Модульный двигатель внутреннего сгорания пустынцева

 

Использование: машиностроение, в частности двигатели внутреннего сгорания. Сущность изобретения: модульный двигатель внутреннего сгорания содержит картер, состоящий из отдельных секций. Поршневая группа каждой секции выполнена в виде поршня 5, диаметр головки которого больше диаметра юбки. Шарики 22 свободно размещены в бабышках 21 поршней 5 и контактируют с криволинейными направляющими 23 вала 6 и направляющими пазами 19 цилиндра 4. Цилиндры 4 выполнены уступом. Каждый цилиндр установлен своим носком в секцию картера. Каждая секция снабжена устройством передачи крутящего момента. Цилиндрические валы секций установлены соосно с возможностью зацепления между собой. 1 з. п. ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к транспортным двигателям, и может быть использовано на морском транспорте, и в спортивных средствах передвижения, а также в спортивном моделизме.

Известна поршневая машина [1] недостатком которой является сложная конструкция механизма для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала.

Известна также поршневая машина [2] выбранная в качестве прототипа, содержащая корпус, цилиндр с двумя прямолинейными направляющими пазами, впускным и выпускными окнами, поршень с двумя поршневыми пальцами, установленный соосно с цилиндром выходной вал, на боковой поверхности которого выполнена криволинейная направляющая с возможностью взаимодействия с поршневыми пальцами, причем поршень размещен в цилиндре с образованием надпоршневой и подпоршневой полостей переменного объема.

Недостатком данной конструкции является ее неприемлемость в ДВС, так как диаметр цилиндра намного больше хода поршня. Увеличение угла ската криволинейной направляющей для увеличения хода поршня, с целью обеспечения достаточной степени сжатия и полного сгорания топлива приводит к резкому уменьшению крутящего момента на выходном валу и невозможности его работы.

Изобретение обеспечивает возможность изготовления многоцилиндровых, мощных, модульных ДВС с автономно работающими двигателями-цилиндрами двойного действия с наддувом, высоким КПД, экономичных, малошумных, более чистых в экологическом отношении.

Указанный результат достигается тем, что головка поршня по диаметру больше юбки поршня, что дает возможность использовать отработавшие газы в полости под поршнем, после перепуска их в полость отработавших газов под головку поршня для дальнейшей работы, при движении поршня к верхней мертвой точке (ВМТ).

Масловоздушная смесь поступает во внутреннюю часть поршня непосредственно через осевой канал и радиальные выходные отверстия в выходном валу, выполненные в виде реактивных сопл, направленных в сторону, противоположную вращению выходного вала, охлаждает внутреннюю поверхность поршня, криволинейную направляющую. Масло оседает на деталях двигателя, смазывая их. Чистый воздух подается через регулируемое по проходному сечению окно с невозвратным клапаном, выполненное в корпусе двигателя, попадает в цилиндрическую полость между корпусом и наружными стенками цилиндра, охлаждает нижнюю часть гильзы цилиндра, проходит серпообразные углубления, выполненные на торце диска, размещенного в средней части выходного вала. Скоростной поток, пройдя через углубления, независимо от направления движения создает дополнительный крутящий момент на выходном валу, после чего, проходит в полость между внутренними стенками гильзы цилиндра и выходным валом, охлаждает криволинейную направляющую и стенки гильзы цилиндра с внутренней стороны, а также торцевую стенку кольцевой полости отработавших газов. В двигателе продувка заключается в том, что масловоздушная смесь, поступающая во внутреннюю полость поршня, изолирована от воздуха, находящегося в полости между корпусом и наружной стенкой цилиндра, и между выходным валом и внутренней стенкой цилиндра. На время нахождения поршня в ВМТ открываются радиальные выходные отверстия в средней части выходного вала и происходит выравнивание давления в полостях между корпусом и наружной стенкой цилиндра и между выходным валом и внутренней стенкой цилиндра и во внутренней полости поршня с частичным смешиванием масловоздушной смеси с воздухом. Продувка цилиндра осуществляется сначала воздухом, а затем масловоздушной смесью и после перекрытия поршнем верхнего выхлопного окна и перепускных каналов производится впрыск топлива, сжатие и формирование рабочей смеси.

