ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2015 года по МПК F02B59/00 F02B75/24 

Изобретение относятся к двигателестроению, в частности к созданию двигателей внутреннего сгорания (в дальнейшем ДВС) преимущественно для легкомоторной авиации, а также автомобилей, сельхозмашин, и других машин, требующих мощного автономного привода небольшого веса.

Известен ДВС по патенту России №2032820 (приоритет от 21.07.1992), содержащий оппозитно расположенные цилиндры, в которых перемещаются поршни, соединенные общим полым штоком, а открытие-закрытие впускных и выпускных отверстий в полости цилиндра осуществляется за счет перемещения поршня относительно штока и гильзы цилиндра относительно его головки. Однако недостатком конструкции этого ДВС является перенос боковых нагрузок в паре поршень - цилиндр на рольганги, а не полная их ликвидация.

Известен также ДВС по заявке №2011125545 (приоритет от 23.06.2011, дата публикации 27.12.2012), в котором осевая сила на штоке от поршней преобразуется в два равных и противоположно направленных момента вокруг оси штока на паре конических шестерен, вращающихся в противоположных направлениях, что обеспечивает взаимоуничтожение реакций на штоке и полную ликвидацию боковых нагрузок в паре поршень - цилиндр. Равенство диаметров штока и поршней обеспечило снижение потерь давления воздуха во время такта всасывания. Недостатком этой конструкции является наличие трения скольжения в паре шарик - ступица конической шестерни, увеличивающая нерациональные потери энергии и износ сопрягаемых деталей, а также нежелательное колебательное перемещение массы газа во внутренней полости штока.

Кроме этого, известен способ наддува в цилиндр ДВС и устройство для его осуществления по заявке №2011138666 (приоритет от 20.09.2011, дата публикации 27.03.2013), которые устранили колебательное перемещение газа во внутренней полости штока и обеспечили возможность наддува предварительно сжатого воздуха в цилиндр ДВС за счет создания в камере предварительного сжатия первой порции сжатого воздуха во время рабочего хода и второй порции во время такта впуска с помощью утилизации остаточной энергии выхлопных газов, а изменение конструкции поршневого наконечника позволило существенно увеличить диаметр впускного клапана при снижении массы подвижных деталей.

Прототипом изобретения является ДВС по заявке №2011138666 от 20.08.2011.

Заявляемый ДВС содержит корпус с оппозитно расположенными цилиндрами и головками, поршни, соединенные между собой полым штоком равного диаметра, на наружной поверхности которого образованы замкнутые зигзагообразные канавки, связывающие шток через подвижное соединение с двумя коническими шестернями, на тыльной стороне которых образованы выступы, контактирующие через толкатели с механизмом отвода гильзы цилиндра в положение открытия выпускного клапана, сопряженные между собой третьей шестерней, передающей крутящий момент на вал отбора мощности, поршневые наконечники с силовым дном на обоих концах штока, жестко и герметично сочлененные с центральной частью, воздухопровод, герметично соединенный с поперечным патрубком, размещенным внутри штока с коническим переходом на его внутренний диаметр с обратным клапаном, цилиндр предварительного сжатия с обратным клапаном, вихреобразователь на выходе из камеры предварительного сжатия, форкамеру со сверхзвуковым кольцевым соплом, искровую систему зажигания, оснащенную бесконтактными датчиками магнитного типа и улиткообразными выпускными коллекторами.

Задачей изобретения является замена трения скольжения в паре шарик - ступица конической шестерни на трение качения при одновременном снижении удельных нагрузок в узле шток - ролик - ступица конической шестерни.

Другой задачей было повышение надежности конструкции кольцевого сопла и упрощение, а также облегчение конструкции поршневого наконечника при одновременном повышении его надежности и улучшении газодинамических характеристик.

Кроме того, изменение конструкции механизма отвода гильз цилиндров уменьшило количество деталей и снизило его вес. Применение воздушного охлаждения гильз цилиндров, совершающих возвратно-поступательное движение во время хода выхлопа, реализует существенное повышение эффективности ее охлаждения за счет турбулизации пограничного слоя на оребрении гильз во время такта выхлопа (в наиболее теплонапряженный момент) при одновременном повышении прочности гильз и снижении общего веса ДВС. Выполнение корпуса из трех частей повышает его жесткость и удобство монтажа подвижных механизмов.

