Поршневой двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению. Часть поршня, находящаяся в контакте со стенками цилиндра, установлена с возможностью свободного вращения вокруг своей оси и двигатель снабжен подшипниковым соединением, установленным между указанной частью поршня и соединительными средствами. Изобретение позволяет уменьшить износ стенок цилиндра. 8 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, содержащим по меньшей мере один цилиндр, средство возвратно-поступательного движения, поршень, установленный в цилиндре, находящийся в контакте с его стенками частью своей поверхности, соосный указанному средству и связанный с этим средством, пару роторов, установленных по разные стороны от оси указанного средства возвратно-поступательного движения с возможностью вращения в противоположных направлениях и в противофазе вокруг общей оси, перпендикулярной оси средства возвратно-поступательного движения, и соединительные средства, каждое из которых отходит от одной из противоположных сторон указанного средства возвратно-поступательного движения и взаимодействует с одним из указанных роторов на некотором расстоянии от их общей оси.

Двигатель такого типа известен и описан в патенте США N 2666420 на примере двухтактного двигателя, обеспечивающего благодаря наличию перечисленных признаков возможность существенного уменьшения или устранения вибрации, порождаемой статической или динамической неуравновешенностью.

Одним из эффектов, проявляющимся при работе двигателя, выполненного в соответствии с патентом США N 2666420, является автоматическое сообщение поршню, совершающему возвратно-поступательное движение, дополнительного возвратно-поступательного движения вокруг его продольной оси, что обеспечивает нужную синхронизацию управления впускным и выпускным каналами.

Хотя в указанном патенте США описан двигатель простой конструкции, работающий с очень низким уровнем вибрации, этот двигатель до сих пор не имеет коммерческого успеха. Причина может быть в том, что практические тесты обнаруживают сильный износ на станках цилиндра вблизи верхней мертвой точки поршня, вызванной поршневыми кольцами.

Эффект возвратно-поступательного и возвратно-вращательного движения поршня состоит в том, что поршень вблизи своих мертвых точек имеет очень маленькую скорость движения вдоль своей оси, но при этом ему сообщается очень большая угловая скорость вокруг своей оси. Таким образом, в двигателе данной конструкции обеспечивается хорошая гидродинамическая смазка между поршнем и стенкой цилиндра, когда поршень находится на определенном расстоянии от своих мертвых точек, но вблизи мертвых точек имеет место очень плохая смазка.

Износ особенно велик в верхней мертвой точке из-за того, что многие поршневые кольца сконструированы так, что процесс сгорания в цилиндре вызывает их дополнительное давление на стенки цилиндра.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание двигателя внутреннего сгорания вышеуказанного типа, в котором уменьшен износ стенок цилиндра. Решение этой задачи достигнуто благодаря наличию совокупности признаков, изложенных в п.1 формулы изобретения.

Благодаря наличию подшипникового соединения между средством возвратно-поступательного движения, предпочтительно выполненного в виде штока поршня, и соединительными средствами конструкция может использоваться в поршневых двигателях различных принципов действия.

Наличие признаков, включенных в п. 3 формулы изобретения, обеспечивает возможность использования части поршня для эффективного управления и синхронизации процессов продувки и выхлопа.

Раздельное охлаждение днища поршня обеспечивает уменьшение поверхности поршня, находящейся в плотном контакте со стенками цилиндра, без риска перегрева поршня, причем уменьшенная поверхность вызывает меньшее трение между поршнем и стенкой цилиндра.

Благодаря подаче охлаждающей жидкости через каналы подачи и отвода в штоке поршня, как указано в пп. 6 и 9 формулы изобретения, обеспечивается очень эффективное охлаждение.

Так как днище поршня установлено на средстве возвратно-поступательного движения (штоке), как указано в п. 5 формулы изобретения, усилие, вызванное процессом сгорания на поршневом днище, передается прямо на шток, делая возможным уменьшение общей массы поршня.

