Двигатель внутреннего сгорания

 

Двигатель предназначен для использования в энергомашиностроении и на транспорте. Двигатель содержит оппозитные цилиндры с поршнями, соединенными общим штоком, механизм преобразования снабжен маховиком, установленным на валу, параллельном оси цилиндров. На внешней поверхности маховика выполнен канал синусоидальной формы, общий шток поршней имеет диаметрально расположенные посадочные гнезда для шариков подшипников качения, установленных с одной стороны в канал маховика, а с другой стороны - в опорную направляющую, размещенную в картере. Причем ширина маховика больше величины рабочего хода поршня в цилиндре, на штоке посадочные гнезда удалены от поршней на расстояние, большее ширины маховика, а расстояние, отделяющее шток от маховика и от опорной направляющей, равно 1/4 диаметра шарика подшипника качения. Опорная направляющая имеет канал в форме прямолинейного желоба длиной, большей величины рабочего хода поршня. Использование изобретения обеспечивает повышение производительности, сокращение удельного расхода топлива и вредных выбросов. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания с оппозитным расположением цилиндров и их кривошипных механизмов.

Известен двигатель внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом, в котором радиус с кривошипа равен половине хода поршня или несколько меньше половины хода поршня при смещении плоскости движения оси поршневого пальца от оси кривошипа (Ховах М.С. Автомобильные двигатели. М.: Машиностроение, 1977, с.337). Однако эти двигатели имеют недостаточно высокое значение КПД из-за больших механических потерь при высоких скоростях движения поршня, нагруженность пары трения поршень-зеркало цилиндра, сложность рабочих процессов в камерах сгорания за счет оперативного изменения нагрузок на поршень, изменения его скорости, жесткой зависимости между фазами рабочего цикла в цилиндре и угловыми перемещениями кривошипа.

Известен двигатель внутреннего сгорания патент РФ N 2018008, кл. F 02 B 75/28, 1995), содержащий картер, закрепленные на нем оппозитно по меньшей мере два цилиндра, установленные в последних втулки, снабженные головками и днищами поршни, размещенные во втулках между днищами и головками с образованием подпоршневой и рабочей камер переменного объема, расположенный в картере кривошипный вал по меньшей мере с одной шатунной шейкой, по меньшей мере один силовой рычаг, установленный свободно в картере, и механизм преобразования качательного движения рычага во вращательное кривошипного вала. Данное устройство взято нами за прототип. К недостаткам этого двигателя относится большой уровень детонации из-за несимметричного распределения рабочих масс поршней и втулок относительно рабочей оси двигателя.

Задачей создания изобретения является разработка двигателя внутреннего сгорания с высоким КПД за счет прямого преобразования возвратно-поступательного движения поршней с общим штоком во вращение маховика с рычагом воздействия от 1,5 хода поршня и более, а также повышение удельных показателей двигателя: уменьшение коэффициента трения, уменьшение выбросов токсичных продуктов сгорания, улучшение параметра удельного веса, повышение теплового КПД двигателя за счет увеличения начальной скорости поршня в цилиндре и, как следствие, уменьшение нагрева стенок цилиндра.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в формуле изобретения.

Согласно пункту 1 формулы изобретения в двигателе внутреннего сгорания, содержащем признаки, общие с прототипом: картер, по меньшей мере два оппозитно закрепленных на картере цилиндра, поршни с общим штоком, размещенные в цилиндрах, и механизм преобразования возвратно-поступательного движения с валом, а также существенных отличительных признаков, таких как механизм преобразования снабжен маховиком, установленным на валу, ось вращения которого параллельна оси цилиндров, причем на внешней поверхности маховика по всей длине окружности выполнен канал синусоидальной формы, при этом общий шток поршней имеет диаметрально расположенные посадочные гнезда для шариков подшипников качения, установленных с одной стороны в канал маховика, а с другой стороны в опорной направляющей, размещенной на картере.

В пункте 2 формулы изобретения характеризуется особенность выполнения маховика, а именно ширина маховика выполнена больше величины рабочего хода поршня в цилиндре.

Согласно пункту 3 формулы изобретения раскрывается особенность размещения штока и посадочных гнезд на нем, а именно на штоке посадочные гнезда удалены от поршней на расстояние больше величины ширины маховика, а величина расстояния, отделяющего шток от маховика и от опорной направляющей, равна 1/4 диаметра шарика подшипника качения.