Решение поставленных задач достигается тем, что в известном ДВС (заявка №2011138666 от 20.09.2011) согласно изобретению поперечное сечение зигзагообразных канавок выполняется прямоугольным, а сопрягающие ролики диаметром, равным ширине зигзагообразных канавок, смонтированы в ступицах каждой шестерни на роликовом или игольчатом подшипнике так, что оба противоположных ролика расположены на одной оси, совпадающей с внутренним диаметром ступицы, а внешняя поверхность дна поршней - впускных клапанов оснащена соосным оси цилиндра профилированным выступом, образующим в момент зажигания совместно с критическим отверстием форкамеры кольцевое сверхзвуковое сопло. Корпус выполнен в виде центральной силовой части с перемычками, в которых предусмотрены отверстия для прохода силовой части штоков и гнезда для размещения подшипников разрезного вала отбора мощности, боковые стенки которого герметично закрываются двумя крышками, в каждой из которых образованы приливы для размещения подшипников качения конических шестерен каждого цилиндра, на тыльной стороне каждой из которых выполнено по одному профилированному выступу, контактирующему в заданный момент с толкателем, взаимодействующим с механизмом отвода гильзы цилиндра - выпускного клапана.

На фиг. 1 приведен продольный разрез четырехцилиндрового ДВС (с нумерацией цилиндров). В цилиндре №1 - начало выхлопа; в №2 - начало рабочего хода; в №3 - конец сжатия; в №4 - конец впуска. На фиг. 2 - продольный разрез поршневого наконечника (М=1:1) - левая сторона: конец впуска - все клапаны открыты; правая сторона: начало сжатия - все клапаны закрыты.

Двигатель состоит из силового корпуса 1, изготовленного из легкого сплава с внутренними перемычками 2, двух боковых крышек 3, на внутренней поверхности которых образованы по два гнезда 4 для размещения подшипников качения, конических шестерен 5, сопрягаемых между собой двухсторонней шестерней 6 основного вала отбора мощности 7, смонтированного на двух подшипниках качения 8, размещенных в гнездах 9 центральной части перемычек корпуса, двух силовых штоков 10, которые проходят сквозь отверстия в обоих перемычках, жестко соединенных с поршневыми наконечниками 11, а на внешней поверхности силовых штоков по обе стороны от продолговатого отверстия 12 образованы пара или несколько пар замкнутых зигзагообразных канавок 13 прямоугольного поперечного сечения, амплитуда отклонений которых от плоскости симметрии, нормальной оси штока, равна половине хода штока, сочлененных с шестернями 5 с помощью роликов 14, смонтированных в ступицах шестерен на подшипниках качения 15, подвижного в осевом направлении дна поршня - впускного клапана 16 с профилированным выступом 17 на внешней поверхности вдоль его оси, который закрывает камеру предварительного сжатия 18 с обратным клапаном 19 и пружиной 26 во внутренней полости поршневого наконечника подвижным подпружиненным седлом 20 и вихреобразователем 21 на выходе из нее, силового дна 22, крышкой пневмодемпфера 23 и отверстиями 24 в них для прохода воздуха, пневмодемпфера 25, двухканальных воздуховодов 27, проходящих сквозь продолговатые отверстия в штоках, герметично соединенных с поперечными патрубками 28 с коническим переходом на внутренний диаметр штока, снабженными уплотнениями 29, работающими на давление и разрежение, и обратными клапанами 30, цилиндров предварительного сжатия 31, головок цилиндров 32 с основаниями 33, снабженных оребрением 34 воздушного охлаждения и гнездами 35 вдоль оси цилиндров для размещения форкамер 36 и свечей зажигания 37, улиткообразных выхлопных коллекторов 38, гильз цилиндров 39 с внешним оребрением, каждая из которых подвешена коаксиально штоку на пружинных диафрагмах 40 и зажата между теплозащитным экраном 41 со стороны выпускной щели и крышками 3 корпуса на заданном расстоянии от опорных плоскостей с помощью стяжек 42, механизмов отвода гильз цилиндров 43, шарнирно закрепленных в донной части по обе стороны наружного диаметра гильзы 39, толкателей 44 с роликами, выступов заданного профиля 45 на тыльной стороне конических шестерен 5, уплотнения в паре шток - крышка корпуса 46, вторичного вала отбора мощности 47, смонтированного на подшипниках качения 48 в гнездах на задней стенке корпуса и внешней стороне перемычки 2, на котором закреплена сопрягающая шестерня 49, вторичного вала отбора мощности 50, смонтированного на подшипниках качения 51 в гнездах на передней стенке корпуса и внешней стенке перемычки, на котором закреплена сопрягающая шестерня 52, а на переднем конце установлена крыльчатка вентилятора 53, соединяемая с валом управляемой муфтой 54, капота 55, образующего канал охлаждения гильз цилиндров и головок.

