Двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции двигателя, улучшение габаритных и весовых показателей, снижение точности изготовления деталей двигателя, повышение технического ресурса, экономичности и экологичности двигателя за счет возвратно-вращательного движения поршня, уменьшенного бокового давления его на стенку цилиндра и использования подшипников качения для установки коренного вала, вследствие чего снижается стоимость изготовления и эксплуатации двигателя. Двигатель внутреннего сгорания содержит остов, в котором расположено не менее одного отсека с двумя цилиндровыми втулками, установленными друг другу оппозитно, коренной и распределительные валы, связанные между собой механической передачей, и механизм движения, включающий в себя поршни и коренной вал. В каждом отсеке остова установлены в двух оппозитно расположенных втулках один поршень с двумя головками, в середине которого закреплен поршневой палец, выходящий конец которого из поршня выполнен в виде сферической головки. Коренной вал выполнен цилиндрической формы и установлен в остове на подшипниках, на одном из торцов которого со стороны цилиндровых втулок консольно расположены два цилиндрических пальца, оси которых перпендикулярны к продольной оси коренного вала. Механизм движения отсека остова снабжен качающимся кривошипом, один конец которого соединен со сферической головкой поршневого пальца посредством сферического подшипника, а другой конец его соединен с пальцами коренного вала посредством подшипников. При выполнении остова двигателя из отсеков более одного коренные валы каждого отсека остова механически связаны между собой распределительным валом через зубчатую передачу для передачи крутящего момента на один из коренных валов. Двигатель внутреннего сгорания обеспечивает упрощение конструкции, исключение дорогостоящих узлов и деталей: коленчатого вала, уменьшение вдвое количество поршней, исключение шатунов, уменьшение габаритных и весовых показателей, снижение трудоемкости переборки при ремонте, снижение точности изготовления рабочего механизма и межосевых расстояний за счет применения сферического подшипника в качающемся кривошипе, улучшение топливной экономичности, улучшение экологичности. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания, отличающиеся связями между поршнем и коренным валом.

Известен бесшатунный двигатель внутреннего сгорания, содержащий в одной секции картер, два оппозитно расположенных цилиндра (или 4 цилиндра, расположенных Х-образно), два поршня, соединительный шток между поршнями, две направляющие штока, коленчатый вал, соединительный вал (С. С. Баландин. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. М. : Машиностроение, 1972 г. ). Недостатками известного двигателя являются сложность конструкции, повышенная точность изготовления деталей, наличие в одной секции большого количества деталей: картера, двух поршней, соединительного штока, направляющих, коленвала и, как следствие, повышенная стоимость изготовления.

Известен двигатель внутреннего сгорания, принятый за прототип, содержащий остов, в котором расположены один или несколько отсеков, в каждом из которых установлены друг другу оппозитно две цилиндровые втулки, механизм движения, состоящий из двух поршней, поршневых пальцев и шатунов с подшипниками и коренного вала, который при выполнении двигателя из несколько отсеков является общим для них. Коренной вал выполнен в форме коленчатого вала и установлен в подшипниках скольжения. Коренной вал связан механической передачей с распределительным валом, который регулирует газораспределение. Этот двигатель внутреннего сгорания снабжен топливной системой, системой смазки, электросистемой, системой охлаждения (В. А. Ванштейдт. Конструирование и расчеты прочности судовых дизелей. Л. : Судостроение, 1969 г. , стр. 32, рис. 4г, стр. 251, 254-259). Недостатками известного двигателя являются сложность конструкции: наличие коленчатого вала, наличие для каждого отсека двух поршней, двух шатунов, повышенная точность изготовления деталей, повышенная стоимость изготовления, отсутствие возвратно-вращательного движения поршней для лучшего образования рабочего процесса в камерах сгорания, повышенная стоимость эксплуатации за счет ремонта большого количества деталей с повышенной точностью изготовления.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции двигателя, улучшение габаритных и весовых показателей, снижение точности изготовления деталей двигателя, повышение технического ресурса, экономичности и экологичности двигателя за счет возвратно-вращательного движения поршня, уменьшенного бокового давления его на стенку цилиндра и использования подшипников качения для установки коренного вала, вследствие чего снижается стоимость изготовления и эксплуатации двигателя.

