Двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Внутренняя поверхность корпуса двигателя выполнена в форме тела вращения и снабжена радиальными перегородками. Преобразующий механизм содержит установленный в корпусе с возможностью поворота вал с лопастями. Каждая лопасть делит пространство между перегородками на две полости - горячую и холодную. ДВС включает также механизм газораспределения, системы питания, охлаждения и смазки и выходной вал двигателя. При этом горячая полость соединена с впускным и выпускным клапанами механизма газораспределения, а холодная полость - с прямым и обратным клапанами. Преобразующий механизм ДВС имеет коромыслово-кривошипный механизм, соединяющий вал с лопастями с выходным валом двигателя. На кривошипе преобразующего механизма установлен эксцентрик изменения длины кривошипа выходного вала. Технический результат заключается в повышении экономичности и расширении области применения двигателей внутреннего сгорания. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области энергомашиностроения и может быть использовано в карбюраторных и дизельных двигателях внутреннего сгорания (ДВС).

Известен ДВС, содержащий преобразующий кривошипно-ползунный механизм, в котором возвратно-поступательное движение поршней преобразуется во вращательное движение вала с помощью наклонных шайб. Двигатель снабжен механизмами газораспределения, системами питания, охлаждения и смазки. Наличие наклонных шайб значительно усложняет конструкцию, требует создания подшипников со специфическими конструктивными решениями ( Чистяков В.К. Динамика поршневых и комбинированных двигателей внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1989).

Известен также роторно-поршневой двигатель (двигатель Ф.Ванкеля), содержащий корпус с внутренней эпитрохоидной поверхностью, ротор треугольного поперечного сечения, планетарный механизм, преобразующий планетарное движение ротора во вращательное движение вала. Рабочие полости образованы эпитрохоидной поверхностью корпуса, боковыми плоскостями и поверхностью ротора. Двигатель снабжен механизмами газораспределения, системами питания, охлаждения и смазки [2] - Вишняков Н.Н. Автомобиль: основы конструкции. - М.: Машиностроение, 1986.

Недостатки роторно-поршневого ДВС: сложность поверхностей, образующих рабочие полости, ротор совершает сложное (планетарное) вращательное движение, наличие планетарного механизма, выполняющего роль мультипликатора, потребность в установке нескольких роторов-поршней при больших мощностях ДВС. Указанные недостатки ограничивают область применения роторно-поршневых ДВС.

Также известен роторный двигатель, содержащий корпус с радиальными перегородками, с внутренней поверхностью в форме тела вращения, системы питания и смазки, механизм газораспределения, преобразующий механизм и выходной вал двигателя. Преобразующий механизм включает в себя вал с лопастями, установленный в корпусе с возможностью поворота, при этом каждая лопасть делит пространство между перегородками на две полости, одна из которых (горячая) соединена с впускным и выпускным клапанами, а другая (холодная) - с прямым и обратным клапанами (см. а.с. СССР N 66218, МПК F 02 B 53/02, 1946).

Недостатком этого двигателя является то, что выполнение преобразующего механизма в виде вала с лопастями, совершающего возвратно-вращательное движение, не позволяет снимать с выходного вала непрерывное вращательное движение с необходимой частотой вращения, что значительно сужает область применения этого двигателя, например его применение в трансмиссиях и приводах транспортных и технологических машин с непрерывным вращением выходного вала двигателя. Выполнение преобразующего механизма в виде вала с лопастями, совершающего возвратно-вращательное движение, не позволяет непосредственно использовать стандартную (серийную) аппаратуру систем питания и газораспределения, так как она применяется при непрерывном вращательном движении выходного вала преобразующего механизма.

Задачей изобретения является создание ДВС с преобразующим механизмом, обеспечивающим непрерывное вращательное движение выходного вала и позволяющим получить компоновочные и технологические преимущества, повышение экономичности и расширение области применения ДВС.

Поставленная задача решается тем, что двигатель внутреннего сгорания содержит корпус, внутренняя поверхность которого выполнена в форме тела вращения и снабжена радиальными перегородками, преобразующий механизм, включающий в себя установленный в корпусе с возможностью поворота вал с лопастями, при этом каждая лопасть делит пространство между перегородками на две полости, горячая из которых соединена с впускными и выпускными клапанами механизма газораспределения, а холодная - с прямым и обратным клапанами, на кривошипе преобразующего механизма, соединяющий вал с лопастями с выходным валом двигателя, установлен эксцентрик изменения кривошипа выходного вала.

