Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания Советский патент 1992 года по МПК F02B71/00 

Недостатком существующих тепловозных и судовых двухтактных дизелей на базе Д-100(2 Д 100) типа 10 Д 100 М, 11 Д 100, 13 Д 100, 14 Д 100 и 15 Д 100, выпускаемых промышленностью в настоящее время, является наличие в них коленчатых валов, на которых с участием шатунов усилие, создаваемое газами, разлагается на активную и пассивную составляющие, теряя при этом мощность.

Известен также двухтактный дизельный двигатель с встречно движущимися свободными поршнями и буферными камерами, который имеет два параллельно расположенные цилиндры, сообщенные с продувочными и выпускными окнами, а также с топливными форсунками. Внутри цилиндров встречно установлены поршни, связанные через штоки с зубчатыми штангами, которые входят в зацепление с ведущими полумуфтами роликовых обгонных муфт, ведомые полумуфты которых жестко закреплены на боковых валах. Последние через центробежные буферы, зубчатую и зубчатоременные передачи связаны с выход JM валом. В наружных частях цилиндров двигателя имеются воздушные буферные камеры. Двигатель снабжен турбокомпрессором.

Недостатками известного двигателя являются наличие в нем.воздушных буферных камер, усложняющих его конструкцию, и применение в нем реечно-шестеренчятого зацепления, подвергающегося максимальным нагрузкам давления горения, а также наличие в элементах привода боковых валов роликовых муфт свободного хода с малой площадью элементов заклинивания, а также наличие в них наружной системы охлаждения с отводом тепла в окружающую среду.

Целью изобретения является снижение максимальных нагрузок в механизме путем установки маховиков на каждом промежуточном валу, связанных с поршнями.

Поставленная цель достигается тем, что свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания содержит два параллельно расположенные цилиндры, сообщенные с продувочными и выпускными окнами, а также С топливными и водяными форсунками с электроуправлениями (электроприводами) и датчиками давления газа. Внутри цилиндров встречно установлены поршни, связанные через шатуны и мотылевые пальцы с маховиками (или с коромыслами), состоящими из двух дисков, мотылевых пальцев и промежуточных валов, соединенных между собой при помощи синхронизирующих, конических зубчатых колес и вертикального

вала. На маховиках установлены подвижные части датчиков остановки их и скорости их движения, неподвижные части которых установлены на корпусе двигателя. Эти датчики являются линейными генераторами пе- ременного тока (могут также устанавливаться и датчики других типов). Каждый цилиндр предложенного двигателя снабжен электронной схемой управления

0 вприска топлива и вприска охлаждающей воды, содержащей блок управления, задающее устройство вприска, датчики давления газа, датчики остановки и скорости движения маховиков, а; также топливную и водя5 ную форсунки с электроуправлениями (электроприводами).

Привод выходного вала двигателя выполняется двух типов: с примейением клиновых муфт свободного хода, а также с

0 применением конических клиновых муфт свободного хода.

Привод выходного вала с применением клиновых муфт свободного хода выполнен таким образом, что вертикальный вал через

5 две пары конических шестерен, две клиновые муфты свободного хода связан с цилиндрической шестерней и выходным валом.

Привод выходного вала с применением конических клиновых муфт свободного хода

0 выполнен таким образом, что синхронизирующие конические шестерни, входящие в зацепление с коническими шестернями вертикального вала, выполнены, заодно с маховиками. С нижней синхронизирующей

5 конической шестерней, выполненной заодно с нижним маховиком, входят в зацепление ведущие полумуфты конических клиновых муфт свободного хода, ведомые полумуфты которых жестко связаны с вы0 ходным валом (при необходимости вывода второго выходного вала нужно его вывести с верхней синхронизирующей шестерни аналогично, как он выведен уже с нижней синхронизирующей шестерни).

5 На фиг. 1 изображена схема свободно- поршневого двигателя внутреннего сгорания с приводом выходного вала с применением клиновых муфт свободного хода; на фиг. 2 - то же, с применением

0 конических клиновых муфт свободного хода; на фиг. 3 - схема клиновой муфты свободного хода; на фиг. 4 - схема конической клиновой муфты свободного хода.

Свободнопоршневой двигатель внут5 реннего сгорания содержит два параллельно расположенные цилиндры 1, 2, сообщенные с продувочными 3, 4 и выпускными 5, 6, окнами, а также с топливными 7, 8 и водяными 9, 10 форсунками и датчиками 11, 12 давления газа. Внутри цилиндров 1, 2

.встречно установлены поршни.13 - 16, связанные через шатуны 17 - 20 и мотылевые пальцы 21 - 24 с маховиками 25, 26, состоящими из двух дисков, мотылевых пальцев и промежуточных валов 27, 28, соединенных между собой при помощи синхронизирующих конических зубчатых колес 29 - 32, и вертикального вала 33. С маховиками 25, 26 связаны датчики 34, 35 остановки маховиков и датчики 36, 37 скорости движения маховиков.