Двигатель работает следующим образом.

Как только выступ 45 на тыльной стороне шестерни 5 гильзы 39 цилиндра №1 соприкоснется с роликом толкателя 44, в этом цилиндре начинается такт выхлопа, причем профиль выступа 45 выполняется так, чтобы площадь выхлопной щели обеспечивала расход продуктов сгорания через нее, при котором давление на внешней поверхности дна поршня - впускном клапане 16 реализует до заданного момента осевую силу, при которой разность между этой осевой силой и суммой силы инерции и осевой силы на внутренней поверхности подвижного в осевом направлении дна поршня - впускного клапана 16 была положительной и обеспечивала герметичность камеры предварительного сжатия 18, по достижении заданного момента шестерня 5 поворачивается на угол, при котором профиль выступа 45 увеличивает по заданному закону выхлопную щель, обеспечивая плавное изменение знака вышеупомянутой разности сил на обратный, а шток в этот момент достигает ВМТ и начинает обратное движение, при этом дно поршня - впускной клапан 16 под действием суммарной силы инерции и осевой силы на его внутренней поверхности продолжает движение в прежнем направлении на величину своего хода, открывая впускную щель, а ударные нагрузки парируются пневмодемпфером, при этом гарантировано исключается касание выступа 17 поверхности выходного отверстия форкамеры 36. Улиткообразные выхлопные коллекторы 38 прогрессирующего проходного сечения обеспечивают малые потери давления на выхлопе и дальнейшее адиабатическое расширение продуктов сгорания.

На этом такт выхлопа заканчивается, однако выхлопная щель остается в открытом состоянии до тех пор, пока не прекратится контакт ролика толкателя 44 с выступом 45, что позволяет за счет эжектирования струей, вытекающей из щели камеры предварительного сжатия первой порции воздуха, полностью удалить все продукты сгорания из пространства между головкой цилиндра и внешней поверхностью впускного клапана, а также из форкамеры, обеспечивая получение коэффициента заполнения цилиндра горючей смесью практически равным единице, а также охлаждение элементов конструкции выхлопной щели, дна поршня 16 и коллекторов 38. Для этого используется лишняя масса воздуха, которая при заданной степени сжатия горючей смеси могла вызвать ее несанкционированное самовозгорание.

После закрытия выхлопной щели начинается такт впуска горючей смеси в цилиндр. В этот момент впускная щель полностью открыта, а шток 10 (пройдя ВМТ) начинает движение в обратном направлении, увлекая за собой остановившееся на ограничителе движения дно поршня - впускной клапан 16. Воздух первой порции, практически не содержащий топлива, выходящий под давлением из камеры предварительного сжатия 18, получает тангенциальную составляющую скорости в вихреобразователе 21 и создает за дном поршня - впускным клапаном 16 пространственное вихревое течение [2] по направлению от впускной щели, вдоль внутренней стенки гильзы 39 цилиндра. По мере отхода поршневого наконечника 11 от внутренней поверхности головки цилиндра 32 вихревое течение растягивается, образуя вдоль оси цилиндра область пониженного давления [2], в которую отсасывается воздух первой порции из форкамеры 36. Как только давление в цилиндре предварительного сжатия станет больше суммарного усилия от давления в камере предварительного сжатия 18 и пружины 26 обратного клапана 19, последний открывается, и газ из цилиндра предварительного сжатия начинает поступать в камеру 18. В этот момент в цилиндр предварительного сжатия впрыскивается распыленное жидкое топливо, которое, попадая в нагретый воздух в результате адиабатического сжатия, начинает интенсивно испаряться, снижая температуру смеси, а после прохода вместе с воздухом через вихреобразователь 21 начинает перемешиваться с воздухом в пространственном вихре (аналогом общеизвестного торнадо). При проходе штоком 10 половины своего хода ускорение его движения в экстремальной точке меняет знак на обратный, и скорость штока начинает уменьшаться, а ускорение торможения возрастать. Однако закрытию клапана 16 препятствует давление газа, поступающего из цилиндра предварительного сжатия в камеру 18, и сила сжатой пружины 26 обратного клапана 19. При приближении штока 10 к НМТ конический раструб поперечного патрубка 24 подходит практически вплотную к крыше демпфера 25 силового дна 22 поршневого наконечника 11 и в этот момент вихревое течение в цилиндре начинает эжектировать из конического раструба и камеры предварительного сжатия 18 остатки газа через еще открытые клапаны 16 и 19. Как только перепад силы давления на обратном клапане 19 станет меньше силы разжима его пружины 26, он закрывается, а ударному закрытию клапана 16 под действием силы инерции препятствует сопротивление демпфера 25. В это время шток 10, пройдя через НМТ, начинает набирать скорость навстречу клапану 16, который преодолев сопротивление демпфера, плавно садится в седло. На этом такт впуска заканчивается.

