ОППОЗИТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2012 года по МПК F02B75/24 F02B75/32 F01B1/08 F02B9/04 

Область техники.

Изобретение относится к отрасли машиностроения, в частности к двигателестроению, а именно к конструкциям бесшатунных двигателей внутреннего сгорания с оппозитно расположенными цилиндропоршневыми группами, уравновешенными без специальных механизмов. Такие двигатели могут найти применение во всех областях применения современных ДВС, в том числе: на автомобилях, тракторах и танках, на морских и речных судах, в легкомоторной авиации.

Уровень техники.

Известны многоцилиндровые бесшатунные двигатели внутреннего сгорания, в которых преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала и наоборот осуществляется через механические, многозвенные устройства, которыми являются либо шатуны или штоки и коленчатые валы, либо качающиеся косые или пространственные шайбы, либо зубчатые рейки и шестерни. К ним можно отнести двигатели по патентам РФ 2298107 от 31.10.2005, РФ 2296871 от 08.08.2005, а также известны практические конструкции бесшатунных двигателей внутреннего сгорания по "схеме Баландина", в которых применена известная кинематическая схема обращенного эллипсографа и двигатель Вуля. Его "Поршневая машина с бесшатунным механизмом" (патент РФ 2213227 от 06.03.2000) наиболее близка из аналогов к предлагаемой конструкции двигателя, которая и выбрана как прототип.

Двигатель содержит: корпус с цилиндрами, поршни с поршневыми штоками; ползуны, выполненные на штоках; направляющие ползунов, каждая из которых соединена с корпусом и выполнена с возможностью перемещения соответствующего ползуна вдоль оси соответствующего цилиндра, и механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение выходного вала. В свою очередь, механизм содержит: два соосных кривошипных вала, установленных в корпусе; расположенный между кривошипными валами коленчатый вал, коренные шейки которого шарнирно соединены с кривошипными валами, а шейки штока - с соответствующими поршневыми штоками; синхронизирующий вал, соединенный с шестернями, которые находятся в зацеплении с зубчатыми венцами кривошипных валов.

При возвратно-поступательном перемещении поршней коленчатый вал, шарнирно взаимосвязанный со штоками цилиндров и с кривошипными валами, осуществляет сложное планетарное движение, вращаясь вокруг собственной оси и вокруг оси кривошипных валов. Этим он обеспечивает взаимосвязь между возвратно-поступательным движением поршней и вращением кривошипных валов с преобразованием возвратно-поступательного движения поршней в синхронное вращательное движение кривошипных валов без использования шатунов. Синхронизация вращения кривошипных валов осуществляется при помощи синхронизирующего вала, соединенного с шестернями, которые находятся в зацеплении с зубчатыми венцами кривошипных валов.

Недостатки.

Во всех аналогах, включая прототип, значительная часть энергии от сгорания в цилиндрах топлива расходуется на преодоление сил трения в узлах трансмиссий. Уравновешивание двигателей достигается с помощью дополнительных масс, которые увеличивают вес конструкции. В силовом механизме, помимо основных элементов, используются дополнительные синхронизирующие валы, связанные с основным валом шестернями. Соединенные последовательно, шестерни синхронизирующего механизма образуют длинную размерную цепь. Значение ее суммарного допуска должно быть меньше величины диаметрального зазора одного из крайних подшипников планетарного вала, иначе невозможно обеспечить его правой и левой половине синхронного вращения. Кинематическая схема и ее конструктивное исполнение сложнее обычного кривошипно-шатунного механизма. Большое количество сопрягаемых элементов требует высокого технологического уровня их изготовления. Уложиться же в этот допуск технологически сложно. Вышесказанное усложняет изготовление, сборку и обслуживание двигателя, снижает надежность его работы. Изготовление таких двигателей на предприятиях общего машиностроения требуют существенного изменения технологии.

Цель изобретения.

Целью изобретения является: уменьшение габаритов и металлоемкости бесшатунного двигателя внутреннего сгорания и упрощение кинематической связи, которые достигаются за счет особенностей конструктивного выполнения узлов и деталей, служащих для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала и наоборот; получение управляемого процесса сгорания топлива в цилиндре и повышение эффективности работы двигателя за счет увеличения механического и термического КПД.

