Двигатель внутреннего сгорания

 

Использование: двигателестроение, в частности двигатели внутреннего сгорания с лопастными поршнями и кривошипно-шатунными механизмами. Сущность изобретения: двигатель содержит корпус с цилиндрической полостью. Лопастные поршни на двух ступицах соосно размещены в полости. Двигатель также содержит механизм, соединяющий ступицы с выходным валом и состоящий из коаксиально расположенных валов, рычагов, шатунов, кривошипов с шестернями и центральной шестерни. Рычаги выполнены двуплечими. Шатуны и кривошипы расположены симметрично попарно противоположно и в одной плоскости. Кривошипы попарно связаны шестернями. Оси шестерен установлены в подшипниках в корпусе двигателя. Центральная шестерня закреплена на выходном валу. 2 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, а более конкретно к двигателям внутреннего сгорания с лопастными поршнями и кривошипно-шатунными механизмами. Предложенный двигатель может использоваться на разных транспортных и подвижных средствах, а также в стационарных установках.

Известные двигатели аналоги содержат обычно четыре, шесть или восемь лопастных поршней и два или четыре кривошипно-шатунных механизма. Лопастные поршни установлены на двух ступицах и имеют качательное или качательно-вращательное движение. Наиболее близким к предложенному двигателю является двигатель-прототип по патенту Чехословакии N 13736, 46a⁵, 9, 1924г. содержащий корпус с цилиндрической полостью, восемь лопастных поршней на двух ступицах, размещенных соосно в полости, и механизм, соединяющий ступицы с выходным валом, состоящий из двух коаксиально расположенных валов, двух одноплечих рычагов, двух шатунов, двух кривошипов с двумя шестернями, сцепленными с центральной шестерней. Оси шестерен установлены в водиле, связанном с выходным валом, а центральная шестерня закреплена на корпусе двигателя. При этом лопастные поршни имеют в корпусе качательно-вращательное движение.

Недостатком прототипа является прохождение его тактов: всасывания, сжатия, рабочего хода и выпуска в определенных рабочих камерах, в связи с чем корпус имеет неравную тепловую деформацию, и поэтому неравный износ рабочей поверхности.

Недостатком прототипа является также его динамическая неуравновешенность в связи с несимметричным расположением и несинхронным движением рычагов и кривошипно-шутунных механизмов.

Недостатком прототипа является также односторонняя реакция на коаксиальных валах от усилий, передающихся на рычаги, так как они выполнены одноплечими.

Недостатком прототипа является также вращение лопастных поршней в корпусе, что увеличивает их путь и среднюю скорость, и поэтому износ уплотнителей и стенок корпуса.

Недостатком прототипа является также то, что, несмотря на наличие у него шестерен, нельзя изменять их передаточное число и получать новую номинальную частоту вращения выходного вала, так как передаточное число шестерен у прототипа должно быть постоянным при имеющемся у него газораспределении путем перекрытия впускных и выпускных окон вращающимися поршнями.

Наличие у прототипа такого газораспределения, в отличие от обычного клепенного не позволяет изменить фазы газораспределения для экономии топлива. Это также является недостатком прототипа.

Указанные недостатки отсутствуют у предложенного двигателя. Двигатель, как и прототип, содержит корпус с цилиндрической полостью, лопастные поршни на двух ступицах, соосно размещенные в полости, и механизм соединяющий ступицы с выходным валом, состоящий из коаксиально расположенных валов, рычагов, шатунов, кривошипов с шестернями и центральной шестерни, сцепленной с двумя шестернями. Двигатель отличается от прототипа тем, что рычаги выполнены двуплечими, шатуны и кривошипы расположены симметрично попарно-противоположно и в одной плоскости, кривошипы попарно связаны шестернями, оси шестерен установлены в подшипниках в корпусе двигателя, а центральная шестерня закреплена на выходном валу. При этом лопастные поршни имеют в корпусе качательное движение.

Заявленное техническое решение явным образом не следует из уровня техники, не обнаружено среди подобных по сущности технических решений и по сравнению с прототипом и аналогами обладает новой совокупностью существенных известных и отличительных признаков. Поэтому оно обладает изобретательским уровнем, является "новым" и имеет "существенные отличия" от известных в науке и технике решений.

На фиг.1 показан разрез предложенного двигателя по корпусу, а на фиг.2 - механизм, соединяющий ступицы поршней с выходным валом.