После закрытия клапана 16 начинается такт сжатия горючей смеси в гильзе цилиндра 39 а, как только давление в коническом раструбе поперечного патрубка 28 станет ниже атмосферного, обратный клапан 30 открывается и атмосферный воздух начинает всасываться в цилиндр предварительного сжатия 31.

Из теоремы Гельмгольца [1] следует, что вихревые трубки не могут заканчиваться внутри жидкости (газа), они либо образуют замкнутые кольца, либо опираются на свободную поверхность (что подтверждается опытными данными). Поэтому созданный во время такта впуска вихрь продолжает существовать и во время такта сжатия, интенсивно перемешивая горючую смесь до момента зажигания, обеспечивая ее высокую однородность. При подходе штока 10 к ВМТ профилированный выступ 17 на внешней поверхности дна поршня - впускного клапана 16 начинает образовывать совместно с выходным отверстием форкамеры 36 кольцевое сверхзвуковое сопло. На этом такт сжатия горючей смеси заканчивается.

В заданный момент компюторный блок выдает команду на подачу высокого напряжения на свечу 37, искровой разряд которой поджигает горючую смесь в форкамере 36. Вспыхнувшая смесь в форкамере резко повышает давление в ней, что создает в сверхзвуковом сопле течение, которое отделяется от основного заряда кольцевым прямым скачком пламени, распространяющимся от критического сечения сопла к стенке цилиндра вдоль внешней поверхности дна поршня 16 и внутренней поверхности головки 32 (кратчайшее расстояние до стенки цилиндра), поджигая основной заряд. Начинается рабочий ход штока 10, а одновременно в цилиндре предварительного сжатия 31 начинается сжатие воздуха, в начале которого обратный клапан 30 закрывается, а клапан 19 в камере предварительного сжатия 18 открывается, как только сила давления на клапан 19 преодолеет сопротивление его пружины 26 и воздух начинает поступать в камеру 18. Открытию дна поршня - впускного клапана 16 препятствует весьма значительный перепад давления со стороны полости гильзы 39 рабочего цилиндра.

Сгоревший заряд повышает давление в камере сгорания рабочего цилиндра 39, которое, интегрируясь на внешней поверхности дна поршня 16, сообщает штоку 10 через поршневые наконечники 11 осевую силу в направлении НМТ, которая передается через криволинейные канавки 13 четырем роликам 14, смонтированным на роликовых (или игольчатых) подшипниках 15 в ступицах двух конических шестерен 5, вращающихся в противоположных направлениях и сочлененных между собой двухсторонней шестерней 5 основного вала отбора мощности 7 и шестернями 45 и 47 вторичных валов 43 и 46, при этом реакции на штоке от двух противоположно направленных моментов (двух пар сил), вращающих конические шестерни, взаимно уничтожаются, и на шток 10 действует только одна осевая сила. Адиабатически расширяясь, продукты сгорания перемещают шток 10 до НМТ, после чего процесс повторяется.

Аналогично происходит работа в остальных цилиндрах в прядке обозначенных номеров. Постоянство температуры цилиндров и головок обеспечивается за счет управления электронным блоком включением - выключением муфты 54 на основании сигналов датчиков температуры.

