ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2011 года по МПК F02B75/32 F02B75/28 

Изобретение относится к механике и может быть использовано в конструкциях многоцилиндровых двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Известны двигатели с расположением цилиндров по сторонам многоугольника, в углах которого расположены кривошипные валы: патент СССР №5580, кл. 46a⁴, 6₀₂, опубликован 30.06.1928; авторское свидетельство СССР №28081, кл. 46а, 6, опубликовано 31.10.1932.

Недостатки известных двигателей заключаются в наличии большого количества зубчатых колес и шестерен. В двигателях также не решен вопрос устранения боковых сил, действующих на поршни.

Известна "Поршневая машина (ее варианты)", описание изобретения к патенту, республика Беларусь, BY2898, МКР: F02B 75/32, F02B 75/22, F01B 9/02, F16F 15/24, 1999.06.30, содержащая горизонтальные цилиндры, поршни которых через пары шатунов соединены с двумя коленчатыми валами, зубчатые колеса которых находятся в зацеплении, причем поршни снабжены штоками, с которыми соединены шатуны, выполненная с возможностью организации двустороннего рабочего процесса, а механизм машины, включающий поршни, шатуны и коленчатые валы в пределах шатунных шеек выполнен симметричным относительно центра, размещенного на линии пересечения первой и второй плоскости посередине между осями цилиндров.

Недостаток известного решения - наличие двух и более коленчатых валов, связанных зубчатыми колесами, что усложняет конструкцию и увеличивает габариты ДВС.

Известна "Поршневая машина", описание изобретения к патенту Российской Федерации RU 2100632 С1, МКР: F02B 75/32; F01B 5/00, 27.12.1997, содержащая корпус, по крайней мере одну оппозитную пару цилиндров и поршни, установленные в цилиндрах и жестко связанные между собой штоками, ось с коромыслом и рычагом, установленную в корпусе с возможностью поворота, шатуны, связанные со штоками поршней и коромыслом, коленчатый вал, установленный в корпусе, второй шатун, шарнирно связанный с коленчатым валом и рычагом, причем ось коромысла расположена на перпендикуляре к оси цилиндров, в которой в средней части поршневого штока установлены поперечные и продольные пластины и ползуны, жестко связанные с продольными пластинами, в корпусе выполнены направляющие с возможностью взаимодействия с ползуном, а первая головка первого шатуна шарнирно связана с продольными пластинами. В этой машине повышена долговечность работы за счет переноса точки приложения нормальной силы с поршней на ползуны, повышена удельная мощность за счет увеличения в два раза количества рабочих полостей во внутренних частях цилиндров.

Недостаток известного решения - большие размеры в направлении осей цилиндров из-за расположения механизма преобразования движения между цилиндрами и дополнительных рабочих полостей во внутренних частях цилиндров.

Известен патент США, US 2009/0120404 А1, May 14, 2009, "Двигатель внутреннего сгорания" (прототип), имеющий одну или более пар поршней, движущихся возвратно-поступательно, соединенных с силовым механизмом и движущихся по выверенно параллельным траекториям, причем силовой механизм двигает единственный шатун по траектории, строго перпендикулярной тем строго параллельным траекториям возвратно-поступательного движения поршней. В прототипе решен вопрос устранения боковых нагрузок на поршни, что уменьшает силы трения поршней о стенки цилиндров.

Недостатки прототипа - сложность конструкции из-за большого количества шарниров для рычагов и коромысел, применяемых для преобразования движения, а также большие размеры из-за расположения соседних коромысел, участвующих в преобразовании движения рядом в одной плоскости.

Цель изобретения состоит в упрощении конструкции ДВС, в повышении надежности и в уменьшении объема, занимаемого эквивалентной прототипу группой цилиндров.

Поставленная цель достигается тем, что в двигателе, содержащем корпус, в котором сдвоенные, в одной оси установленные цилиндры в параллельных рядах, кратных двум, равномерно расположены по сторонам многогранника по касательным к вписанным в него окружностям. Поршни в смежных цилиндрах соединены штоками, а штоки при движении своими боковыми поверхностями взаимодействуют с установленными в цилиндры направляющими прямолинейного движения, причем штоки имеют пазы, в которые шарнирно установлены тяги, соединенные с равноплечими коромыслами, которые в оси качания равноудалены от осей цилиндров и шарнирно связаны с корпусом. Коромысла через дополнительные плечи шарнирно соединены с шатунами, имеющими другими концами шарнирную связь с противоположно расположенными кривошипами коленчатого вала.

На фиг.1 изображен упрощенный чертеж ДВС, вид спереди; на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.4 - разрез В-В на фиг.2.

На фиг.5 и фиг.6 изображены схемы расположения поршней в цилиндрах соседних рядов.

