АКСИАЛЬНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2007 года по МПК F02B75/26 F02B57/00 F02D15/02 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания для спортивного моделизма.

Имеющиеся конструкции двигателей отличаются небольшим диапазоном регулирования, высокой частотой вращения вала, что ограничивает область применения и создает трудности приспособлений к этим характеристикам необходимых рабочих параметров моделей [1-4].

Известны многоцилиндровые двигатели марки "Технопауэр" со звездчатым расположением цилиндров, выпускаемых в Ирландии [1, 2]. В настоящие время имеются модели ПМ3, ПМ5 и ПМ7 с тремя, пятью и семью цилиндрами соответственно. У этих двигателей диаметр цилиндра и ход поршня одинаковый: 15,9 и 14 мм соответственно. Диаметр семицилиндрового двигателя ПМ7 равен 118 мм. С воздушным охлаждением с капильным зажиганием, с верхним расположением клапанов и нижним расположением распределительных валов, рабочий объем 19,36 см³. Диаметр цилиндра 7×15,9 мм, ход поршня 14 мм, степень сжатия 9, мощность 0,6 кВт при частоте вращения 8700 мин^-1, масса 913 г.

Аналогом предлагаемого двигателя является описание патента США №933316 [4]. Заявленное изобретение включает в себя цилиндры с поршнями, расположенные вокруг и параллельно оси коренного вала. Цилиндры образуют ротор, жестко связанный с коренным валом. Поршни двигателя передают усилие на профилированную поверхность наклонной шайбы, положение которой может изменяться за счет специального механизма, что обеспечивает заданный режим работы.

Недостатком такого типа двигателей является сложность конструкции механизма изменения угла наклона вращающейся шайбы, малый срок службы сопряжения шток поршня - шайба из-за точечного контакта.

Целью изобретения является: улучшение основных показателей работы двигателя, удешевление процесса изготовления деталей двигателя, экономичность работы, возможность регулирования в заданном диапазоне.

Цель достигается применением вращающегося револьверного ротора, в котором располагаются цилиндропоршневые группы, поршни которых движутся навстречу друг другу, опираясь штоками на профилированные шайбы.

В предлагаемом изобретении отсутствуют указанные недостатки.

Принципиальная схема работы аксиально-поршневого двигателя представлена на фиг.1.

В цилиндрах револьверного ротора 2 в противоположных направлениях движутся поршни в горизонтальной плоскости, опираясь штоками в направляющую шайбу 9. Шайба может занимать различное положение, обеспечивая заданное регулирование степени сжатия. Цилиндры запрессованы в гнезда револьверного ротора 2, опирающегося на подшипники качения. С одной стороны вала ротора устанавливается маховик 11 с кулачковым диском и зубчатым венцом привода турбины 8. Шайбы 9 обеспечивают поршням 1 строгую кинематическую связь. Каждый из поршней может находиться в своих внутренних и наружных мертвых точках. Поршни не находятся одновременно в своих мертвых точках. Поршень со стороны маховика при встрече в в.м.т. запаздывает на угол ϕ₀=9°...12°. Воздух в цилиндр двигателя поступает из ресивера 7 через продувочные окна в гильзе цилиндра. Продукты сгорания удаляются из цилиндра через выпускные окна в выпускной коллектор 5. Периоды поступления воздуха и удаление продуктов сгорания определяются моментами открытия соответствующих окон гильзы, которые открываются и закрываются поршнями. Топливовпрыскивающая аппаратура подает топливо в среднюю часть цилиндра через форсунку 6. Воздух в двигатель поступает от турбокомпрессора 3 с приводом от шестерни маховика. Воздух поступает в турбину 8, сжимается, обеспечивая I-ую ступень, и направляется во II-ую ступень, где дополнительно сжимается. После охлаждения в охладителе 4 воздух под избыточным давлением поступает в воздушный ресивер 7.

Продукты сгорания из выпускного коллектора 5 направляются в газовую турбину 8 турбокомпрессора, где часть тепловой энергии газа преобразуется в механическую энергию ротора турбины, потребляемую компрессором для сжатия воздуха. Объем рабочей полости цилиндра двигателя изменяется в результате движения обоих поршней. При условном разделении этого объема плоскостью, проходящей по оси топливной форсунки 6, объемы, образуемые между поверхностями головок поршней и выбранной условной плоскостью, изменяются в зависимости от угла ϕ_н поворота вала ротора (фиг.2).

Значение наименьших и наибольших объемов для обоих поршней в цилиндре смещены по фазе на угол ϕ₀. Суммарный объем V_Σ изменяется в зависимости от угла ϕ_н. Наименьшее значение суммарного объема V_Σmin соответствует углу поворота вала ротора ϕ_н=ϕ₀/n, где n - число цилиндров в двигателе. При анализе процессов, происходящих в цилиндре двигателя, принят в количестве начала координат момент наименьшего объема цилиндра. Отсчет углов производится от этого момента по шкале ϕ=ϕ_н-ϕ₀/n. При ϕ=0° суммарный объем цилиндра наименьший, и это положение называют внутренней объемной мертвой точкой (ВОМТ); наружная объемная мертвая точка (НОМТ) соответствует ϕ=180°.

Выпускные окна открываются при угле ϕ_в, когда поршни не достигли положений, соответствующих НОМТ, и закрываются при угле ϕ_ве после НОМТ. Впускные окна открываются и закрываются с некоторым запаздыванием по отношению к выпускным при углах ϕ_к и ϕ_ке.

Функции газораспределительных органов выполняют движущиеся поршни и окна в гильзе цилиндра. Углы ϕ_в, ϕ_ве, ϕ_к и ϕ_ке определяют фазы газораспределения. В полярных координатах положение фаз газораспределения по углу ϕ_н представлено на фиг.3.