Полная изоляция картера ДВС от картерных газов и атмосферы обеспечит существенное увеличение сроков смены масла и уменьшение износа подвижных деталей, а отсутствие боковых сил в паре поршень - цилиндр при наличии контакта только через поршневые кольца приводит к строго коаксиальному износу одного зеркала цилиндра и поршневых колец, в результате чего ремонтные работы сводятся к простой замене поршневых колец на кольца ремонтного размера.

Проведенные оценки показывают, что четырехцилиндровый ДВС с рабочим объемом цилиндров 1,5 л, весом порядка 50 кГс будет иметь мощность при 3000 об/мин конической шестерни порядка 150 кВт при удельном расходе топлива не более 100 г/кВт·ч.

Для сравнения: двигатель ВАЗ 2110, имея рабочий объем 1,5 л, развивает мощность 94 кВт при 5600 об/мин и удельном расходе топлива порядка 250 г/кВт·ч.

Библиография

1. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1970, с. 66.

2. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. - М.: Машиностроение, 1969, с. 25-27.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к созданию двигателей внутреннего сгорания. Двигатель содержит полый шток, соединяющий поршни, выполненый диаметром, равным диаметру поршня, и оснащеный зигзагообразными, симметричными, замкнутыми канавками прямоугольного поперечного сечения по обе стороны от продолговатого отверстия для прохода впускного трубопровода в его центральной части, с которыми контактируют ролики, смонтированные в ступицах двух коаксиальных штоку конических шестерен на подшипниках качения, которые сочленены между собой третьей конической шестерней, передающей крутящий момент на вал отбора мощности. Оснащение внешней поверхности дна поршня - впускного клапана профилированным выступом, коаксиальным оси цилиндра, который образует сверхзвуковое сопло с выходным отверстием форкамеры в момент зажигания, существенно повышает надежность этого узла. Использование принципиально нового способа безкомпрессорного наддува повышает мощность ДВС и его КПД. Применение воздушного охлаждения перемещающихся поперек потока оребренных гильз во время такта выхлопа существенно увеличивает эффективность охлаждения и повышает прочность гильз, снижая общий вес ДВС. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с оппозитно расположенными цилиндрами и головками, поршни, соединенные между собой полым штоком равного диаметра, на наружной поверхности которого образованы замкнутые зигзагообразные канавки, связывающие шток с двумя коническими шестернями, на тыльной стороне которых образованы выступы, контактирующие через толкатели с механизмом отвода гильзы цилиндра в положение открытия выпускного клапана, сопряженные между собой третьей шестерней, передающей крутящий момент на вал отбора мощности, поршневые наконечники с силовым дном на обоих концах штока, жестко и герметично сочлененные с центральной частью, воздухопровод герметично соединенный с поперечным патрубком, размещенным внутри штока с коническим переходом на его внутренний диаметр с обратным клапаном, цилиндр предварительного сжатия с обратным клапаном, вихреобразователь на выходе из камеры предварительного сжатия, форкамеру со сверхзвуковым кольцевым соплом, искровую систему зажигания, оснащенную датчиками магнитного типа, и улиткообразные выпускные коллекторы, отличающийся тем, что поперечное сечение зигзагообразных канавок на штоке выполняется прямоугольным, а сопрягающий ролик диаметром, равным ширине зигзагообразных канавок на штоке, смонтирован в ступице каждой конической шестерни на роликовом или игольчатом подшипнике так, что оба подшипника одной шестерни расположены на одной оси, совпадающей с внутренним диаметром ступицы, а внешняя поверхность дна поршней - впускных клапанов оснащена соосным оси цилиндра профилированным выступом, образующим в момент зажигания совместно с критическим отверстием форкамеры кольцевое сверхзвуковое сопло.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде центральной силовой части с перемычками, в которых предусмотрены отверстия для прохода силовой части штоков и гнезда для размещения подшипников качения валов отбора мощности, боковые стенки которого герметично закрываются двумя крышками, в каждой из которых образованы приливы для размещения подшипников качения конических шестерен каждого цилиндра, на тыльной стороне каждой из которых выполнено по одному профилированному выступу, контактирующему с механизмом отвода гильзы цилиндра - выпускного клапана, а оребрение воздушного охлаждения гильзы, перемещающееся поперек потока, повышает не только эффективность охлаждения во время такта выпуска, но и прочность гильзы, снижая общий вес двигателя.