На фиг.7 изображен общий вид для варианта расположения цилиндров в ДВС по сторонам четырехгранника, в котором коленчатый вал помещен в разрыв цилиндров; на фиг.8 - разрез Г-Г на фиг.7; на фиг.9 - разрез Д-Д на фиг.7.

На фиг.10 изображен общий вид для варианта расположения цилиндров в ДВС по сторонам четырехгранника, в котором коленчатый вал вынесен за пределы цилиндров; на фиг.11 - разрез Е-Е на фиг.10; на фиг.12 - разрез Ж-Ж на фиг.10.

На фиг.13 изображен общий для варианта расположения цилиндров в ДВС по сторонам трехгранника, в котором коленчатый вал вынесен за пределы цилиндров; на фиг.14 - разрез З-З на фиг.13; на фиг.15 - разрез И-И на фиг.13.

На фиг.16 изображен общий вид для варианта расположения цилиндров в ДВС по сторонам пятигранника, в котором коленчатый вал вынесен за пределы цилиндров; на фиг.17 - разрез К-К на фиг.16; на фиг.18 - разрез Л-Л на фиг.16.

На фиг.19 изображен общий вид для варианта ДВС, в котором коленчатый вал выполнен составным, состоящим из двух валов, соединенных шлицевой муфтой; на фиг.20 - разрез М-М на фиг.19.

На фиг.21 изображена схема, поясняющая траекторию движения коромысел при работе ДВС.

На фиг.22 изображен общий вид блока цилиндров ДВС; на фиг.23 - разрез Н-Н на фиг.22 одного из цилиндров с установленными в нем направляющими прямолинейного движения для штока поршней.

ДВС (фиг.1-4) содержит корпус 1, блок цилиндров 2, поршни 3, соединенные штоками 4, тяги 5, шарнирно установленные в пазы штоков 4, коромысла 6, шарнирно связанные с корпусом 1, тягами 5 и шатунами 7, коленчатый вал 8, установленный в картере 9, который кривошипами связан с шатунами 7. Камеры сжатия, выполненные в блоках 10, расположены между цилиндрами 2. Направляющие блоки 17 установлены и закреплены в блоках цилиндров 2.

Работа ДВС заключается в преобразовании возвратно-поступательного движения поршней, получающих движение от расширяющихся при сгорании горючей смеси газов, во вращательное движение коленчатого вала.

ДВС работает следующим образом.

На (фиг.1-4) в блоках цилиндров 2 сдвоенные, в одной оси установленные цилиндры в параллельных рядах, кратных двум, расположены по сторонам многогранника по касательным к вписанным в него окружностям. В смежных рядах цилиндров поршни 3 в сдвоенных цилиндрах одного ряда соединены штоками 4, имеющими пазы, и совершают возвратно-поступательные движения, которые через шарнирно установленные в пазах штоков тяги 5 передаются равноплечим коромыслам 6, которые в оси качания равноудалены от осей цилиндров и шарнирно связаны с корпусом 1. Коромысла через дополнительные плечи шарнирно соединены с шатунами 7, имеющими другими концами шарнирную связь с противоположно расположенными кривошипами коленчатого вала 8, который преобразует качания коромысел в свое вращение. Камеры сжатия, выполненные в блоках 10, расположенных между цилиндрами, соединены каналами с полостями цилиндров и могут выполняться как изолированными для каждого цилиндра с каждой стороны каждого ряда, так и общими, что проще реализуемо, для сторон цилиндров, в которых поршни в смежных рядах совершают сближения.

На фиг.5 и фиг.6 изображены поршни в крайних положениях в цилиндрах соседних рядов. Работая на общие камеры сжатия, совершили сближения поршни 3-2 и 3-11, 3-4 и 3-13, 3-6 и 3-15. В другом цикле совершат сближения поршни 3-3 и 3-10, 3-5 и 3-12, 3-7 и 3-14. Поршни 3-1, 3-8, 3-9, 3-16 работают на изолированные, отдельные для каждого, камеры сжатия.

В схемах (фиг.10-18) при условии применения общих камер сжатия коленчатый вал может выполняться составным.

На фиг.20 в разрезе М-М на фиг.19 показан составной вал, состоящий из двух валов 8-1 и 8-2, соединенных шлицевой муфтой 11, причем шлицы на прилегающих концах шлицевой муфты 11 и валов 8-1 и 8-2 расположены по винтовой линии и ориентированы в противоположных направлениях. Перемещения шлицевой муфты 11 в осевом направлении с помощью рычага 12 посредством вала 13, водила 14 и вилки 15 изменяет взаимное угловое положение кривошипов валов, что нарушает синхронность в достижении мертвых точек поршнями, следовательно, изменяет и общий объем, состоящий из объемов камер сжатия и объемов в цилиндрах над поршнями, что приводит к изменению степени сжатия в цилиндрах и позволяет изменять режимы работы ДВС или использовать другой вид топлива.

