсунками 13 трубками 61 и 62, впускные воздушные трубопроводы 63 верхнего и нижнего цилиндров соединены с выходным отверстием объемного роторного нагнетатора 52, а выпускные трубопроводы 64 - с глушителем шума (на чертежах не показано).

При выполнении двигателя внутреннего сгорания из отсеков более одного коренные валы 33 и 34 каждого отсека механически связаны между собой посредством зубчатых колес 49, которые служат также для привода и вспомогательных агрегатов.

Описанный выше двигатель внутреннего сгорания, как и любой другой, имеет систему смазки трущихся деталей, систему охлаждения, систему пуска и регулирования, впускную и выпускную систему, систему технического диагностирования и др. Эти системы устроены точно также, как и у любого другого современного двигателя внутреннего сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.

Предположим, что составной поршень 18 вместе с жаропрочными головками 22 движется снизу вверх. Тогда в верхней камере сгорания 57 заряд свежего воздуха будет сжиматься, а в нижней камере сгорания 58 будет протекать рабочий процесс расширения горячих газов после сгорания там порции впрыснутого форсункой 13 дизельного топлива. При приближении составного поршня 18 к верхней мертвой точке (ВМТ), еще не доходя до нее на несколько градусов по углу поворота качающихся кривошипов 38 и 39, распределительный вал 47 приведет в действие топливный насос высокого давления 59, который по трубке 61 подаст порцию дизельного топлива к форсунке 13, которая впрыснет его в камеру сгорания 57, а в нижней камере сгорания 58 в это время, когда составной поршень 18 не доходит до нижней мертвой точки (НМТ) на несколько градусов по углу поворота качающихся кривошипов 37 и 38, открываются выпускные клапаны 9 и происходит выпуск отработавших газов по выпускному трубопроводу 64 через глушитель шума в атмосферу. Через некоторое время при небольшом дополнительном повороте качающихся кривошипов 38 и 39 открываются и впускные клапаны 8. При этом сжатый объемным роторным нагнетателем 52 воздух по впускной воздушной трубе 63 через открытые впускные клапаны 8 и выпускные клапаны 9 будет осуществлять продувку нижней камеры сгорания 58 и заполнение ее свежим зарядом воздуха. При подходе составного поршня 18 с жаропрочными головками 22 к НМТ нижнего цилиндра и камеры сгорания 58 выпускные клапаны 9 закрываются, а впускные клапаны 8 продолжают некоторое время оставаться открытыми и после прохода составного поршня 18 нижней мертвой точки (НМТ). В этой фазе происходит надув нижней камеры сгорания 58 сжатым воздухом от объемного роторного нагнетателя 52 до некоторого давления, превышающего атмосферное, после чего и впускные клапаны 8 закрываются и начинается сжатие свежего заряда воздуха в нижней камере сгорания 58.

А в это время в верхней камере сгорания 57 после воспламенения и сгорания порции впрыснутого форсункой 13 дизельного топлива резко повышается давление газов, под действием которого на жаропрочную головку 22 составного поршня 18 от ВМТ начинается его рабочий ход. Часть действующей на жаропрочную головку 22 силы через шток 20 составного поршня 18 непосредственно передается сжимаемому в нижней камере сгорания 58 свежему заряду воздуха, а вторая часть силы через антифрикционные вкладыши 26 и 27, центральную шаровую головку 29 поршневого валика 30 и далее через его концевые шаровые головки 31 и 32 и поперечно разрезные сферические антифрикционные вкладыши 40 и 41 передается на качающиеся кривошипы 38 и 39 и посредством игольчатых подшипников 43, установленных на пальцах 37 коренных валов 33 и 34 преобразуется во вращающие моменты, равномерно распределенные между правым 33 и левым 34 коренными валами. Синхронизация вращения коренных валов 33 и 34 на роликовых 35 и шариковых 36 подшипниках качения осуществляется посредством распределительного вала 47, двух больших зубчатых колес 45 и 48, сцепленных между собою непосредственно и двух малых зубчатых колес: 46 - коренного вала 34 и колеса распределительного вала 47, сцепленных между собою посредством промежуточного зубчатого колеса (на чертежах не показано). Благодаря такому зацеплению коренные валы 33 и 34 вращаются на подшипниках качения 35 и 36 в противоположных направлениях, а центр шаровой головки 29 поршневого валика 30 вместе с составным поршнем 18 и штоком 20 движутся поступательно вдоль осевой линии соосных цилиндровых втулок 4 и 5 по синусоидальному закону с одинаковым ускорением в ВМТ и НМТ. Сам же поршневой валик 30 совершает сложное движение, перемещается вверх и вниз и одновременно качается вправо и влево вокруг оси цилиндров втулок 4, 5. Таким образом, при работе описанного выше механизма движения составной поршень 18, перемещаясь как вверх, так и вниз вдоль цилиндровых втулок 4 и 5, не оказывает на них бокового давления при передаче газовых сил на коренные валы.

При перемещении составного поршня 18 от ВМТ верхнего цилиндра вниз на величину рабочего хода, но не доходя до НМТ, распределительный вал 47 посредством штанги 14 и рычагов 16 откроет два выпускных клапана 9. Начинается выпуск отработанных газов из верхней камеры сгорания 57 в выпускной трубопровод 64 и далее через глушитель в атмосферу. С этого момента все фазы газораспределения - продувка верхней камеры сгорания 57, наддув ее и сжатие свежего воздушного заряда будут повторяться так же, как и для нижней камеры сгорания 58.