После воспламенения рабочей смеси и прохождением поршнем ВМТ в цилиндр впрыскивается небольшое количество предварительно подогретой отработавшими газами воды. Вода участвует в горении, ускоряет превращение вредной окиси углерода в двуокись, уменьшается содержание в отработавших газах оксидов азота, повышает коэффициент наполнения цилиндра, экономит топливо. При движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ) сначала открывается первый перепускной канал с невозвратным клапаном, по которому отработавшие газы под большим давлением и скоростью, при высокой температуре перетекают в полость отработавших газов под головку поршня, и при уравнивании давления в полости над поршнем с давлением в полости отработавших газов, клапан в перепускном канале закрывается и в полость отработавших газов через форсунки распыливания воды в первом перепускном канале впрыскивается вода, предварительно подогретая, что снижает концентрацию токсичных составляющих в отработавших газах.

После открытия верхнего выпускного окна открываются поочередно вторые перепускные каналы и воздух поступает в полость цилиндра над поршнем в направлении, перпендикулярном выпускному окну, и вверх, давление в полости над поршнем падает, цилиндр продувается воздухом, затем открываются перепускные каналы, по которым в цилиндр поступает масловоздушная смесь в сторону противоположную верхнему выпускному окну и вверх из внутренней полости поршня, вытесняя остатки отработавших газов через выходное окно наружу под гораздо меньшими давлением и скоростью, чем у ДВС одностороннего действия. Образовавшаяся парогазовая смесь, замкнутая в полости отработавших газов, расширяясь, оказывает давление на нижнюю часть головки поршня, заставляя поршень двигаться к ВМТ. При подходе поршня к ВМТ открывается нижней частью головки поршня нижнее выпускное окно, и отработавшая парогазовая смесь, под малым давлением и скоростью выходит наружу. В результате того, что в выходном валу выполнен осевой канал и выходные радиальные отверстия у торца выходного вала выполнены в виде реактивных сопл, при вращении выходного вала эти отверстия работают, как каналы центробежного компрессора, происходит наддув двигателя.

В двигателе отсутствует поршневой палец, вместо него в бобышке на юбке поршня размещен направляющий элемент в виде шарика, контактирующий с направляющим пазом цилиндра и с криволинейной направляющей выходного вала.

Таким образом, данный двигатель двойного действия с наддувом, с более высоким КПД экономичен, малошумен, прост по конструкции, более чист в экологическом отношении по сравнению с двигателями простого действия.

При использовании двигателя как двигателя-цилиндра получают возможность изготовления многоцилиндровых, модульных, мощных судовых ДВС с автономно работающими двигателями-цилиндрами повышенной надежности, при этом каждый двигатель-цилиндр установлен носком в картер, выполненный в виде герметизированных модульных секций, каждая из которых снабжена устройством для передачи крутящего момента от выходных валов двигателей-цилиндров на цилиндрические валы в модульных секциях картера, установленные с возможностью зацепления между собой.

Устройство передачи крутящего момента от ведущих шестерен на выходных валах двигателей-цилиндров, на валы модульных секций картера применено для уменьшения трения с целью повышения КПД редуктора. Оно состоит из ведущей шестерни, закрепленной на выходном валу двигателя-цилиндра, закрепленного на валу модульной секции диска с размещенными по периметру роликами, входящими своими концами в отверстия в диске с возможностью вращения. При вращении выходного вала двигателя-цилиндра крутящий момент через шестерню, контактирующую своими зубьями с роликами на диске, передается на вал модульной секции.

Возможно изготовление многоцилиндровых, повышенной надежности, двигателей с автономно работающими двигателями-цилиндрами, установленными перпендикулярно или параллельно основному рабочему валу.

При отказе любого двигателя-цилиндра он автоматом перегрузки выводится из зацепления с основным рабочим валом, а все остальные продолжают работать.