Каждый цилиндр предложенного двигателя снабжен электронной схемой управле- ния впрыска топлива и впрыска охлаждающей воды, содержащей блоки 38, 39 управления, задающие устройства 40,41 впрыска, датчики 11, 12 давления газа, датчики 34, 35 остановки маховика, датчики 36, 37 скорости движения маховика, а также топливные 7, 8 и водяные 9, 10 форсунки.

Привод выходного вала двигателя выполняется двух типов: с применением клиновых муфт свободного хода и с применением конических клиновых муфт свободного хода.

Привод выходного вала с применением клиновых муфт свободного хода (фиг. 1) выполнен таким образом, что вертикальный вал 33 через две пары конических шестерен 42, 43 и 44, 45, две клиновые муфты 46, 47 свободного хода связан с цилиндрической шестерней 48 и выходным валом 49.

Привод выходного вала с применением конических клиновых муфт свободного хода выполнен таким образом, что синхронизм- рующие конические шестерни 29, 31, входящие в зацепление с коническими шестернями 30, 32 вертикального вала 33, выполнены заодно с маховиками 25, 26. С нижней синхронизирующей конической ше- стерней 31, выполненной заодно с нижним маховиком 26, входят в зацепление ведущие полумуфты конических клиновых муфт свободного хода, ведомые полумуфты которых жестко связаны с выходным валом. Кли- новая муфта свободного хода (фиг. 3) состоит из ведущей полумуфты, ведомой полумуфты и клиньев 50 - 55 с пружинами 56. На ведомой полумуфте 54 нет цилиндрического зубчатого венца 57.

Клиновая муфта свободного хода работает следующим образом..

При вращении ведущей полумуфты против часовой стрелки клинья 50 - 55 под действием этого вращения, давления пру- жин 56 и сил трения заклинивают ведущую с ведомой полумуфтой и далее вся клиновая муфта свободного хода вращается как одно целое, приводя во вращение своим зубчатым венцом 57 далее расположенные шестерни. При вращении ведущей полумуфты по часовой стрелке клинья 50 - 55 свободно проскальзывают по ведомой полумуфте и заклинивания не происходит. Ведомая полумуфта в это время не вращается и далее вращение не передается.

Коническая клиновая муфта свободного хода (фиг. 4) состоит из ведущей полумуфты 58, ведомой полумуфты 59 и профилированных клиньев с пружинами. На ведущей полумуфте 58 имеется конический зубчатый венец.

Коническая клиновая муфта свободного хода работает следующим образом.

При вращении ведущей полумуфты 58 против часовой стрелки клинья под действием этого вращения, давления пружин 61 и сил трения заклинивают ведущую 58 с ведомой полумуфтой 5.9, далее вся коническая клиновая муфта свободного хода вращается как одно целое, приводя во вращение связанные с ее ведомой полумуфтой 59 элементы.

При вращении ведущей полумуфты 58 по часовой стрелке клинья свободно проскальзывают по ведомой полумуфте 59 и заклинивания не происходит. Ведомая полумуфта в это время не вращается и далее вращение не передается.

Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом,:

В цилиндре 1 происходят рабочий ход, выпуск отработанной газопаровой смеси и продувка его сжатым воздухом (от газотур- бонаддува) через продувочное окно 3 и выпускное окно 5. Далее поршни 13, 14 движутся от крайних наружных положений к крайним внутренним положениям. При этом поршнем 13 перекрывается, продувочное окно 3, а поршнем 14 перекрывается выпускное окно бив этом цилиндре 1 производится сжатие воздуха до момента подхода поршней 13,- 14 к крайнему внутреннему положению. Затем топливной форсункой 7 производится вприск топлива в цилиндр 1 и в нем начинается процесс горения-расширения. Поршни 13, 14 начинают двигаться от крайнего внутреннего положения к крайнему наружному положению. Управляющий сигнал на топливную форсунку 7 подается электронным блоком 39 управления с необходимым опережением в зависимости от поступающих на него сигналов с датчика 35 остановки маховика, датчика 37 скорости движения маховика и задающего устройства 41 впри- скэ.