В пункте 4 формулы изобретения характеризуется форма выполнения опорной направляющей, а именно опорная направляющая имеет канал в форме прямолинейного желоба и длиной больше величины рабочего хода поршня.

В пункте 5 формулы изобретения нашла отражение особенность размещения опорной направляющей, а именно ось канала опорной направляющей находится в плоскости, на которой расположены оси цилиндров и маховика, причем все три оси расположены параллельно. Новым по сравнению с прототипом является расположение оси оппозитных цилиндров параллельно оси вала двигателя, а также использование штока с посадочными гнездами, в которых установлены шарики подшипников качения, с помощью которых преобразуется возвратно-поступательное движение штока поршней во вращение маховика, при этом опорная направляющая препятствует шарикам подшипников качения, установленных в посадочных гнездах штока, отклонению их центров из плоскости, на которой находятся ось цилиндров, совмещенные оси маховика и вала двигателя. За один оборот вала поршни могут совершить столько возвратно-поступательных движения, сколько периодов синусоидальной формы канала будет на поверхности маховика, причем можно изменять скоростную характеристику прохождения поршня в цилиндре от линейной до гиперболической, изменяя форму синуса канала, а также можно изменять рычаг воздействия штока на маховик путем увеличения или уменьшения диаметра маховика, а количеством периодов синусоидальной формы канала изменять редукцию.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволяет установить соответствие его критерию "новизна".

При изучении других, известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 представлен двигатель (разрез Б-Б на фиг.2); на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Двигатель (фиг.1 и 2) состоит из пары оппозитно расположенных цилиндров 1, закрепленных на картере 2, в цилиндрах 1 установлены поршни 3, которые соединены штоком 4. В картере 2 размещен вал 5 с маховиком 6, имеющие общую ось вращения.

Ширина маховика 6 выполнена больше величины рабочего хода поршня 3 в цилиндре 1.

На внешней поверхности маховика 6 размещен синусоидальной формы канал 7. В штоке 4 имеются посадочные гнезда 8 для установки шариков подшипников качения 9, которые соединяют шток 4 с маховиком 6 и опорной направляющей 10, последняя имеет канал 11 в форме прямолинейного желоба и длиной больше ширины маховика и укреплена на картере 2.

Расстояние, отделяющее шток 4 от маховика 6, а также шток 4 от опорной направляющей 10, равно 1/4 диаметра шарика подшипника качения 9, а посадочные гнезда 8 шариков подшипников качения 9, расположенные на штоке 4, удалены от поршней 3 на расстояние больше ширины маховика 6. Ось канала 10 и центры шариков подшипников качения 9 расположены в плоскости, на которой находятся оси цилиндров 3 и ось маховика 6, при этом ось маховика 6, ось цилиндров 3 и ось канала опорной направляющей 10 расположены относительно друг друга параллельно.

Двигатель работает следующим образом. Рассмотрим общий случай фиг.1 и 2, когда один из поршней 3 находится в нижней мертвой точке, а противоположный - в верхней мертвой точке цилиндров 1. Маховик 6 установлен в положении, при котором синусоидальной формы канал 7 и установленный в нем шарик подшипника качения 9 максимально приближены к тому из цилиндров 1, в котором поршень 3 занимает положение в верхней мертвой точке, при таком положении данного поршня его рычаг воздействия при поступательном движении во вращательное движение маховика 6 будет максимальным. При вращении маховика 6 по часовой стрелке синусоидальной формы канал 7 перемещает шарик подшипника качения 9, установленного в посадочное гнездо 8 штока 4, при этом шток 4 и закрепленные на нем поршни 3 перемещаются: поршень, занимавший положение в нижней мертвой точке, перемещается к верхней мертвой точке, при этом происходит сжатие горячей смеси, а противоположный поршень двигается с верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. При достижении поршнем 3 верхней мертвой точки шарик подшипника качения 9, установленный в посадочное гнездо 8 штока 4, проходит половину периода синусоидальной формы канала 7. После воспламенения сжатой горючей смеси в цилиндре 1 поршень 3, который занимал положение в верхней мертвой точке, под воздействием расширяющихся продуктов сгорания переместится в сторону нижней мертвой точки, а противоположный поршень - к верхней мертвой точке, при этом шток 4, воздействуя на синусоидальной формы канал 7 через шарик подшипника качения 9, поворачивает маховик 6 по часовой стрелке. Когда поршень 3 займет положение в нижней мертвой точке, маховик 6 повернется на полный период синусоидальной формы канала 7. Челночные движения штока 4, поршней 3 преобразуются во вращение маховика 6 и вала 5.