Указанный технический результат достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, содержащим остов, в котором расположено не менее одного отсека с двумя цилиндровыми втулками, установленными друг другу оппозитно, коренной и распределительные валы, связанные между собой механической передачей, механизм движения, включающий в себя поршни, коренной вал, в каждом отсеке остова установлены в двух оппозитно расположенных втулках один поршень с двумя головками, в середине которого закреплен поршневой палец, выходящий конец которого из поршня выполнен в виде сферической головки, и коренной вал, выполненный цилиндрической формы и установленный в остове на подшипниках, на одном из торцев которого со стороны цилиндровых втулок консольно расположены два цилиндрических пальца, оси которых перпендикулярны к продольной оси коренного вала, механизм движения отсека остова снабжен качающимся кривошипом, один конец которого соединен со сферической головкой поршневого пальца посредством сферического подшипника, а другой конец его соединен с пальцами коренного вала посредством подшипников.

Кроме этого, при выполнении остова двигателя из отсеков более одного коренные валы каждого отсека остова механически связаны между собой распределительным валом через зубчатую передачу для передачи крутящего момента на один из коренных валов.

На фиг. 1 изображен двигатель в разрезе в горизонтальной плоскости; на фиг. 2 - разрез по А-А фиг. 1; на фиг. 3 - разрез по В-В фиг. 1; на фиг. 4 - кинематическая схема работы двигателя.

Двигатель внутреннего сгорания (фиг. 1 и 2) состоит из двух половин остова 1 и 2 с срединным разъемом, уплотненным прокладкой 3. В этих половинах остова 1 и 2 размещены в горизонтальном положении два отсека 4 с двумя оппозитно расположенными цилиндровыми втулками 5. Количество отсеков может быть один и более. В каждом отсеке 4 установлены: в двух оппозитно расположенных цилиндровых втулках 5 один поршень 6 с двумя головками 7 и 8, в середине которого закреплен поршневой палец 9, выходящий конец которого из поршня выполнен в виде сферической головки 10, и коренной вал 11, выполненный цилиндрической формы. Коренной вал 11 установлен в половинах 1 и 2 остова на подшипниках качения 12 и 13 или на подшипниках скольжения (на чертеже не показано). На одном из торцев коренного вала 11 со стороны цилиндровых втулок 5 консольно расположены два цилиндрических пальца 14 (фиг. 3), ось которых О-О перпендикулярна к продольной оси коренного вала 11. Механизм движения каждого отсека остова, включающий в себя поршень 6 с поршневым пальцем 9 и коренной вал 11, снабжен качающимся кривошипом 15, один конец которого соединен со сферической головкой 10 поршневого пальца 9 посредством сферического подшипника скольжения 16 (может быть установлен и подшипник качения), а другой конец его соединен с пальцами 14 коренного вала 11 посредством подшипников 17, которыми могут быть антифрикционные втулки или подшипники качения. Коренные валы 11 каждого отсека 4 механически связаны между собой распределительным валом 18 через зубчатую передачу: шестерню 19 коренного вала 11 и зубчатое колесо 20 распределительного вала 18. При одном отсеке 4 в двигателе внутреннего сгорания механическая связь между коренным 11 и распределительным 18 валами может быть осуществлена за счет цепной или другой передачи (на чертеже не показано). На распределительном валу 18 крепятся кулачки 21, которые связаны посредством роликов 22, ползунов 23, толкателей 24 и двухплечих рычагов 25 с впускными и выпускными клапанами 26 газораспределения, которые размещены в цилиндровых крышках 27 цилиндровых втулок 5. Двухплечие рычаги 25 и клапаны 26 на крышках 27 закрыты кожухами 28.

Предложенный двигатель внутреннего сгорания, как и любой другой его вид, снабжен топливной системой, системой смазки, электросистемой, системой охлаждения, которые на чертеже не показаны.

Двигатель работает следующим образом.