В цилиндрической полости 1 корпуса 2 находятся восемь лопастных поршней 3 на двух ступицах 4, установленных в корпусе на подшипниках. В корпусе может быть установлено меньше поршней; шесть или четыре для получения меньшей мощности двигателя.

Поршни и ступицы уплотняются в корпусе пластинами и кольцами с пружинами-расширителями (экспандерами). В камерах сгорания установлены форсунки или свечи зажигания 5, соответственно для работы на дизтопливе или бензине, и впускные и выпускные клапаны 6. Корпус может иметь рубашку жидкостного охлаждения или ребра воздушного охлаждения, а поршни и ступицы - каналы масляного или воздушного охлаждения. Смазка уплотнителей поршней и ступиц, а также подшипников принудительная по каналам от насоса-дозатора (лубрикатора). Ступицы поршней соединены двумя коаксиально расположенными валами 7 через шлицы с двумя двуплечими рычагами 8. Рычаги посредством четырех шатунов 9 связаны с четырьмя кривошипами 10. Кривошипы выполнены за одно целое с шестернями и противовесами и попарно связаны сцепленными между собой шестернями 11.

Две шестерни 12 сцеплены с центральной шестерней 13. Оси 14 шестерен установлены на подшипниках в корпусе двигателя, а центральная шестерня закреплена на выходном валу 15, который также установлен на подшипниках в корпусе двигателя.

Двигатель выполняется преимущественно с 4-тактным рабочим циклом, более экономичным, чем 2-тактный цикл, и не требующим компрессора для продувки и наполнения воздухом рабочих камер. После запуска двигателя стартером его лопастные поршни качаются взаимно-противоположно и в рабочих камерах между поршнями проходят такты всасывания, сжатия, рабочего хода и выпуска. При восьми поршнях в диаметрально противоположных рабочих камерах проходят одноименные такты двух рабочих циклов.

Предложенный двигатель обладает следующими техническими преимуществами по сравнению с прототипом: в отличие от прототипа такты рабочего хода и другие такты перемещаются в камерах двигателя по окружности и поэтому его корпус будет иметь равную тепловую деформацию, и следовательно, равный износ рабочей поверхности; двигатель, в отличие от прототипа, полностью динамически уравновешен и лишен от этого вибрации и связанных с ней нагрузок и износов, так как поршни, рычаги, шатуны, кривошипы с шестернями имеют синхронное взаимно-противоположное движение, показанное на фиг.1 и 2 стрелками; у двигателя, в отличие от прототипа, коаксиальные валы полностью разгружены от боковых реакций, так как реакции от усилий, передающихся через двуплечие рычаги, взаимно-противоположны; у двигателя, в отличие от прототипа, в связи только с качательным движением поршней будут меньше путь и средняя скорость поршней в корпусе. Поэтому износ уплотнителей поршней и внутренней поверхности корпуса будет меньше или же можно будет увеличить частоту циклов и этим повысить мощность двигателя; у двигателя, в отличие от прототипа, имеется возможность изменять номинальную частоту вращения выходного вала, установив центральную шестерню и сцепленные с ней две шестерни другого диаметра для получения их нового передаточного числа. Получение другой номинальной частоты обеспечивает возможность использования двигателя той же мощности на разных машинах, т.е. расширяет область его применения; наличие у двигателя клапанного газораспределения, в отличие от прототипа, позволяет управлять фазами газораспределения, повышая этим топливную экономичность.

Предложенный двигатель по сравнению с обычными поршневыми двигателями внутреннего сгорания обладает следующими техническими преимуществами.

Двигатель по сравнению с однорядными, V-образными и другими поршневыми двигателями обладает более простой конструкцией из-за простой цилиндрической формы корпуса, отсутствия коленчатого вала и меньшего количества деталей: поршней, шатунов, подшипников, клапанов, форсунок. Лопастные поршни двигателя, в отличие от поршней обычных двигателей, являются поршнями двухстороннего действия, что вдвое уменьшает число поршней для получения той же мощности. Все поршни сидят на двух ступицах, что позволяет уменьшить число шатунов и подшипников, особенно по сравнению с обычными многопоршневыми двигателями. Имеющиеся у двигателя шестерни могут заменять маховик, а центральная шестерня использоваться для установки сцепления. Работа двух поршней в каждой камере уменьшает число последних, а поэтому уменьшается число клапанов и форсунок и упрощаются их приводы.

Двигатель обладает примерно на порядок меньшими объемно-массовыми показателями на единицу мощности по сравнению с обычными поршневыми двигателями как из-за меньшего количества деталей, так и за счет компактного расположения рабочих камер по окружности. В двигателе целесообразно применять прямоугольные поршни, которые по сравнению с круглыми легче в изготовлении и обладают большей площадью.