Преобразующий механизм содержит несколько противоположно расположенных коромыслово-кривошипных механизмов, при этом каждый из кривошипов снабжен зубчатым колесом, находящимся в зацеплении с центральным зубчатым колесом, закрепленным на выходном валу.

На фиг. 1 показан продольный разрез двигателя; на фиг. 2 - поперечный разрез; на фиг. 3 - вариант конструкции кривошипа с регулируемой длиной; на фиг. 4 - поперечный разрез двигателя с несколькими преобразующими коромыслово-кривошипными механизмами; на фиг. 5 - продольный разрез на фиг. 4.

Двигатель имеет корпус 1 (фиг. 1) с радиальными перегородками 2, вал 3 с лопастями 4 (фиг. 2), подвижно установленный в корпусе 1. На валу 3 закреплено коромысло 5 (фиг. 1), которое посредством шатуна 6 подвижно соединено с кривошипом 7 выходного вала 8 с маховиком 9. В корпусе 1 установлены впускные клапаны 10, к которым подходят впускные каналы 11, кулачковый вал 12, выпускные клапаны 13, к которым подходят выпускные каналы 14, кулачковый вал 15. Кулачковый вал 12 взаимодействует с диском 16 посредством профильных выступов 17; кулачковый вал 15 взаимодействует с профильными выступами 18 диска 19. Профильные диски 16 и 19 установлены на зубчатом колесе 20, подвижно установленном на корпусе 1 двигателя и находящемся в зацеплении с зубчатым колесом 21, неподвижно закрепленным на валу 8. Для придания большей жесткости лопасти 4 по торцам соединены кольцевыми пластинами 22. Внутренняя поверхность корпуса 1, перегородки 2, лопасти 4 (фиг. 2) образуют горячие (рабочие) полости I. ..IV и холодные полости I....IV, при этом горячие полости через каналы 11 и 14 соединены с клапанами впуска 10 и клапанами выпуска 13, а холодные полости через прямой клапан 23 могут соединяться с атмосферой, а через обратный клапан 24 - с резервуаром 25, который соединен с впускными каналами 11 (при внешнем смесеобразовании и принудительном воспламенении рабочей смеси резервуар 25 соединяется с впускным клапаном 11 через карбюратор). Для регулирования длины кривошипа на кривошипе 7 (фиг. 3) установлен эксцентрик 26, связанный с механизмом регулирования длины кривошипа (на фиг. 3 не показан). На фиг. 4 показан вариант передачи мощности с вала 3 на выходной вал 27, соосно расположенный валу 3, несколькими противоположно установленными коромыслово-кривошипными механизмами, при этом на каждом валу 28 кривошипа 7 закреплено зубчатое колесо 29, находящееся в зацеплении с зубчатым колесом 30, закрепленным на выходном валу 27 с маховиком 9.

Двигатель работает следующим образом.

Лопасти 4 при рабочем процессе занимают крайние положения, соответствующие верхней и нижней мертвым точкам (ВМТ и НМТ) двигателей с преобразующим кривошипно-ползунным механизмом. Установимся называть первое крайнее положение - левым мертвым (крайним) положением (ЛМП), второе - правым мертвым положением (ПМП). Тогда при четырехтактном рабочем процессе лопасти 4 занимают ЛМП в полостях I и III, ПМП - в полостях II и IV, что соответствует началам тактов: в полости I - расширения, в полости II - выпуска, в полости III - впуска, в полости IV - сжатия. При вращении вала 3 с лопастями 4 по часовой стрелке выполняются указанные такты, при этом преобразующий механизм со звеньями 5, 6, 7 поворачивает вал 8 на 180^o, а за счет действия маховика 9 вал 3 с лопастями 4 проходит мертвые положения и поворачивается против часовой стрелки, при этом в полостях выполняются такты: I - выпуск, II - впуск, III - сжатие, IV - расширение. После прохода мертвых положений вращение вала 3 происходит за счет действия давления газов, образующихся при сгорании рабочей смеси в полости IV. При повороте вала 8 на 360^o лопасти займут исходные положения, т.е. одному качательному движению лопастей 4 с валом 3 соответствует поворот выходного вала 8 на полный оборот и рабочий процесс в четырехтактном двигателе происходит при двух оборотах вала 8, при двухтактном - за один оборот вала 8. Последовательность выполнения тактов в полостях двигателя при четырехтактном рабочем процессе представлена в таблице.

Из таблицы следует, что каждому направлению вращения лопастей в одной из полостей происходит расширение, что обеспечивает возвратно-вращательное движение вала 3. При вращении вала 8 через зубчатую передачу 20-21 вращаются диски 16 и 19, которые профильными выступами 17 и 18 поворачивают кулачковые валы 12 и 15, открывающие соответственно впускные клапаны 10 при тактах впуска и выпускные клапаны 13 при тактах выпуска.