Варианты выполнения настоящего изобретения будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых: на фиг. 1 изображен приводной механизм двигателя известного типа; на фиг. 2 - поршень и цилиндр, выполненные в соответствии с изобретением, в фазе сжатия; на фиг. 3 - поршень и цилиндр, выполненные в соответствии с изобретением, в фазе зажигания; на фиг. 4 - поршень и цилиндр, выполненные в соответствии с изобретением, по окончании рабочего хода; на фиг. 5 - поршень и цилиндр, выполненные в соответствии с изобретением, в начале фазы выпуска; на фиг. 6 - поршень и цилиндр, выполненные в соответствии с изобретением, при открытом продувочном канале; на фиг. 7 - поршень и цилиндр, выполненные в соответствии с изобретением, по окончании хода нагнетания; на фиг. 8 - поршень и цилиндр, выполненные в соответствии с изобретением, в начале наддува; на фиг. 9 - поршень и цилиндр, выполненные в соответствии с изобретением, в начале хода сжатия; на фиг. 10 изображен в разрезе приводной механизм движения внутреннего сгорания, выполненного согласно изобретению; на фиг. 11 изображен в разрезе альтернативный вариант внутреннего сгорания, выполненного согласно изобретению.

На фиг. 1 изображен известный приводной механизм двигателя внутреннего сгорания, содержащий средство возвратно-поступательного движения, выполненное предпочтительно в виде штока 1 поршня, установленного с возможностью вращения вокруг своей продольной оси и продольного перемещения в подшипниках 2, 3 поршня. Соединительные средства, выполненные, например, виде двух стержней 4, жестко прикреплены одним концом к штоку 1 с его противоположных боковых сторон под прямым углом к его оси. Противоположный конец каждого из соединительных средств 4 подвижно связан с соответствующим ротором 5, 6 посредством подшипниковых опор 7, 8, расположенных со смещением относительно общей оси вращения роторов, положение которой определено основными подшипниками 10, 11. Взаимное расположение указанных элементов приводного механизма и конструкция подшипниковых опор 7, 8 обеспечивают возможность вращения, поворота и продольного перемещения соединительных средств 4.

Поршень 12, жестко закрепленный на одном конце штока 1 поршня, передает на шток усилие, направленное параллельно оси штока и вызванное давлением, возникающим в цилиндре двигателя (не изображен) при сгорании горючей смеси. В результате происходит осевое перемещение штока, приводящего во вращение роторы 5, 6 посредством соединительных средств 4.

Вследствие установки соединительных средств 4 в опорах 7, 8 в роторах 5, 6, при вращении роторов шток 1 поршня также приводится во вращение вокруг своей оси, что, в свою очередь, вызывает вращение поршня 12 в цилиндре.

Следовательно, данный приводной механизм обеспечивает поступательное движение поршня 12 при его одновременном вращении вокруг своей оси. Принимая, что роторы вращаются с постоянной угловой скоростью, распределение двух указанных основных движений будет таким, что скорость поступательного движения поршня 12 будет принимать наибольшее значение в середине хода поршня 12 и будет равняться нулю в мертвых точках. С другой стороны, угловая скорость будет принимать наибольшее значение в мертвых точках и будет равна нулю в середине хода поршня.

В связи с этим вблизи мертвых точек описанный выше эффект гидродинамической смазки между поршнем 12 и стенкой цилиндра будет проявляться в очень малой степени, что является губительным в связи с большой угловой скоростью в этих точках, так как вызывает неприемлемо высокий износ стенок цилиндра и поршневых колец.

Кроме того, в верхней мертвой точке поршня поршневые кольца современной конструкции под действием давления сгорающей горючей смеси будут создавать дополнительное давление на стенки цилиндра, что вызывает особенно высокий износ в окрестности верхней мертвой точки.

Изобретение предназначено для использования, например, в двухтактном двигателе внутреннего сгорания, в котором сообщенное поршню вращательное движение используется для управления фазами впуска, продувки и выпуска простым способом благодаря выполнению каналом в стенках цилиндра и поршня таким образом, что эти каналы в процессе поступательного движения поршня могут занимать различные положения друг относительно друга.

На фиг. 2 - 9 в эскизной форме представлен полный рабочий цикл двухтактного двигателя, кинематическая схема которого соответствует принципу, проиллюстрированному фиг. 1.

Так, на фиг. 2 показана фаза сжатия, в которой поршень 12 под действием ротора 5, вращающегося против часовой стрелки, сжимает горючую смесь в камере 24 сгорания цилиндра 13. Опора 7 соединительных средств 4 ротора 5 в этой фазе находится в точке A.

На фиг. 3 показана следующая фаза (фаза зажигания), в которой свеча 19 зажигания воспламеняет горючую смесь в камере 24 сгорания. Опора 7 соединительных средств 4 ротора 5 в этой фазе находится в точке A.

