ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2019 года по МПК F02B75/32 F02B41/02 F02B75/18 

Использование: изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к двигателю внутреннего сгорания.

Сущность изобретения: двигатель внутреннего сгорания содержит, по крайней мере, два цилиндра, сообщенных между собой при помощи соединительного канала и снабженных поршнями, кинематически связанными с коленчатым валом с возможностью их синхронного движения без смещения одного против другого, то есть <α=0, и камеру сгорания со свечой, установленную над первым цилиндром; два поршня со штоками соединены через крейцкопф, установленный на штоковой шейке коленвала, а на опорной шейке коленвала закреплена неподвижно малая шестерня с наружным зацеплением зубьев, которая входит в зацепление с большой шестерней, имеющей внутреннее зацепление зубьев и установлена неподвижно. При этом диаметр начальной окружности малой шестерни равен половине диаметра начальной окружности большой шестерни, а диаметр большой шестерни равен ходу поршня, и при этом эксцентриситет коленвала и кривошипа равны между собой и равны четверти хода поршня, кроме того, с целью уменьшения нагрузки на опорные подшипники, опорная шейка выполнена удлиненной.

Близким аналогом к предлагаемому изобретению является двигатель внутреннего сгорания (ДВС) Кушуля, содержащий по меньшей мере одну пару цилиндров с одной камерой сгорания и установленной в ней свечой, сообщенных между собой при помощи соединительного канала, поршни, кинематический связанные посредством шатунов с коленчатым валом (см. журнал «Катера и яхты», №5, 1986 г, с. 30). Основным недостатком данной конструкции является то, что за счет применения кривошипно-шатунного механизма возникают дополнительные нагрузки на стенки цилиндров и поршней и это приводит к большой теплонапряженности данных деталей, что в свою очередь не позволяет повысить степень сжатия воздушно-горючей смеси, температуру и полноту сгорания топлива, а следовательно, выполняемую работу и КПД двигателя в целом. Кроме того, в связи с высокой теплонапряженностью цилиндро-поршневой группы, необходимо применять интенсивное охлаждение, и ужесточать конструкцию, что влечет за собой увеличение веса и габаритов двигателя.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению прототипом является двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным силовым механизмом, который содержит по крайней мере два цилиндра, одну камеру сгорания, установленную в первом цилиндре со свечой зажигания. Цилиндры сообщены между собой соединительным каналом. Двигатель имеет, два коленчатых вала, опорные шейки, которых расположены в двух кривошипах и одной центральной опоре. Кривошипы и центральная опора для синхронизации вращения связаны соединительным валом посредством шестерен. На штоковых шейках коленчатых валов установлены поршни с крейцкопфами. Последние перемещаются в вертикальных и горизонтальных линейных направляющих, совершая возвратно-поступательное движение.

При этом коленчатые валы смещены между собой на 22-24 относительно их оси вращения, а центральная опора выполнена с двумя отверстиями, смещенными на 22-24 относительно друг друга (см. патент РФ №2066384, кл. F02, в 75132, 1996 г.).

Однако известный двигатель характеризуется наличием большого количества движущихся деталей, что увеличивает его габариты, вес и усложняет его конструкцию. Такая конструкция предпочтительнее для многоцилиндровых двигателей, 4-х и более.

Была поставлена задача, упростить конструкцию вышеуказанного двигателя с целью уменьшения габаритов и веса, что снижает себестоимость их производства и расширяет область применения в народном хозяйстве. Предлагаемый двигатель содержит, по крайней мере, одну пару цилиндров, одну камеру сгорания, установленную в первом цилиндре со свечой зажигания, соединительный канал между цилиндрами, один коленчатый вал, имеющий одну опорную шейку, установленный в кривошипе и одну штоковую шейку, на которой установлены два штока с двумя поршнями, расположенные между собой без смещения, т.е. <α=0. Штоки между собой связаны крейцкопфом, который может перемещаться в линейных направляющих или без них. В последнем случае роль направляющих выполняют втулки, установленные на штоках, и которые обеспечивают синхронность движения поршней.