Сущность изобретения и его отличительные (от прототипа) признаки.

На фиг.1 изображен оппозитный рядный двигатель внутреннего сгорания без шатунов и коленчатого вала в горизонтальном разрезе по осям поршней;

на фиг.2 - поперечный разрез бесшатунного поршневого двигателя внутреннего сгорания, вид спереди;

на фиг.3 - продольный разрез соединительного (выходного) вала;

на фиг.4 - вид Б (вид сбоку) на фланец соединительного вала;

на фиг.5 - продольный разрез соединительного звена;

на фиг.6 - вид В (вид сверху) соединительного звена;

на фиг.7 - диаграмма рабочего цикла двигателя, в котором топливо сгорает при постоянном давлении;

на фиг.8 - диаграмма рабочего цикла двигателя, в котором топливо сгорает при постоянном объеме;

на фиг.9 - диаграмма смешанного рабочего цикла двигателя.

Как показано на чертежах, заявляемый оппозитный рядный двигатель внутреннего сгорания содержит:

оппозитно расположенные цилиндры 1 с поршнями 3, смонтированными в корпусе 2; шток 4, жестко соединенный известным способом с поршнями и с ползуном 8, в котором в средней его части по оси, перпендикулярной оси цилиндров и параллельной оси валов, сделаны отверстия для монтажа в них подшипников скольжения 11; направляющие 9 ползунов, которые ограничивают движение ползуна 8 зазорами во всех направлениях, за исключением направления по оси цилиндров; соединительный двухфланцевый вал 5 и выходные двухфланцевые валы 6, которые укладываются на коренные подшипники скольжения в корпус 2 по оси, проходящей перпендикулярно оси цилиндров и пересекающейся с ней, причем во фланцах по концентрической окружности, диаметр которой равен половине хода поршня, имеются отверстия для подшипников скольжения 10;

соединительное звено 7, которое выполнено в виде параллелепипеда и имеет пальцы с двух сторон широкой плоскости, отстоящие друг от друга на расстоянии, равном четверти хода поршня, и которое соединено шарнирно с одной стороны в подшипнике 11 с ползуном 8, а с другой в подшипнике 10 с соединительным или выходным валом;

внутренние крышки 12 и наружные крышки 13, которые закрывают цилиндры 1 с двух сторон и образовывают соответственно внутреннюю, компрессорную полость цилиндра - и наружную, рабочую полость цилиндра - при этом такт всасывания и сжатия рабочего воздуха осуществляется во внутренней полости цилиндра, а такт расширения и выпуска осуществляется в наружной полости цилиндра; впускные клапаны 14 и выпускные клапаны 15 рабочей полости цилиндров, которые монтируются на крышках 13 рабочей полости; самоуправляемые впускные клапаны 16 и нагнетательные клапаны 17 компрессорных полостей цилиндров, которые монтируются на крышках 12; трубопроводы 18 воздуха, топливовоздушной смеси и выхлопных газов; турбину турбокомпрессора 19, которая соединена трубопроводом 18 с выпускными клапанами 15 рабочей полости, и компрессор 20, который соединен трубопроводом 18 с впускными клапанами 16 компрессорной полости и выполняет функцию первой ступени сжатия рабочего воздуха; воздушный коллектор с аккумулятором 21, соединенный с нагнетательными клапанами 17 компрессорной полости с одной стороны, а с другой через инжектор топлива 22 с впускными клапанами 14 рабочей полости; свечи 23 зажигания топливовоздушной смеси, которые монтируются на наружных крышках 13 рабочих полостей цилиндров. При этом рабочий воздух нагнетается из компрессорной внутренней полости цилиндра через нагнетательные клапаны 17 в коллектор с аккумулятором 21 до давления 3-4 МПа, смешивается с топливом в инжекторе 22 и распределяется по цилиндрам через впускные клапаны 14 в определенный момент и в необходимом количестве.