Для снижения коэффициента трения в штоке 4 имеются посадочные гнезда 8 для шариков подшипников качения 9, причем основание посадочного гнезда имеет форму квадрата, сторона которого равна величине 3/4 радиуса шарика подшипника качения 9, с соединением сторон в сомкнутый свод, при этом линия соприкосновения шарика подшипника качения с посадочным гнездом выглядит в проекции, на основании квадрата посадочного гнезда, в виде креста, делящего квадрат на четыре равных квадрата. Такой профиль посадочного гнезда обеспечивает постоянное поступление смазки на все линии соприкосновения через углы основания квадрата по граням сторон посадочного гнезда. Для предотвращения отклонения центра шарика подшипника качения 9 из плоскости, в которой лежат оси цилиндров и маховика, установленного со стороны маховика 6 в шток 4, с противоположной стороны последнего в посадочное гнездо установлен шарик подшипника качения 9, который удерживается в прямолинейном канале 11 опорной направляющей 10, при этом совершает челночные движения по прямолинейному каналу 11 на величину расстояния рабочего хода поршня 3 и устраняет осевое вращение поршней 3 и штока 4.

Предлагаемая кинематическая схема двигателя внутреннего сгорания позволяет увеличить начальную скорость поршней, снизить теплоотдачу расширяющихся продуктов сгорания на цилиндр, что существенно увеличивает тепловое КПД двигателя; уменьшить детонацию; снизить уровень вредных продуктов сгорания и коэффициент трения; применить общую систему зажигания; улучшить параметр удельного веса двигателя; сократить износ и увеличить долговечность цилиндров и уплотнительных колец.

Применение маховика с синусоидальной формой канала и размещение оси цилиндров параллельно рабочей оси вала двигателя позволяет: устранить явление прозрачности к пиковым значениям сил сопротивления, например от трансмиссии, аккумулированием энергии и пиковых нагрузок во вращение маховика; нагружать детали поршневых групп и маховика в основном пульсирующими нагрузками, что увеличивает прочностные свойства материала этих деталей; получить более высокое значение крутящего момента за оборот маховика; снизить инерционные нагрузки на детали двигателя.

Из вышеперечисленного следует, что данный двигатель имеет многократное увеличение мощности по сравнению с двигателем с кривошипно-шатунным механизмом при условии равного соотношения количества и объема цилиндров с равным рабочим ходом поршня.

При увеличении числа цилиндров рассматриваемого двигателя оси цилиндров располагаются параллельно рабочей оси вала двигателя и диаметрально противоположно относительно друг друга через ось вращения вала двигателя.

Использование двигателя с данной кинематической схемой позволит получить экономический эффект как при производстве двигателя за счет сокращения трудо- и материалоемкости его изготовления на единицу мощности, так и в эксплуатации за счет сокращения удельного расхода топлива и выбросов вредных продуктов сгорания; повышения производительности внешнескоростных характеристик двигателя - повышения скорости выполнения полезной работы.

Формула изобретения

\ \ \ 1 1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий картер, по меньшей мере два оппозитных цилиндра, закрепленных на картере, поршни с общим штоком, размещенные в цилиндрах, и механизм преобразования возвратно-поступательного движения с валом, отличающийся тем, что механизм преобразования снабжен маховиком, установленным на валу, ось которого параллельна оси цилиндров, причем на внешней поверхности маховика по всей длине окружности выполнен канал синусоидальной формы, при этом общий шток поршней имеет диаметрально расположенные посадочные гнезда для шариков подшипников качения, установленных с одной стороны в канал маховика, а с другой стороны - в опорной направляющей, размещенной на картере. \\\2 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что ширина маховика выполнена больше величины рабочего хода поршня в цилиндре. \ \\2 3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что расстояние, отделяющее шток от маховика, а также шток от опорной направляющей, равно 1/4 диаметра шарика подшипника качения, посадочные гнезда шариков подшипников качения, расположенные на штоке, удалены от поршней на расстояние, большее величины ширины маховика. \\\2 4. Двигатель по пп.1 - 3, отличающийся тем, что опорная направляющая имеет канал в форме прямолинейного желоба длиной, большей величины рабочего хода поршня. \\\2 5. Двигатель по пп.1 - 4, отличающийся тем, что ось канала и центры шариков подшипников качения расположены в плоскости, на которой находятся ось цилиндров и ось маховика, причем ось маховика, ось цилиндров и ось канала опорной направляющей расположены относительно друг друга параллельно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2