На фиг. 1 показан двигатель-цилиндр модульного ДВС, разрез; на фиг. 2 выходной вал, вид сбоку; на фиг. 3 выходной вал, разрез по выходным радиальным отверстиям; на фиг. 4 поршень, вид сбоку; на фиг. 5 разрез узла преобразующего возвратно поступательное движение поршня во вращательное движение выходного вала; на фиг. 6 цилиндр, вид сбоку; на фиг. 7 цилиндр, поперечный разрез в районе перепускных каналов; на фиг. 8 поперечный разрез поршня в районе бобышки; на фиг. 9 вид с торца на ведомый диск устройства передачи крутящего момента при перпендикулярном расположении двигателей-цилиндров к цилиндрическому валу модульной секции; на фиг. 10 то же, вид сбоку, разрез; на фиг. 11 ведомый диск устройства передачи крутящего момента при параллельном расположении двигателей цилиндров к цилиндрическому валу модульной секции; на фиг. 12 то же, вид сбоку; на фиг. 13 поперечный разрез двигателя по модульной секции; на фиг. 14 модульный ДВС, вид сбоку, при перпендикулярном расположении двигателей цилиндров к цилиндрическому рабочему валу; на фиг. 15 то же, при параллельном расположении; на фиг. 16 поперечный разрез по устройству передачи крутящего момента при параллельном расположении двигателей-цилиндров к цилиндрическому рабочему валу.

Модульный двигатель состоит из корпуса 1, носка 2, головки цилиндра 3, цилиндра 4, поршня 5, выходного вала 6. В корпусе 1 имеются впускное окно 7, регулируемое по диаметру, снабженное невозвратным впускным клапаном 8, выпускное окно 9. В носке 2, имеется впускной патрубок 10. Крышка цилиндра имеет камеру сгорания 11 с отверстием для свечи зажигания и форсунки. В цилиндре 4, выполненном уступом от середины к головке большего диаметра, размещенном в корпусе 1, имеется выпускное окно 12, сообщенное с выпускным окном 9, выпускное окно 13, сообщенное с выпускным окном 9, кольцевая полость для отработавших газов 14, сообщающаяся первым перепускным каналом 15 с надпоршневой полостью, снабженным невозвратным клапаном 16, вторые перепускные каналы 17 для перепуска сжатой масловоздушной смеси из внутренней части поршня 5 в надпоршневую полость, перепускные каналы 18 для перепуска сжатого воздуха из подпоршневой полости в надпоршневую полость. В нижней части цилиндра 4 меньшего диаметра выполнен прямолинейный направляющий паз 19. Поршень 5 выполнен уступом, головка поршня по диаметру больше, чем юбка, с перепускными окнами 20 и бобышкой 21, в отверстии которой свободно размещен шарик 22, контактирующий с направляющим пазом 19 цилиндра 4, и криволинейной направляющей 23, выполненной на боковой поверхности выходного вала 6, причем поршень 5 установлен в цилиндре 4 с образованием надпоршневой и подпоршневой полостей переменного объема. Выходной вал 6, установленный соосно с цилиндром 4, выполнен с осевым каналом 24, входным радиальным отверстием 25 с возможностью периодического сообщения с впускным патрубком 10, выполненным в носке 2, выходными радиальными отверстиями 26 в его средней части, и выходными радиальными отверстиями 27 у торца, выполненными в виде реактивных сопл, направленных в сторону, противоположную вращению выходного вала. Выходные отверстия 26 выполнены с возможностью сообщения с подпоршневой полостью, а выходные отверстия 27 выполнены с возможностью сообщения с внутренней полостью головки поршня 5. В средней части выходного вала 6 жестко укреплен диск 28 с серпообразными углублениями 29 на торце, размещенный в непосредственной близости от торца нижней части цилиндра 4. В перепускном канале 15 имеется отверстие 30 для размещения форсунок впрыска воды в полость отработавших газов 14.