Меньшие объемно-массовые показатели двигателя позволяют в несколько раз быстрее производить его прогрев для запуска в зимнее время года и уменьшать затраты времени и расход топлива при этом.

Двигатель при восьми поршнях может обладать на порядок и более большей максимальной мощностью, чем обычный восьмипоршневой двигатель. Это достигается, во-первых, за счет встречного (оппозитного) движения двух лопастных поршней в каждой рабочей камере, что позволяет вдвое увеличить длину камер без увеличения хода и средней скорости поршней, а следовательно, вдвое увеличить ширину и высоту камер, т.е. в восемь раз увеличить их рабочий объем; во-вторых, это может достигаться за счет возможности использования высокой степени наддува двигателя, так как подшипники ступиц при восьми камерах разгружены от давления газов на ступицы, а сами поршни, в связи с установкой их ступиц на подшипники, не имеют силового контакта с рабочей поверхностью корпуса двигателя (контактируют с ней только уплотнители поршней и ступиц).

Двигатель, по сравнению особенно с многопоршневыми двигателями, имеет меньше площади трения и теплоотдачи, имеет большую герметичность, меньшие нагрузки, а следовательно, большие КПД, топливную экономичность и срок службы.

Меньшие площади трения определяются отсутствием контактов поршней с корпусом, меньшим количеством поршней и поэтому меньшей длиной их уплотнителей и меньшим количеством подшипников скольжения.

Меньшие площади теплоотдачи определяются меньшей площадью стенок рабочих камер при оппозитной работе в них поршней, меньшим количеством рабочих камер и поршней, меньшим габаритным объемом двигателя.

Большая герметичность двигателя определяется меньшим количеством поршней, а следовательно, меньшей длиной их уплотнителей, меньшим и более равномерным износом рабочей поверхности камер в связи с отсутствием контакта с ними поршней и контактом только их уплотнителей, тогда как у обычных двигателей из-за бокового прижатия поршней к стенкам цилиндров имеется их овальный износ, что снижает компрессию и мощность двигателя, увеличивает расход топлива и угар масла, а тем самым значительно сокращает экономичность и срок службы двигателя.

Уплотнители в виде пластин при наличии пружин-расширителей (экспандеров) обладают такой же герметичностью, что и обычные поршневые кольца. Кроме того, для повышения герметичности имеется возможность создания уплотнителей с герметичными беззазорными стыками.

Меньшие нагрузки в двигателе определяются его полной уравновешенностью и отсутствием от этого вибраций, а также меньшими усилиями в подшипниках кривошипно-шатунных механизмов.

Меньшие усилия в подшипниках вызываются отсутствием в них усилий от такта рабочего хода на совершение вспомогательных тактов: всасывания, сжатия и выпуска и условий на преодоление инерции поршней, совершающих эти такты. Эти усилия передаются непосредственно через лопастные поршни и их ступицы, минуя подшипники. В подшипниках шатунов и кривошипов имеются только полезные усилия, создающие крутящий момент двигателя.

Усилия в подшипниках могут быть меньше при уменьшении количества поршней в двигателе с восьми до шести или до четырех. В подшипниках могут быть уменьшены удельные усилия за счет увеличения длины подшипников без заметного увеличения длины двигателя, так как кривошипно-шатунные механизмы находятся в одной плоскости.

Подшипники выходного вала двигателя, в отличие от коренных подшипников колен вала обычных двигателей, разгружены от боковых усилий в связи со сцеплением центральной шестерни с двумя диаметрально расположенными шестернями.

Вышеуказанные технические преимущества предложенного двигателя по сравнению с прототипом и обычными поршневыми двигателями делают его экономически эффективными и конкурентноспособным в производстве и эксплуатации.

Формула изобретения

Двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с цилиндрической полостью, лопастные поршни, соосно размещенные в полости на двух ступицах, и механизм, соединяющий ступицы с выходным валом, состоящий из коаксиально расположенных валов, рычагов, шатунов, кривошипов с шестернями и центральной шестерни, сцепленной с двумя шестернями, отличающийся тем, что рычаги выполнены двуплечими, шатуны и кривошипы расположены симметрично попарно противоположно и в одной плоскости, кривошипы попарно связаны шестернями, оси шестерен установлены в подшипниках и в корпусе двигателя, а центральная шестерня закреплена на выходном валу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2