Двигатель работает следующим образом. Двигатель запускается воздухом, находящимся в коллекторах с аккумуляторами или стартером. При вращении двигателя наружный воздух засасывается компрессором 20 турбокомпрессора, который является первой ступенью сжатия, и нагнетается в компрессорные полости, являющиеся второй ступенью сжатия, тех цилиндров, в которых поршень совершается впуск воздуха. При обратном движении поршня этого цилиндра воздух сжимается до 3-4 МПа и нагнетается в один или несколько коллекторов с аккумулятором 21. Из коллектора воздух поступает через инжектор топлива 22, в котором он смешивается с засасываемым топливом, поступает через невозвратные клапаны (не указанные на чертеже) к впускным клапанам 14 рабочей полости цилиндров и в случае, если клапан открыт, топливовоздушная смесь наполняет камеру сгорания рабочей полости и, воздействуя на поршень 3 давлением, перемещает его. Открытие, закрытие клапанов осуществляется одним из известных способов (механический через систему толкателей и рычагов, гидростатический, электромагнитный). В определенный момент известным способом на свечу 23 зажигания подается высокое напряжение, топливовоздушная смесь воспламенятся, и сгорает. При обратном движении поршня продукты сгорания поступают в турбину турбокомпрессора, приводя ее в действие, и после срабатывания в ней выбрасываются в атмосферу. Регулировка нагрузки двигателя и процесса сгорания топлива в цилиндре, влекущего за собой изменение рабочих циклов, осуществляется известными способами изменением моментов зажигания смеси и закрытия впускного клапана.

При зажигании свечи в момент открытия впускного клапана двигатель работает по циклу, в котором топливо сгорает при постоянном давлении, т.к. невозвратный клапан при росте давления перекрывает доступ поступающей смеси, а при понижении добавляет смесь, поддерживая давление.

Рабочий цикл изображен на фиг.7 диаграммой. Цикл состоит из следующих процессов: 24-25 - сжатие воздуха в компрессоре турбокомпрессора и в рабочей полости цилиндра; 25-26 - впуск топливовоздушной смеси в рабочую полость цилиндра, сгорание топлива при постоянном давлении; 26-24 - расширение газов в цилиндре; 24-27 - выпуск газов из цилиндра. При этом нагрузка двигателя регулируется моментом закрытия впускного клапана.

При фиксированном моменте закрытия впускного клапана в определенном положении поршня, соответствующем положению, когда в цилиндре давление расширения газов больше давления впуска топливовоздушной смеси, нагрузка двигателя регулируется моментом зажигания смеси. При более позднем зажигании в камеру сгорания поступает большее количество смеси и двигатель развивает большую мощность и обороты. При этом двигатель работает по циклу, в котором топливо сгорает при постоянном объеме.

Рабочий цикл изображен на фиг.8 диаграммой. Цикл состоит из следующих процессов: 28-29 - сжатие воздуха в компрессоре турбокомпрессора и в рабочей полости цилиндра; 29-30 - впуск топливовоздушной смеси в камеру сгорания рабочей полости цилиндра; 30-31 - сгорание топлива в цилиндре при постоянном объеме; 31-28 - расширение газов в цилиндре; 28-32 - выпуск газов из цилиндра.

При изменении момента зажигания смеси, и последовательно момента закрытия впускного клапана, причем закрытие впускного клапана происходит позже момента выравнивания давления расширения газов с давлением впуска топливовоздушной смеси, двигатель работает по смешанному циклу.

Рабочий цикл изображен на фиг.9 диаграммой. Цикл состоит из следующих процессов: 33-34 - сжатие воздуха в компрессоре турбокомпрессора и в рабочей полости цилиндра; 34-35 - впуск топливовоздушной смеси в камеру сгорания рабочей полости; 35-36 - сгорание топлива в цилиндре при постоянном объеме; 36-37 - расширение газов в цилиндре; 37-38 - впуск топливовоздушной смеси и сгорание топлива при постоянном давлении; 38-33 - расширение газов в цилиндре; 33-39 - процесс выпуска газов из цилиндра.

Разделение тактов на впуск - сжатие и сгорание - расширение - выпуск, и аккумулирование воздуха под давлением 3-4 МПа вносит преимущественные отличия от прототипа и существующих конструкций ДВС, а именно: наряду с его основным назначением двигатель может быть использован, одновременно и в отдельности, как компрессор, кроме того, может выполнять функцию пневматического мотора.