Каждый двигатель-цилиндр устанавливается носком 2 в отверстие 31 модульных секций 32 картера, каждая из которых снабжена устройством 33, передачи крутящего момента от выходных валов 6 двигателей-цилиндров на цилиндрические валы 34 в модульных секциях 32 картера, установленных соосно с возможностью зацепления между собой.

Устройство 33 передачи крутящего момента от ведущих шестерен 35 на выходных валах 6 двигателей-цилиндров, на валы 34 модульных секций 32 картера состоит из ведущей шестерни 35, закрепленной на выходном валу 6 двигателя-цилиндра, из закрепленного на цилиндрическом валу 34 модульной секции 32 диска 36 с размещенными по его периметру роликами 37, контактирующими с зубьями ведущей шестерни 35, входящими своими концами в отверстия 38 диска 36 с возможностью вращения.

При перемещении поршня 5 в верхнее крайнее положение (ВМТ) внутри поршня 5, а также в пространстве между цилиндром 4 и выходным валом 6 и в пространстве между цилиндром 4 и корпусом 1 создается разрежение. Создаваемая разность давлений способствует наполнению масловоздушной смесью внутренней части поршня 5 через впускной патрубок 10, осевой канал 24, выходные радиальные отверстия 27 выходного вала 6. В результате того, что при вращении выходного вала 6 выходные радиальные отверстия 27, выполненные в виде реактивных сопл, работают как каналы центробежного компрессора, происходит наддув. В это же время в пространство между цилиндром 4 и корпусом 1 поступает воздух через впускное окно 7, регулируемое по проходному сечению и снабженное впускным клапаном 8. Перетекая в пространство между валом 6 и внутренней поверхностью цилиндpа 4, воздействует на серпообразные углубления 29, диска 28, создавая дополнительный крутящий момент на выходном валу 6.

При нахождении поршня 5 в ВМТ открываются юбкой поршня 5 выходные радиальные отверстия 26 в результате того, что внутри поршня 5 давление больше чем в пространстве между валом 6 и корпусом 1, происходит выравнивание давления в полостях, часть масловоздушной смеси попадает в пространство между выходным валом 6 внутренней стенкой цилиндра 4.

При движении поршня 5 к НМТ масловоздушная смесь внутри поршня 5 и отдельно воздух в полости между выходным валом 6 и внутренней поверхностью цилиндра 4, вытесняемая движущийся торцевой частью юбки поршня 5, проходя через серпообразные углубления 29 на торце диска 28, создавая дополнительный крутящий момент на выходном валу 6, перетекает в пространство между наружными стенками цилиндра 4 и внутренними стенками корпуса 1, где сжимается и при открытии перепускных каналов 18, а затем перепускных окон 20 в головке поршня 5, по перепускным каналам 17, сначала воздух из полости между наружной стенкой цилиндра 4 и внутренней стенкой корпуса 1, а потом масловоздушная смесь из внутренней полости поршня 5 проходят в надпоршневую полость, где смешиваются, а масло оседает на деталях.

При движении поршня 5 к ВМТ воздух испытывает дальнейшее сжатие, и при подходе поршня 5 к ВМТ в полость цилиндра над поршнем 5 впрыскивается через форсунку топливо. После воспламенения рабочей смеси при движении поршня к НМТ в цилиндр впрыскивается вода, участвует в горении. Сгоревшие газы, расширяясь, с силой давят на поршень 5, заставляя его двигаться к НМТ. Шарик 22 в бобышке 21 на юбке поршня 5, обкатываясь одной стороной по направляющему пазу 19, а другой по криволинейной направляющей 23, выполненной на боковой поверхности выходного вала 6, заставляет его вращаться.