Как показано на фиг. 4, по окончании рабочего хода воздух, находящийся в полости 25 под поршнем 12, сжимается, так как впускной клапан 14 одностороннего действия предотвращает выход воздуха через впускной продувочный канал 15. В результате повышения давления в полости 25 воздушный продувочный клапан 17 открывается и впускает воздух в продувочный канал 23, который однако по-прежнему заблокирован на выходе поршнем 12. Опора 7 соединительных средств 4 на роторе 5 находится при этом в точке C.

На фиг. 5 показана фаза, в которой продувочный воздух в полости 25 под поршнем 12 дополнительно сжимается и где в результате открывания поршнем 12 прохода между камерой 24 сгорания и каналом 22 продувки и нагнетания воздуха происходит предварительный выход выхлопных газов в указанный канал 22. Опора 7 соединительных средств 4 на роторе 5 находится при этом в точке D.

На фиг. 6 показана фаза, в которой продувочный воздух в полости 25 под поршнем 12 вытесняется под высоким давлением в камеру сгорания 24 через воздушный проточный клапан 17, продувочный канал 23, продувочный канал 20 поршня и канал 22 продувки и нагнетания воздуха, обеспечивая тем самым выход выхлопных газов из камеры 24 сгорания через выпускной канал 18. Опора 7 соединительных средств 4 на роторе 5 находится при этом в точке E.

Выпуск отработанных газов, показанный на фиг. 6, продолжается в момент, показанный на фиг. 7, где видно, что угловое положение продувочного канала 20 поршня в этот момент, как и в момент, представленный на фиг. 6, таково, что он обеспечивает только процесс продувки. Поворот поршня 12 в соответствующее положение обеспечивается в результате перемещения опоры 7 соединительных средств 4 на роторе 5 в точку F.

На фиг. 8 показана фаза нагнетания воздуха. Видно, что поворот поршня 12 при переходе опоры 7 соединительных средств 4 на роторе 5 в точку G делает возможным подачу воздуха для наддува через воздушный канал 21 наддува, продувочный канал 20 поршня и канал 22 продувки и нагнетания воздуха в камеру сгорания 24. Кроме того, в этой фазе начинается поступление воздуха через впускной продувочный канал 15 и открытый впускной клапан 14 в полость 25 под поршнем.

Как показано на фиг. 9, эта фаза заканчивается перекрыванием воздушного канала 21 наддува, после чего вновь начинается фаза сжатия.

На фиг. 10 показан вариант выполнения настоящего изобретения, в котором поршень 12 состоит из двух основных частей, находящихся в контакте со стенками цилиндра (не изображен): днища 26, на периферии которого выполнены канавки 41 для поршневых колец, и корпуса 27 (называемого также юбкой). Корпус 27 жестко закреплен на штоке 1 поршня, а днище 26 поршня установлено на штоке 1 с возможностью вращения. Эта возможность обеспечена тем, что выполненный в виде винта элемент 28 завинчен в торец штока для фиксации в продольном направлении элемента 29, выполненного в виде кольца, ввинченного в днище 26 поршня. Таким образом, элементы 28, 29 вместе с зоной штока 1, находящейся в контакте с кольцом 29, образуют подшипник скольжения.

Шток 1, совершающий цикличное движение в подшипнике 2, жестко связан с соединительными средствами 4, расположенными с противоположных сторон штока 1 симметрично по отношению к нему. Противоположный конец каждого из соединительных средств 4 установлен в опоре 7 и в опоре 8 (не изображена). Эти опоры являются роликовыми подшипниками, имеющими наружное сферическое кольцо 33, расположенное на внутреннем сферическом кольце 34 и установленное в роторе 5 или роторе 6 (не изображен). Эта конструкция позволяет соединительным средствам 4 вращаться, поворачиваться и поступательно перемещаться в своих подшипниках 7, 8. Наличие подшипникового соединения 28, 29 между днищем 26 поршня и соединительными средствами 4 обеспечивает возможность взаимного разворота этих компонентов двигателя. Роторы 5, 6 установлены в корпусе 30 двигателя с противоположных сторон штока 1 симметрично по отношению к нему с возможностью вращения в противоположных направлениях и в противофазе вокруг общей оси, соответствующей осям основных подшипников 10, 11, т.е. перпендикулярной продольной оси штока 1.