Поставленная задача технически достигается тем, что на опорной шейке коленвала неподвижно закреплена малая шестерня с наружным зацеплением зубьев, входящая в зацепление с большой шестерней, имеющей внутреннее зацепление зубьев, последняя установлена неподвижно. При этом диаметр делительной окружности малой шестерни d равен половине диаметра окружности большой шестерни D. Эксцентриситет «а» коленвала равен эксцентриситету «а» кривошипа и равен четверти хода поршня см. фиг. 1. При этом d=2а, D=4а, т.е. диаметр делительной окружности большой шестерни равен ходу поршня. При обкатывании малой шестерни внутри большой, точка «O₂» движется по прямой линии к точке «О₃».

Приведенные отличительные признаки, характеризующие изобретение, достаточные для получения технического результата поставленной задачи, выраженного в упрощении конструкции двигателя с применением минимального количества движущихся деталей, что дополнительно привело еще и к повышению механического КПД.

Кроме основных отличительных признаков ДВС имеет признаки, характеризующие изобретение в частных случаях, указанных в формуле изобретения. Изобретение поясняется чертежами, на которых показан предлагаемый двигатель, см. фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7, фиг. 8, фиг. 9.

Двигатель содержит, по крайней мере, два цилиндра 1 и 2, одну камеру сгорания 3 с установленной в ней свечой 4, соединительный канал 5 между цилиндрами, два поршня 6 и 8, установленные и закрепленные, например, резьбовым соединением с контргайкой 29, на штоках 7 и 9, последние связаны крейцкопфом 10, который движется в линейных направляющих 17. В крейцкопфе установлена штыковая шейка 12 коленвала 11, опорная шейка 13 коленвала, установлена в кривошип 16. На опорной шейке коленвала неподвижно закреплена малая шестерня 14, которая обкатывается внутри большой шестерни 15. При этом центр малой шестерни, совпадающий с осью «O₁» опорной шейки коленвала совершает круговое движение вокруг оси «О», а опорная шейка 13 коленвала 11 принуждает вращаться кривошип 16. Кроме того на штоках 7 и 9 установлены направляющие втулки 19, закрепленные в корпусе 31, или в диафрагме 18, которая может служить герметизирующим элементом, разделяющим подпоршневую полость цилиндров и внутреннюю полость картера двигателя 32.

Кроме того, крейцкопф снабжен ползунами 20, которые поджаты к линейным направляющим 17 металлическими пружинами и/или полиуретановыми вставками 21, см. вид А (фиг. 2). В результате этого обеспечивается движение крейцкопфа 10 вдоль направляющих 17 без круговых колебаний вокруг оси О₂, а следовательно, при этом также обеспечивается линейное передвижение штоков с поршнями без смещения одного против другого.

Двигатель также содержит соединительный вал 22 с двумя закрепленными на нем шестернями 23, которые связывают два кривошипа 16 с целью устранения перекосов в опорных шейках 13 коленвала 11, обеспечивая при этом синхронность вращения 2-х кривошипов 16 (см. фиг. 5, фиг. 6).

При этом штоковая шейка 12 коленвала совершает возвратно-поступательное движение от точки О₂ до точки О₃ вместе с крейцкопфом 10 от усилий расширяющихся газов над поршнями. В цилиндрах происходит процесс сгорания топлива по принципу, предложенному в двигателе Кушуля, как это было описано в аналоге.

Наряду с этим, применение диафрагмы 18 см. фиг. 9 в 2-тактном двигателе, совместно с направляющими втулками 19 и уплотнительными кольцами 26, создающими герметичность, позволит повысить в цилиндрах под поршнями степень сжатия свежей топливно-воздушной смеси, поступившей из карбюратора, когда поршни перемещаются в нижнюю метровую точку (НМТ), а смесь устремляется на продувку сгоревших газов через перепускные каналы 30 в верхнюю рабочую часть цилиндров 1 над поршнем 6. Так как при наличии диафрагмы исключается прохождение смеси из карбюратора через полость картера, подпоршневой объем пропорционально уменьшается и, следовательно, степень сжатия смеси под поршнем повышается. При этом увеличивается интенсивность (скорость) продувки, что ведет к увеличению степени наполнения цилиндров свежим топливно-воздушным зарядом, увеличению оборотов и мощности двигателя.

При этом, наружный контур диафрагмы соответствует внутреннему контуру поршня, между которыми выдерживается зазор 2+5 мм, что обеспечивает наиболее полное вытеснение свежей смеси из-под поршня в перепускные каналы при подходе поршня в НМТ.

Во-вторых, наличие диафрагмы позволит применить в картере 2-хтактного двигателя независимую от продувки, а значит и более эффективную смазку под давлением маслом, масляным туманом трущихся пар деталей бесшатунного механизма, в отличие отныне существующей смеси бензина с маслом через картер, где используется кривошипно-шатунный механизм.