В цилиндре 2 происходят сжатие воздуха, вприск топлива топливной форсункой 8

и в нем начинается процесс горения-расширения. Управляющий сигнал йа топливную форсунку 8 подается электронным блоком 38 управления с необходимым опережением в зависимости от поступающих на него сигналов с датчика 34 остановки маховика, датчика 36 скорости движения маховика и задающего устройства 40 вприска, При этом поршни 15. 16 движутся от крайнего внутреннего положения к крайнему наружному положению. При достижении в цилиндре 2 давления горения максимального значения и начала его спада датчик 12 давления газа дает об этом электрический сигнал на электронный блок 38 управления. Сюда же подаются сигналы с датчика 36 скорости движения маховика и задающего устройства 40 вприска. С учетом всех этих сигналов электронный.блок 38 управления выдает управляющей на водяную форсунку 10 сигнал в момент пос.че достижения температуры горения максимального значения, производится обильный Бприск охлаждающей воды в цилиндр 2 (в существующих ДВС с кривошипно-шатунным механизмом мо- ме максимального значения температуры горения наступает за 3-Б° попорота кривошипа после наступления момента максимального значения давления горения). При этом вода, интенсивно испаряясь, охлаждает цилиндр 2 и увеличивает за счет образовавшегося пара давление расширения и мощность дизеля. Поршни 15. 16, двигаясь к крайнему наружному положению, открывают выпускное окно 6, продувочное окно 4 ив цилиндре 2 производятся выпуск отработанной газопаровой смеси, продувка его сжатым воздухом через продувочное окно 4 и выпускное окно 6. Далее поршни 15. 16, двигаясь от крайнего наружного положения к крайнему внутреннему положению, перекрывают продувочное окно 4 и выпускное окно 6. После чего в цилиндре 2 начинается процесс сжатия воздуха.

При достижении в цилиндре 1 давления горения максимального значения и начале его спада датчик 11 давления газа дает об этом электрический сигнал в электронный блок 39 управления. Сюда же. подаются сигналы с датчика 37 скорости движения маховика и задающего устройства 41 вприска. С учетом всех этих сигналов электронный блок 39 управления выдает управляющий сигнал на водяную форсунку 9 в момент после достижения температуры горения максимального значения, ней производится обильный вприск охлаждающей воды в цилиндр 1. При этом вода, интенсивно испаряясь, охлаждает цилиндр 1 и увеличивает за счет образовавшегося пара давление расширения, увеличивая этим самым мощность дизеля. Далее поршни- 13, 14, двигаясь к крайнему наружному положению, открывают выпускное окно 5 и продувочное окно 3,

в цилиндре 1 производятся выпуск отработанной газопаровой смеси через выпускное окно 5, а также продувка его сжатым воздухом через продувочное окно 3 и выпускное окно 5. Далее процесс в этом цилиндре 1

0 повторяется снова.

В цилиндре 2 поршни 15, 16 движутся при сжатии воздуха от крайнего наружного положения к крайнему внутреннему положению. При подходе поршней 15, 16 к край5 нему внутреннему положению топливной форсункой 8 вприскивается топливо в цилиндр 2. Далее процесс в этом цилиндре 2 повторяется снова.

При совершении рабочих ходов в ци0. линдрзх 1, 2 маховики 25, 26 совершают колебательные движения, которые передаются через валы 27, 28, две пары конических шестерен 29, 30 и 31, 32 на вертикальный взл 33, с которого движения передаются

5 через две пары конических шестерен 42, 43 и 44, 45 на клиновые муфты 46, 47 свободного хода, которые эти колебательные движе- ния поочередно выпрямляют и однонаправленное движение передают на

0 выходную цилиндрическую шестерню 48 и выходной -вал 49, а далее через конические зубчатые зацепления с шестерни 31, выполненной заодно с маховиком 26, на конические клиновые муфты 50, 51 свободного

5 хода, которые эти колебательные движения поочередно выпрямляют и далее однонаправленное движение передают на выходной вал 52..

- С помощью конических шестерен.30,32,

0 входящих в зацепление с коническими шестернями 29, 31, связанных с маховиками 25, 26 и вертикального вала 33 производится синхронизация движения поршней 13-16. . Радиусы маховиков (или коромысел) до цен5 тра мотылевых пальцев RM выполняются такой величины, что при нахождении поршней под максимальным давлением горения (при номинальной степени сжатия) шатуны его находятся в вертикальном положении, а

0 плечо, создаваемое крутящий момент, рав. но в это время не менее, чем 0,9 RM.

Количество вприскиваемой воды для ох. лаждения цилиндров должно быть таким,

чтобы температура выхлопа газопаровой

5 смеси была порядка 110-120°С, чтобы пар в цилиндрах не конденсировался. Количество вприскиваемой воды устанавливается за- датчиком вприска, а корректируется с помощью сигнала датчика скорости движения маховика.