Днище 26 поршня снабжено охлаждающей полостью 40, к поверхностям которой через входные отверстия 36 может поступать охлаждающая жидкость, например масло (или вода). Соединенный с входными отверстиями канал 31 подачи масла проходит к днищу поршня внутри штока 1, причем он может быть связан с дополнительными каналами 37 подачи, которые проходят внутри соединительных средств 4, так что их входные отверстия расположены на концах соединительных средств, удаленных от штока 1. Выходные отверстия 38 охлаждающей полости 40 связаны с каналом 32 отвода масла, который проходит от днища 26 поршня в корпус 30 двигателя через шток 1, концентрично внутри канала 31 подачи. Выходное отверстие 39 канала 32 отвода выполнено в штоке 1 вблизи зоны его сопряжения с соединительными средствами 4.

На фиг. 11 показан другой вариант выполнения изобретения, согласно которому днище 26 поршня жестко соединено с корпусом 27, так что днище 26, корпус 27 и шток 1 поршня движутся как одно целое. В этом варианте выполнения между штоком 1 поршня и соединительными средствами 4 расположено подшипниковое соединение 35, позволяющее днищу 26, корпусу 27 и штоку 1 поршня вращаться как одно целое вокруг их общей оси.

В этой конструкции, однако, необходимо будет предусмотреть специальные средства для осуществления продувки, такие как клапаны продувки и выпуска в торце цилиндра или другие продувочные средства. Тем не менее, такая конструкция позволяет создать кинематическую структуру с пониженной вибрацией, которая может быть использована и в других поршневых двигателях, основанных на различных принципах работы; при этом также будет уменьшен износ в цилиндрах.

Возможны и другие варианты выполнения, не выходящие за пределы правовой охраны, которые определяются формулой изобретения, и отличающиеся от описанных выше, например, количеством используемых цилиндров и, следовательно, поршней, формой выполнения средств возвратно-поступательного движения и других элементов двигателя.

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр, средство 1 возвратно-поступательного движения, поршень 12, установленный в цилиндре, находящийся в контакте с его стенками частью своей поверхности, соосный указанному средству 1 и связанный с этим средством, пару роторов 5,6, установленных по разные стороны от оси указанного средства 1 возвратно-поступательного движения с возможностью вращения в противоположных направлениях и в противофазе вокруг общей оси, перпендикулярной оси указанного средства 1 возвратно-поступательного движения, и соединительные средства 4, каждое из которых отходит от одной из взаимно противоположных сторон указанного средства 1 возвратно-поступательного движения и взаимодействует с одним из указанных роторов 5,6 на некотором расстоянии от их общей оси, отличающийся тем, что часть поршня, находящаяся в контакте со стенками цилиндра, установлена с возможностью свободного вращения вокруг своей оси, и двигатель снабжен подшипниковым соединением 28, 29, 35, установленным между указанной частью поршня и соединительными средствами 4.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что подшипниковое соединение расположено между средством возвратнопоступательного движения и соединительными средствами.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что подшипниковое соединение расположено между частью поршня, находящейся в контакте со стенками цилиндра и средством возвратно-поступательного движения.

4. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что поршень содержит корпус, прикрепленный к средству возвратно-поступательного движения, и днище, находящееся в контакте со стенками цилиндра, снабженное канавками для поршневых колец и установленное с возможностью свободного вращения вокруг своей оси.

5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что днище поршня установлено с возможностью свободного вращения на средстве возвратно-поступательного движения.

6. Двигатель по любому п.4 или 5, отличающийся тем, что внутри днища поршня имеется охлаждающая полость с входными и выходными отверстиями для циркуляции охлаждающей жидкости, соединенными с выполненными внутри средства возвратно-поступательного движения каналами подачи и отвода охлаждающей жидкости соответственно.

7. Двигатель по п.6, отличающийся тем, что в качестве охлаждающей жидкости использована вода.

8. Двигатель по п.6, отличающийся тем, что в качестве охлаждающей жидкости использовано масло.

9. Двигатель по п.6, отличающийся тем, что канал подачи в средстве возвратно-поступательного движения соединен с дополнительными каналами подачи, которые проходят внутри указанных соединительных средств и входные отверстия которых расположены на концах соединительных средств, удаленных от средства возвратно-поступательного движения, а выходное отверстие канала отвода выполнено в средстве возвратно-поступательного движения вблизи указанных соединительных средств.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11