При работе энергия расширяющихся газов одной из камеры сгорания 57 и 58 соответственно передается более чем наполовину сжимаемому воздушному заряду второй камеры сгорания 58 или 57 непосредственно через шток 20 составного поршня 18 с минимальными потерями. Из индикаторных диаграмм рабочих процессов сжатия-расширения Р мПа от хода поршня S (фиг.4) в верхней 57 и нижней 58 камерах сгорания видно, что работа, выраженная площадью OCSO составляет больше половины всей работы сжатия воздушного заряда. Работа, выраженная площадью OSKCO передается непосредственно через шток 20 составного поршня 18. Работа, выраженная площадью CKSC, составляет меньше половины площади OSKCO и передается через новый механизм движения, коренные валы 33 и 34, качающиеся кривошипы 38 и 39, поршневой валик 30 на составной поршень 18.

Мощность двигателя внутреннего сгорания для внешней нагрузки может отбираться от одного из коренных валов 33 и 34 или с распределительного вала 47, что предпочтительнее.

Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания существенно повышает механический кпд двигателя до 0,95, он не создает бокового давления составного поршня на цилиндровые втулки, что снижает интенсивность износа боковых стенок цилиндровых втулок и составного поршня. В двигателе используются в опорах коренных валов подшипники качения, тем самым снижаются потери на трение. В этом двигателе повышается кпд процесса сжатия воздушного заряда в камерах сгорания за счет передачи энергии расширяющих газов одного цилиндра воздушному заряду второго цилиндра непосредственно через шток составного поршня.

Предлагаемый двигатель полностью динамически уравновешен от сил инерции и моментов подвижных деталей, даже при одном отсеке он уравновешивается с помощью четырех противовесов.

В результате в предлагаемом двигателе повышается технический ресурс двигателя, снижается удельный расход топлива, повышается экологичность. Сам двигатель становится в конструктивном отношении проще, исключается сложный коленчатый вал, шатуны, улучшаются габаритные и весовые показатели.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом изобретения является повышение технического ресурса двигателя за счет исключения бокового давления поршня на стенки цилиндровых втулок, улучшение габаритных и весовых показателей, снижение стоимости изготовления и ремонта двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что в каждом отсеке остова двигателя установлены в двух оппозитно расположенных цилиндровых втулках один сдвоенный составной поршень со штоком, имеющим посередине утолщение с цилиндрическим отверстием, в которое установлен своей центральной шаровой головкой поршневой валик с расположенными на концах концевыми шаровыми головками, и по два коренных вала цилиндрической формы, соосно расположенные одними концами в верхней и нижней половинах остова по его центру разъема на подшипниках, а на других их концах со стороны цилиндровых втулок консольно выполнены по два пальца, оси которых перпендикулярны к продольной оси коренных коренных валов. Механизм движения каждого отсека снабжен двумя качающимися кривошипами. Один конец каждого кривошипа шарнирно соединен посредством сферических вкладышей с концевой шаровой головкой поршневого валика, а другой его конец соединен с пальцами коренного вала посредством подшипником. При этом на коренных валах между подшипниками соответственно установлены большое и малое зубчатые колеса. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий остов, в котором расположено не менее одного отсека с двумя цилиндровыми втулками, установленными друг другу оппозитно, коренной и распределительный валы, связанные между собой механической передачей, механизм движения, включающий в себя поршни, коренной вал, отличающийся тем, что в каждом отсеке остова установлены в двух оппозитно расположенных цилиндровых втулках один сдвоенный составной поршень с двумя его корпусами, соединенными между собой штоком, имеющим посередине утолщение с цилиндрическим отверстием, в которое посредством антифрикционных вкладышей шарнирно установлен своей центральной шаровой головкой поршневой валик, имеющий на концах симметрично расположенные концевые шаровые головки, и по два коренных вала, выполненных цилиндрической формы и соосно расположенных одними концами в верхней и нижней половинах остова по его центру разъема на подшипниках, а на других их концах со стороны цилиндровых втулок консольно выполнены по два пальца, оси которых перпендикулярны к продольной оси коренных валов, при этом на коренных валах между подшипниками соответственно установлены большое и малое зубчатые колеса, аналогичные зубчатые колеса установлены на распределительном вале, смонтированном параллельно коренным валам, причем большие зубчатые колеса коренного и распределительного валов сцеплены между собой непосредственно, а их малые зубчатые колеса сцеплены между собой посредством промежуточного зубчатого колеса, а механизм движения каждого отсека двигателя снабжен двумя качающимися кривошипами, один конец каждого кривошипа шарнирно соединен посредством поперечно разрезных сферических антифрикционных вкладышей с концевой шаровой головкой поршневого валика, а другой его конец соединен с пальцами коренного вала посредством подшипников. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что на внешних концах коренных валов со стороны подшипников установлены зубчатые колеса для привода вспомогательных агрегатов. 3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что на внутренних концах коренных валов со стороны цилиндровых втулок и на зубчатых колесах для привода вспомогательных агрегатов расположены противовесы для полного динамического уравновешивания инерционных сил и моментов подвижных деталей двигателя. 4. Двигатель по пп.1-3, отличающийся тем, что на корпусах сдвоенного составного поршня укреплены жаропрочные головки посредством болтового соединения. 5. Двигатель по пп.1-4, отличающийся тем, что при выполнении двигателя из отсеков более одного коренные валы каждого отсека механически связаны между собой зубчатыми колесами, которые предназначены также для привода вспомогательных агрегатов.