На фиг.21 схематично показано, что коромысло радиуса R, совершая качания между точками А и В, на расстояние L, равное длине хода поршней в пределах угла 2α, имеет по отношению к оси цилиндров смещение

k=R(1-Cosα)

В предложенных схемах поршни, соединенные штоками, при движениях в цилиндрах не имеют перекоса, а боковые силы трения поршней о стенки цилиндров незначительны. Полностью разгрузить поршни от боковых сил поможет применение направляющих прямолинейного движения, взаимодействующих со штоками поршней.

На фиг.22 и фиг.23 поршни 3, соединенные штоками 4, в одном из блоков цилиндров 2 разгружены от боковых сил тем, что шток 4 своими боковыми поверхностями взаимодействует с накладками 16 направляющего блока 17, установленного и закрепленного в блоке цилиндров 2.

Данные схемы ДВС отличаются компактностью и простотой исполнения. Синхронные встречные движения поршней и встречные качания коромысел в соседних рядах взаимно уравновешивают силы инерции и их моменты. Механизм газораспределения (не показан) устроен по известному принципу с приводом от выходного вала посредством механических передач или управлением клапанами с помощью электромагнитов. Работа двигателя возможна как на легком топливе, так и по схеме Дизеля.

Изобретение относится к механике и может быть использовано в конструкциях многоцилиндровых двигателей внутреннего сгорания (ДВС). ДВС содержит корпус (1), цилиндры (2), коромысла (6), камеры сжатия (10), поршни (3) и коленчатый вал (8). Цилиндры равномерно расположены по касательным к вписанным в многогранник окружностям, в параллельных рядах. Число рядов цилиндров кратно двум. Поршни (3) в цилиндрах соединены штоками (4), имеющими пазы, в которые шарнирно установлены тяги (5). Тяги (5) соединены с коромыслами (6). Коромысла (6) через дополнительные плечи соединены шатунами (7) с противоположно расположенными кривошипами коленчатого вала (8). Штоки (4) взаимодействуют с направляющими (17). Оси качания коромысел (6) равноудалены от осей цилиндров (2) и шарнирно присоединены к корпусу (1). Технический результат заключается в уменьшении объема, занимаемого ДВС. 10 з.п. ф-лы, 23 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, по сторонам многогранника в котором в одной оси установлены сдвоенные, расположенные в параллельных рядах цилиндры и блоки камер сжатия, причем поршни в цилиндрах соединены штоками, имеющими пазы, в которые шарнирно установлены тяги, соединенные с коромыслами, которые посредством шатунов связаны с коленчатым валом, установленным в корпусе и передают ему движение, отличающийся тем, что цилиндры равномерно расположены по касательным к вписанным в многогранник окружностям, число рядов цилиндров кратно двум, штоки взаимодействуют боковыми поверхностями с установленными в цилиндры направляющими прямолинейного движения, блоки камер сжатия расположены между цилиндрами, коромысла в оси качания равноудалены от осей цилиндров и шарнирно присоединены к корпусу, а дополнительные плечи коромысел шарнирно соединены посредством шатунов с противоположно расположенными кривошипами коленчатого вала.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в параллельных рядах цилиндров смежные пары рядов изготовлены одним общим блоком.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в параллельных рядах цилиндров смежные пары рядов изготовлены раздельно и скреплены в общий блок механически.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что камеры сжатия выполнены изолированными для каждого цилиндра с каждой стороны в каждом ряду и соединены каналами с полостями цилиндров.

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что камеры сжатия выполнены общими для сторон цилиндров, в которых поршни в смежных рядах совершают сближения и соединены каналами с полостями цилиндров.

6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что картер коленчатого вала помещен в разрыв блоков цилиндров.

7. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что картер коленчатого вала вынесен за блоки цилиндров.

8. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что коленчатый вал с противоположно расположенными кривошипами выполнен как одно целое.

9. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в двухрядном двигателе коленчатый вал, выполнен составным, состоящим из двух валов, соединенных шлицевой муфтой, причем шлицы на прилегающих концах валов и муфты выполнены по винтовым линиям и ориентированы в противоположных направлениях, а шлицевая муфта установлена с возможностью управляемого перемещения вдоль оси валов.

10. Двигатель по любому из пп.2, 3, отличающийся тем, что в рядах цилиндров корпус, картер коленчатого вала, блоки цилиндров выполнены как одно целое.

11. Двигатель по любому из пп.2, 3, отличающийся тем, что в рядах цилиндров корпус, картер коленчатого вала, блоки цилиндров выполнены раздельно и скреплены механически.