При вращении вала 3 по часовой стрелке объем холодных полостей I и III уменьшается, что ведет к увеличению давления, клапаны 23 закрываются, клапаны 24 открываются, и воздух поступает в резервуар 25, связанный с впускными каналами 11, что позволяет подавать под давлением воздух в горячие полости при тактах впуска. Одновременно с указанным объем холодных полостей II и IV увеличивается, давление падает, что ведет к открытию впускных клапанов 23 и закрытию клапанов 24. Поступающий из атмосферы воздух частично охлаждает горячие полости двигателя.

Изменение длины кривошипа 7 за счет поворота эксцентрика 26 (фиг. 3) ведет к изменению угла качания вала 3 с лопастями 4, что позволяет регулировать мощность двигателя. При передаче мощности с вала 3 на выходной вал 27 (фиг. 4, фиг. 5) несколькими коромыслово-кривошипными механизмами качательное движение ступицы 5 вала 3 через шатуны 6, кривошипы 7, каждый из которых установлен на одном валу с зубчатым колесом 29, преобразуется во вращательное движение центрального зубчатого колеса 30, установленного на выходном валу 27, ось которого совпадает с осью вала 3.

Если число горячих и холодных полостей увеличить в два раза за счет соответствующего увеличения числа перегородок 2 и лопастей 4 при условии выполнения одинаковых тактов в противоположных горячих полостях, вал 3 и его подшипники разгружаются от радиальных нагрузок, и вал 3 испытывает только деформацию кручения.

При использовании нового ДВС предлагаемое включение в преобразующий механизм коромыслово-крипошипного механизма обеспечивает непрерывное вращательное движение выходного вала, что позволяет применять ДВС в трансмиссиях и приводах транспортных и технологических машин, в которых требуется непрерывное вращение выходного вала двигателя. Кроме того, предлагаемый преобразующий механизм позволяет использовать стандартную (серийную) аппаратуру в системах питания и газораспределения, работающую при непрерывном вращательном движении выходного вала двигателя.

Если выходной вал, совершающий непрерывное вращательное движение и входящий в систему питания и газораспределения, не является выходным валом двигателя в целом, то предлагаемый двигатель можно использовать как двигатель-компрессор или двигатель-насос.

Так как воздух в резервуаре 25, связанном с впускными каналами 11, находится под давлением, то это улучшает условия наполнения горячих полостей при тактах впуска (наддув) и повышает экономичность двигателя.

При передаче мощности на выходной вал одним преобразующим коромыслово-кривошипным механизмом все звенья этого механизма и выходной вал 8 и подшипники находятся вне действия высоких температур и все подвижные соединения могут быть выполнены на подшипниках качения, что упрощает систему смазки, повышает долговечность двигателя и его КПД. Регулирование мощности двигателя за счет изменения длины кривошипа коромыслово-кривошипного преобразующего механизма повышает экономичность двигателя. При передаче мощности на выходной вал несколькими преобразующими механизмами передаваемая одним преобразующим механизмом мощность равна полной передаваемой мощности, деленной на число преобразующих механизмов. Это позволяет выбрать число преобразующих механизмов таким, чтобы габариты корпуса преобразующих механизмов не выходили за пределы габаритов корпуса 1 двигателя, что дает возможность получить соосную компактную конструкцию, при этом упрощаются системы охлаждения и смазки.

Предлагаемая конструкция ДВС совмещает преимущества роторно-поршневых ДВС и ДВС с кривошипно-ползунным преобразующим механизмом с наклонной шайбой и исключает их недостатки.

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, внутренняя поверхность которого выполнена в форме тела вращения и снабжена радиальными перегородками, преобразующий механизм, включающий в себя установленный в корпусе с возможностью поворота вала с лопастями, при этом каждая лопасть делит пространство между перегородками на две полости, горячая из которых соединена с впускными и выпускными клапанами механизма газораспределения, а холодная - с прямым и обратным клапанами, отличающийся тем, что на кривошипе преобразующего механизма, включающего коромыслово-кривошипный механизм, соединяющий вал с лопастями с выходным валом двигателя, установлен эксцентрик изменения кривошипа выходного вала.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что преобразующий механизм содержит несколько противоположно расположенных коромыслово-кривошипных механизмов, при этом каждый из кривошипов снабжен зубчатым колесом, находящимся в зацеплении с центральным зубчатым колесом, закрепленным на выходном валу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5