Во время движения поршня 5 при подходе к НМТ отработавшие газы выходят сначала через перепускной канал 15 при открытом клапане 16 в полость отработавших газов 14 и при уравнивании давления в полости отработавших газов 14 с давлением в полости над поршнем 5 клапан 6 закрывается, затем открываются перепускные каналы 18 и в полость над поршнем 5 поступает воздух из полости между наружными стенками цилиндра 4 и внутренними стенками корпуса 1. В это же время открывается верхнее выпускное окно 12, затем открываются перепускные каналы 17, масловоздушная смесь под давлением движущегося к НМТ поршня 5 через перепускные окна 20, поршня 5 и каналы 17 устремляется в пространство над поршнем, вытесняя оставшиеся отработавшие газы через верхнее выпускное окно 12 наружу, продолжается продувка цилиндра. В это время в полость отработавших газов 14 через форсунку, укрепленную в отверстии 30, впрыскивается вода, смешиваясь с отработавшими газами, превращается в пар. Далее при движении поршня 5 к ВМТ ему помогает двигаться расширяющаяся в объеме парогазовая смесь в полости 14 своим давлением на нижнюю часть головки поршня 5. Верхнее выпускное окно 12 закрывается поршнем 5. Шарик 22 в бобышке 21 на юбке поршня 5, обкатываясь по направляющему пазу 19, и по криволинейной направляющей поверхности выходного вала 6 заставляет его вращаться. При подходе поршня к ВМТ открывается выпускное окно 13 и отработавшая парогазовая смесь, снизив температуру стенок полости 14 и юбки поршня 5, уменьшив содержание токсичных составляющих, с малой скоростью и давлением выходит через выпускное окно 13 в цилиндре 4 и выпускное окно 9 в корпусе 1 в атмосферу.

При использовании двигателя-цилиндра в многоцилиндровых модульных ДВС при вращении выходного вала 6 крутящий момент через ведущую шестерню 35, контактирующую зубьями с роликами 37 на диске 36, передается на цилиндрический вал 34 герметизированной модульной секции 32.

Предлагаемый модульный двигатель внутреннего сгорания технологичен при изготовлении, надежен в работе, особенно хорош для морских большегрузных судов как многоцилиндровый, с высоким КПД экологически чистый главный двигатель.

При постановке судна на ремонт, двигатели-цилиндры вынимаются из картера, ставятся новые или заранее отремонтированные и судно уходит в рейс, а снятые двигатели-цилиндры ремонтируются на заводе.

Результат снижение сроков простоев на ремонте, повышение рентабельности флота.

Формула изобретения

1. Модульный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, по меньшей мере один цилиндр с прямолинейным направляющим пазом и выпускными окнами, поршень с перепускными окнами и бобышкой, в которой размещен направляющий элемент с возможностью взаимодействия с направляющим пазом, выходной вал, на боковой поверхности которого выполнена криволинейная направляющая с возможностью взаимодействия с направляющим эдементом, причем поршень установлен в цилиндре с образованием надпоршневой и подпоршневой полостей переменного объема, а выходной вал установлен соосно с цилиндром, отличающийся тем, что выходной вал выполнен с осевым каналом, сообщенным через входные и выходные радиальные отверстия соответственно с впускным патрубком и подпоршневой полостью, выходные радиальные отверстия выполнены в виде реактивных сопл, в средней части выходного вала размещен диск с серпообразными углублениями, цилиндр выполнен с уступом и полостью отработавших газов, сообщенной через первый перепускной канал и невозвратный клапан с надпоршневой полостью, цилиндр снабжен вторыми перепускными каналами, сообщающими подпоршневую и надпоршневую полости через перепускные окна поршня, в первом перепускном канале выполнены отверстия для форсунок распыливания воды, диаметр головки поршня выполнен больше диаметра юбки поршня, а направляющий элемент в виде шарика, причем каждый цилиндр установлен в картере, выполненном в виде герметичных модульных секций, каждая из которых снабжена цилиндрическим валом и устройством передачи крутящего момента от выходных валом цилиндров на цилиндрический вал модульной секции, цилиндрические валы модульных секций размещены соосно и кинематически связаны между собой.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что устройство передачи крутящего момента от выходных валов цилиндров на цилиндрические валы модульных секций выполнено в виде ведущих шестерен, закрепленных на выходных валах, и диска с размещенными по его периметру роликами, закрепленного на цилиндрическом валу, причем ролики установлены своими концами в отверстиях диска с возможностью вращения и взаимодействия с зубьями ведущих шестерен.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16