Заштрихованный участок 1 соответствует впускному окну, а 2 - выпускному окну.

Топливо в цилиндр подается с некоторым опережением до ВОМТ при угле ϕ_т, и его подача заканчивается при угле ϕ_те. Продолжительность подачи топлива зависит от нагрузки двигателя. Параметры состояния воздуха и газов в цилиндре во впускном ресивере и выпускном коллекторе представлены на фиг.4.

Удаление продуктов сгорания из цилиндра осуществляется под действием разности давлений Р_к и Р_т, поэтому давление во впускном ресивере Р_к всегда превышает давление в выпускном коллекторе Р_т. При закрытии выпускных окон цилиндра ϕ=ϕ_ке, рабочая полость цилиндра не сообщается с впускными и выпускными каналами, и суммарный объем цилиндра уменьшается от НОМТ до ВОМТ. Происходит процесс сжатия содержащегося в цилиндре заряда, за которым следует процесс горения и расширения. Изменение параметров состояния рабочего тела в этих пределах протекает так же, как и в четырехтактном двигателе.

Во второй половине хода расширения при угле ϕ=ϕ_в начинают открываться выпускные окна гильзы цилиндра, и совершается процесс свободного выпуска. В момент открытия окон давление в цилиндре значительно больше давления в выпускном коллекторе, отношение давлений меньше критического, и истечение продуктов сгорания происходит в выпускной коллектор с критическими скоростями. По мере дальнейшего увеличения объема давление в цилиндре быстро снижается.

При угле ϕ=ϕ_к начинают открываться впускные окна. Если в этот момент давление в цилиндре превышает давление во впускном ресивере, то происходит выброс газов через впускные окна гильзы цилиндра в ресивер. После открытия впускных окон рабочая полость цилиндра сообщается с впускным ресивером и выпускным коллектором, а объем цилиндра продолжает увеличиваться. Вследствие чего давление стремительно понижается и становится меньше давления во впускном ресивере. С этого момента совершается процесс продувки рабочей полости цилиндра воздуха.

Кромки окон изготовлены таким образом, что поступающий в цилиндр воздух закручивается вокруг оси цилиндра и поступательно перемещается вдоль нее. Своим потоком воздух вытесняет продукты сгорания из цилиндра в выпускной коллектор. На процесс истечения оказывает влияние инерционные силы движущегося потока газа, что может привести к возникновению волн давления и к падению давления в цилиндре настолько, что оно становится ниже давления в выпускном коллекторе Р<Р_т . При таком соотношении происходит заброс газов из впускного коллектора в цилиндр. Далее давление в цилиндре повышается до значений P_k<Р<Р_т. Продувка цилиндра совершается и при уменьшении объема от НОМТ к ВОМТ до момента, когда выпускные окна закрываются ϕ=ϕ_ве. От момента закрытия выпускных окон до закрытия впускных ϕ=ϕ_ке происходит процесс заполнения цилиндра воздухом, при этом объем цилиндра уменьшается. Заполнение совершается за счет инерционных сил потока воздуха, возникающих вследствие изменения скорости его прохода через впускные окна. В этот момент давление в цилиндре может превышать давление во впускном ресивере, поэтому некоторое количество рабочего тела будет перетекать из цилиндра в ресивер. После закрытия впускных окон начинается процесс сжатия и цикл повторится.

В двухтактном цикле в отличие от четырехтактного отсутствует два вспомогательных такта - наполнение и выпуск. Очистка цилиндров от продуктов сгорания и наполнение его воздухом происходит в части основных тактов - сжатия и рабочего хода. В связи с этим часть рабочего объема цилиндра до 25% затрачивается на очистку и наполнение цилиндров. Количество цилиндров в револьверном роторе двигателя может быть как четным, так и нечетным. Диаметр цилиндра и ход поршня выбираются исходя из требуемой мощности, крутящего момента и вида топлива.

Источники информации

1. Калина И. Двигатели для спортивного моделизма. 4.2. Пер.с чешс. Е.Г. Соломониной.- М.: ДОСААФ,1988. - 333 с.

2. Геслер В.М., Яуре В.В. Книга самодеятельного конструктора автомобилей. - М.: ДОСААФ,1989. - 278 с.

3. Двигатели внутреннего сгорания: Конструирование и расчет. Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. - 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1984.-384 с.

4. Патент США № 933316, опубл. 07.09.1909. - 7 с.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к аксиально-поршневым двигателям внутреннего сгорания. Технический результат заключается в снижении себестоимости двигателя, повышении эффективности и экономичности его работы, а также в обеспечении возможности регулирования степени сжатия двигателя в заданном диапазоне. Согласно изобретению двигатель включает в себя револьверный ротор с цилиндрами, выполненными параллельно валу ротора. В каждом цилиндре расположено по два поршня со штоками, которые движутся навстречу друг другу, а один из поршней при встрече в ВМТ запаздывает на угол 9°...12°. При этом передача крутящего момента валу ротора осуществляется движением штоков поршней по профилированной поверхности шайб. Регулировка степени сжатия осуществляется посредством смены положения шайбы. 4 ил.

Аксиально-поршневой двигатель, содержащий цилиндропоршневые группы, расположенные в роторе, поршни которых опираются штоками на профилированную шайбу, занимающую положение, обеспечивающее заданный режим работы, отличающийся тем, что в каждой цилиндропоршневой группе поршни движутся навстречу друг другу, опираясь штоками на профилированные шайбы, размещенные таким образом, что один из поршней при встрече в ВМТ запаздывает на угол 9...12°, при этом передача крутящего момента валу ротора осуществляется движением штоков поршней по профилированной поверхности шайбы.