В-третьих, так как количество требуемых для смазки бензо-воздушной смесью деталей уменьшилось, остались только поршни с кольцами, то количество необходимого масла в топливно-воздушной смеси может быть значительно уменьшено, например, в 2-4 раза. При этом повышается теплотворная способность топлива, повышается термический КПД и уменьшаются токсичные выбросы в атмосферу.

Для обеспечения герметичности в диафрагме 18, кроме направляющих втулок 19 штоков, установлены разрезные уплотнительные кольца 26, выполненные в виде наружного конуса, поджатые гайкой с шайбой 28, 27, имеющей вид внутреннего конуса. Это позволяет обеспечить необходимое усилие сжатия кольцами штока и, кроме того, снимать и устанавливать кольца не разбирая узла крепления штока с поршнем или крейцкопфом.

Как показано на фиг. 7, коленчатый вал вторую штоковую шейку 24, расположенную на противоположном конце коленчатого вала и установленную на одной оси О₂ с первой шейкой без смещения шеек между собой, т.е. <α=0, относительно оси О₁, при этом, на каждой штоковой шейке 12 и 24 установлено по одному поршню со штоком, что снижает нагрузки на штоковые шейки.

Опорная шейка 13 коленвала 11 размещена в центральной опоре 25, который выполняет роль кривошипа 16. С двух сторон, от средней части коленчатого вала, размещены две малые шестерни 14, входящие в зацепление с большими шестернями 15.

При этом малые шестерни могут быть выполнены, как одно целое с коленвалом.

При такой конструктивной схеме нагрузки, передающиеся от поршней через штоки, распределяются симметрично и равномерно на штоковые и опорную шейку коленвала, а также на зубья шестерен, при этом исключаются перекосы в опорной и штоковой шейке коленвала, что могло привести к заклиниванию подшипников.

На фиг. 8 показана конструкция двигателя, отличающаяся от вышеописанной тем, что малые шестерни 14 и большие 15 расположены посередине коленвала, при этом центральная опора 25 выполнена с вырезом для размещения шестерен.

В данной конструкции за счет уменьшения расстояния консольной части коленвала между штоковой и опорной шейкой, уменьшаются силы в этих опасных сечениях коленвала, за счет этого конструкция коленвала становится жесткой и более прочной. При этом большие шестерни и центральная опора могут быть выполнены разборными.

Изобретение является промышленно приемлемым и может быть использовано в двигателестроении. Дополнительным эффектом данной конструкции является снижение шума и токсичности выхлопа по сравнению с аналогичными конструкциями двигателей, что повышает экономические и эксплуатационные характеристики.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к двигателю внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания содержит по меньшей мере одну пару цилиндров, сообщенных между собой при помощи соединительного канала и снабженных поршнями, кинематически связанными с коленчатым валом и кривошипом с возможностью их синхронного движения без смещения одного против другого, то есть <α=0, и камеру сгорания со свечой, установленную над первым цилиндром, при этом два поршня со штоками соединены через крейцкопф, установленный на штоковой шейке коленвала, а на опорной шейке коленвала закреплена неподвижно малая шестерня с наружным зацеплением зубьев, которая входит в зацепление с большой шестерней, имеющей внутреннее зацепление зубьев, и установлена неподвижно, при этом диаметр начальной окружности малой шестерни равен половине диаметра начальной окружности большой шестерни, а диаметр большой шестерни равен ходу поршня, причем эксцентриситет коленвала и кривошипа равны между собой и равны четверти хода поршня, кроме того, с целью уменьшения нагрузки на опорные подшипники опорная шейка выполнена удлиненной. Техническим результатом является упрощение конструкции двигателя с целью уменьшения габаритов и веса. 11 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере одну пару цилиндров, сообщенных между собой при помощи соединительного канала и снабженных поршнями, кинематически связанными с коленчатым валом и кривошипом с возможностью их синхронного движения без смещения одного против другого, то есть <α=0, и камеру сгорания со свечой, установленную над первым цилиндром, отличающийся тем, что два поршня со штоками соединены через крейцкопф, установленный на штоковой шейке коленвала, а на опорной шейке коленвала закреплена неподвижно малая шестерня с наружным зацеплением зубьев, которая входит в зацепление с большой шестерней, имеющей внутреннее зацепление зубьев, и установлена неподвижно, при этом диаметр начальной окружности малой шестерни равен половине диаметра начальной окружности большой шестерни, а диаметр большой шестерни равен ходу поршня, причем эксцентриситет коленвала и кривошипа равны между собой и равны четверти хода поршня, кроме того, с целью уменьшения нагрузки на опорные подшипники опорная шейка выполнена удлиненной.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что на опорной шейке коленвала может быть установлено и закреплено более одной малой шестерни и, соответственно, - большой шестерни, с целью равномерного распределения нагрузки на зубья шестерен от сил крутящего момента коленвала, например посередине и в конце коленвала.

3. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что с целью дополнительной разгрузки зубьев шестерен применены линейные направляющие, при этом крейцкопф выполнен с возможностью движения по этим направляющим, что устраняет его перекосы относительно вертикальной оси штоковой шейки коленвала и, как следствие, обеспечивает синхронность движения поршней без смещения между собой, то есть <α=0.

4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что коленчатый вал имеет дополнительно вторую опорную шейку с малой шестерней, которая размещена во втором кривошипе, это дает возможность уменьшить нагрузки на опорные подшипники в кривошипах, на зубья шестерен и снимать мощность двигателя с двух сторон, используя два кривошипа, а также для запуска двигателя от стартера.

5. Двигатель по п. 4, отличающийся тем, что кривошипы связаны между собой соединительным валом посредством шестерен с целью устранения перекосов в опорных подшипниках коленвала в кривошипах, при этом опорные шейки коленвала могут быть выполнены короткими.

6. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что одна из опорных шеек коленвала выполнена длинной с малой шестерней посередине коленвала, а вторая - короткая, при этом соединительный вал может быть выполнен коротким, чем обеспечивается его жесткость при кручении, а также повышается его прочность и снижается вес всей конструкции в целом.

7. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что крейцкопф снабжен ползунами, поджатыми к плоскости линейных направляющих посредством металлических пружин и/или полиуретановыми вставками.

8. Двигатель по п. 3, отличающийся тем, что дополнительно к линейным направляющим введены цилиндрические направляющие в виде втулок, в которых размещены штоки.

9. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что подпоршневая полость цилиндров и полость картера разделены диафрагмой, при этом конфигурация верхней части диафрагмы соответствует конфигурации внутренней поверхности поршня, а нижняя часть диафрагмы имеет углубления, куда входят стенки поршня при подходе его в нижнюю мертвую точку, при этом между поверхностью поршня выполнен зазор 2÷5 мм.

10. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что коленчатый вал имеет вторую штоковую шейку, расположенную на противоположном конце коленчатого вала и установленную на одной оси О₂ с первой шейкой без смещения шеек между собой, т.е. <α=0, относительно оси O₁, при этом на каждой штоковой шейке установлено по одному поршню со штоком, опорная шейка коленвала размещена в центральной опоре, которая выполняет роль кривошипа, с двух сторон, от средней части коленчатого вала, расположены две малые шестерни, входящие в зацепление с большими шестернями с внутренним зацеплением, при этом малые шестерни выполнены как одно целое с коленвалом, и нагрузки, передающиеся от поршней через штоки, распределяются симметрично и равномерно на штоковые и опорную шейку коленвала, а также на зубья шестерен.

11. Двигатель по п. 10, отличающийся тем, что большие и малые шестерни расположены посередине коленвала, при этом большие шестерни и центральная опора выполнены разборными.

12. Двигатель по п. 5 или 6, отличающийся тем, что соединительный вал, служащий в основном для синхронизации вращения двух кривошипов, используется в качестве выходного вала отбора мощности двигателя и запуска от стартера, при этом нагрузки от опорных шеек коленвала распределяются равномерно между двумя кривошипами и далее также равномерно на шестерни соединительного вала, вследствие этого между двумя кривошипами отсутствуют круговые колебания одного против другого, которые были вызваны значительно большей нагруженностью одного из кривошипов, с которого снималась мощность, по отношению к другому, при изменении крутящего момента по величине и во времени, второй кривошип или опережал, или отставал от первого на величину зазора между зубьями шестерен кривошипов и соединительного вала, чем и были вызваны перекосы опорных шеек коленвала в отверстиях кривошипов, где устанавливаются подшипники скольжения или подшипники качения, срок службы которых от перекосов значительно сокращался.