В связи с тем, что процесс сгорания топлива в цилиндре управляемый, а процесс сжатия в компрессоре турбокомпрессора и в компрессорной полости цилиндра можно осуществлять более интенсивно, приближая кривую сжатия к изотерме, имеется возможность выбрать наиболее выгодный для данных условий работы двигателя, тип рабочего цикла и значительно увеличить его термический КПД. При этом характеристика двигателя (зависимость момента на рабочем валу от оборотов двигателя) преобразовывается в характеристику, аналогичную характеристике паровой машины. Т.е. традиционная для ДВС характеристика, в которой момент на выходном валу равен нулю, при нулевых оборотах двигателя преобразовалась в характеристику, у которой при оборотах двигателя, равных нулю, момент на выходном валу максимальный. В этой связи отпадает необходимость иметь в схеме редуктор.

Изменение кинематической схемы прототипа уменьшает площадь соприкасающихся поверхностей в подшипниках скольжения и в зубчатых соединениях для синхронизации, исключает необходимость наличия маховика, роль которого выполняют фланцы валов, благодаря чему механический КПД увеличивается;

конструкция двигателя в целом проще аналога, не требует существенного изменения технологии и оснастки для их изготовления на предприятиях общего машиностроения. Предлагаемая схема может быть применена как при рядном расположении оппозитных пар, так и при V-образном.

Изобретение может быть использовано в двигателестроении, а именно в конструкциях бесшатунных двигателей внутреннего сгорания. Оппозитный двигатель внутреннего сгорания содержит оппозитно расположенные цилиндры с поршнями, смонтированными в корпусе; шток, жестко соединенный с поршнями и с ползуном; направляющие ползуна, которые ограничивают движение ползуна зазорами во всех направлениях, за исключением направления по оси цилиндров; и механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение выходных валов. Механизм преобразования движения содержит один или несколько соединительных двухфланцевых валов и два выходных двухфланцевых вала, укладываемых на коренные подшипники скольжения по оси корпуса, проходящей перпендикулярно оси цилиндров и пересекающейся с ней. Во фланцах валов по концентрической окружности, диаметр которой равен половине хода поршня, имеются отверстия, в одном из которых на каждом фланце смонтирован подшипник скольжения. Соединительные звенья выполнены в виде параллелепипеда и имеют пальцы с двух сторон широкой плоскости, отстоящие друг от друга на расстоянии, равном четверти хода поршня. Ползун, в средней своей части по оси, перпендикулярной оси цилиндров и параллельной оси валов, имеет отверстия, в которые смонтированы подшипники скольжения. Технический результат заключается в снижении габаритов, металлоемкости и упрощении конструкции. 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Оппозитный двигатель внутреннего сгорания, содержащий оппозитно расположенные цилиндры с поршнями, смонтированными в корпусе; шток, жестко соединенный с поршнями и с ползуном; направляющие ползуна, которые ограничивают движение ползуна зазорами во всех направлениях, за исключением направления по оси цилиндров; и механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение выходных валов, отличающийся тем, что механизм преобразования движения содержит один или несколько соединительных двухфланцевых валов и два выходных двухфланцевых вала, укладываемых на коренные подшипники скольжения по оси корпуса, проходящей перпендикулярно оси цилиндров и пересекающейся с ней, во фланцах валов по концентрической окружности, диаметр которой равен половине хода поршня, имеются отверстия, в одном из которых на каждом фланце смонтирован подшипник скольжения; соединительные звенья, выполнены в виде параллелепипеда и имеют пальцы с двух сторон широкой плоскости, отстоящие друг от друга на расстоянии, равном четверти хода поршня, ползун, который в средней своей части по оси, перпендикулярной оси цилиндров и параллельной оси валов имеет отверстия, в которые смонтированы подшипники скольжения.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что ползун соединяется с валами соединительным звеном, которое соединено шарнирно с одной стороны в подшипнике с ползуном, а с другой - в подшипнике с соединительным или выходным валом.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что такты рабочего цикла разделены, при этом такт всасывания и сжатия осуществляется во внутренней полости цилиндра, а такт расширения и выпуска осуществляется в наружной полости.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочий воздух нагнетается в коллектор с аккумулятором до давления 2-4 МПа; смешивается с топливом в инжекторе и распределяется по цилиндрам в определенный момент и в необходимом количестве.

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что изменением момента зажигания смеси и момента закрытия впускного клапана изменяется рабочий цикл двигателя и осуществляется регулировка процесса сгорания топлива и нагрузки двигателя.