Применение свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания предложенной конструкции позволит снизить максимальные нагрузки в механизме путем установки маховиков на каждом промежуточном валу, связанном с поршнями. Кроме того, будут снижены максимальные нагрузки в элементах привода выходного вала за счет применения клиновых и конических клиновых муфт свободного хода. Применение в предложенном двигателе электронной системы управления, обеспечивающей качественное опережение вприска топлива, позволит в нем получить большие мощности. Водяные форсунки, применяемые для внутреннего охлаждения цилиндров, позволят в нем также увеличить мощность, избавиться от наружной системы охлаждения, а также уменьшить токсичность выхлопа. Формула изобретения 1. Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, по меньшей мере два параллельно расположенных цилиндра с размещенными в них встречно движущимися поршнями, образующими между собой камеры сгорания, механизм преобразования движения поршней во вращение выходного вала, выполненныйi в виде двух параллельно расположенных промежуточных валов, соединенных между собой при по.мощи синхронизирующей зубчатой передачи, каждый из которых связан с одним из поршней каждого цилиндра, а также муфт свободного хода с заклинивающими элементами и ведомой и ведущей полумуфтами, установленных м§жду поршнями и выходным валом, и систему впрыска топлива, выполненную в виде топливных форсунок, установленных в каждой камере сгорания и связанных с блоком управления с возможностью поочередной

подачи на форсунки управляющего сигнала, отличающийся тем, что, с целью снижения максимальных нагрузок в механизме, на каждом промежуточном валу ус5 тановлен маховик, связанный с поршнями, а синхронизирующая передача выполнена в виде вала, расположенного перпендикулярно промежуточным валам и зацепленного с ними при помощи конических зубчатых ко0 лес.

2.Двигатель по п. 1, от л и ч а ю щ и и с я тем, что заклинивающие элементы выполнены в виде клиньев.

3.Двигатель по rm, 1 и 2, отличаю- 5 щийся тем, что в камерах сгорания дополнительно установлены водяные форсунки и датчики давления газа, в корпусе установлены датчики остановки маховика и скорости его движения, а каждый цилиндр снабжен

0 блоком управления, входы которого связаны с. задающим устройством впрыска и датчиками давления газа,остановки и скорости движения маховика, а выходы - с топливной и водяной форсунками.

54. Двигатель по пп. 1-3, от л и ч а ю щ и йс я тем, что на выходном валу установлена цилиндрическая шестерня, зацепленная с шестернями ведомых полумуфт муфт свободного хода, а ведущие полумуфты зацеп0 лены с синхронизирующим валом при помощи конических передач.

5. Двигатель по пп. 1-3, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что ведомые полумуфты муфт свободного хода жестко установлены на выход5 ном валу, а конические шестерни промежуточных валов выполнены заодно с маховиками, одна из которых зацеплена с обеими ведущими полумуфтами. Приоритет по пунктам:

003,05.90 пп. 1-4;

28.05.90 по п. 5.

Изобретение относится к двигателест- роению. Использование: преобразование движения поршней, свободно установленных в цилиндрах, во вращение выходного бала. Сущность изобретения : двигатель содержит два параллельно расположенные цилиндра 1,2с размещенными в них встречно движущимися поршнями 13- 16, образующими между собой камеры сгорания. Механизм преобразования движения поршней 13 - 16 во вращение выходного вала 49. исполненный в виде двух параллельно расположенных промежуточных валов 27, 28, соединенных между собой при помощи синхронизирующей зубчатой передачи 29 - 32, каждый из которых связан с одним из поршней 13-16 каждого цилиндра 1,2, а также Изобретение относится к даигателест- роению, в частности к свободмопоршневым дизелям. . Известен двухтактный дизель Д-100 (2 Д с неразделенной камерой и прямоточной щелевой продувкой с встречно движущимися поршнями, который имеет два коленвала -верхний и нижний. Коленвалы связаны между собой - промежуточным муфт 46, 47 свободного хода с заклинивающими элементами и ведомой и ведущей полумуфтами, установленных между поршнями 13 - 16 и выходным валом 49. Предусмотрена система впрыска топлива и впрыска охлаждающей воды в цилиндры 1,2. Для этого в камерах сгорания установлены топливные 7, 8 и водяные 9, 10 форсунки, дат- .чики 11, 12 давления газа, а в корпусе-датчики остановки маховика 34, 35 и скорости его движения 36,37 . Кроме этого, каждый цилиндр 1, 2 снабжен электронным блоком 38, 39 управления, входы которого связаны с задающим устройством