При сгорании топливовоздушной смеси в камерах сгорания, образованной цилиндровой крышкой 27, цилиндровой втулкой 5 и поршнем 6, образующийся продукт сгорания оказывает давление на поршень 6 (фиг. 1 и 2), перемещающегося в цилиндровых втулках 5. Усилие поршня 6 передается на сферическую головку 10 поршневого пальца 9, которая передает усилие на сферический подшипник скольжения 16 качающегося кривошипа 15. Качающийся кривошип 15 передает усилие на подшипники 17, которые оказывают давление на пальцы 14 коренного вала 11. При этом поршень 6 совершает одновременно поступательное движение к оси коренного вала 11 и вращательное движение вокруг своей продольной оси. Часть качающегося кривошипа 15 совершает вместе со сферической головкой 10 поршневого пальца 9 одновременно поступательное и вращательное движение относительно продольной оси поршня 6, а другая его часть, сопряженная с цилиндрическими пальцами 14 коренного вала 11, совершает вращательное движение вместе с коренным валом 11, т. е. качающийся кривошип 15 совершает возвратно-вращательное движение вокруг оси пальцев 14 коренного вала 11. Таким образом, качающийся кривошип 15 представляет вращающее звено и участвует в преобразовании возвратно поступательно-вращательного движения поршня во вращательное движение коренного вала 11 вокруг его неподвижной оси. Движение основных звеньев и деталей и возникновение крутящего момента М_кр представлено на кинематической схеме двигателя (фиг. 4). Схема развернута на три плоскости ОY, ОZ, ОХ для восьми положений качающегося кривошипа 15, поршня 6, коренного вала 11 и поршневого пальца 9, обозначенными точками 0-7 с указанием основных параметров: S - ход поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ), V - возвратно-поступательная скорость поршня, τ- возвратно-вращательная скорость поршня, ω- угловая скорость вращения коренного вала, α- угол поворота коренного вала от первоначального положения (точка 0), Φ- угол поворота поршня вокруг своей продольной оси,
β- угол поворота качающегося кривошипа в горизонтальной плоскости,
γ- угол поворота качающегося кривошипа в вертикальной плоскости,
Р - сила давления газов на поршень и на сферическую головку поршневого пальца,
А - плечо от центра приложения силы Р к качающемуся кривошипу до оси вращения коренного вала,
L - длина качающегося кривошипа,
М_кр - крутящий момент на коренном вале.

Движение сферической головки 10 поршневого пальца 9 вместе со сферическим подшипником 16 качающегося кривошипа 15 происходит по кривой линии, обозначенной точками 0-1-2-3-4-5-6-7-0, соответственно в трех плоскостях ОY, ОZ, ОХ. Направление силы давления газов Р близко к направлению движения сферической головки 10. Крутящий момент М_кр на коренном валу 15 образуется от силы давления Р продуктов сгорания (фиг. 4) на поршень 6 и плеча А: М_кр= Р•А. Плечо А зависит от угла β, т. е. A = +(β) и изменяется от значения 0 при нахождении поршня в верхней мертвой точки ВМТ до А_max при нахождении поршня 6 при угле поворота α коренного вала 11 на угол 90^o. Качающийся кривошип 15 совершает сложное пространственное движение, а поршень 6 совершает одновременно возвратно-поступательное и возвратно-вращательное движения и за двойной ход поршня 6, равный 2S, коренной вал 11 совершает один оборот. Аналогичный процесс происходит при сгорании топливовоздушной смеси в остальных цилиндровых втулках 5 отсеков остова 4. Передача крутящего момента при выполнении двигателя из отсеков более одного происходит через один из коренных валов 11 через распределительный вал 18 посредством шестерен 19 и зубчатых колес 20. Работа остальных систем и механизмов движения не отличается от обычных двигателей. Предлагаемый двигатель выполнен для работы по четырехтактному циклу, но может быть выполнен для работы по двухтактному циклу, при котором происходит снижение давления на сферический подшипник 16 и, следовательно, на качающийся кривошип 15, коренной вал 11 за счет уменьшения силы давления продуктов сгорания на поршень в одном цилиндре силой сжатия в противоположном цилиндре. Применение сферического подшипника в качающемся кривошипе 15 позволяет снизить точность изготовления рабочего механизма движения: коренного вала 11, качающегося кривошипа 15, сферического пальца 9, поршня 6, и мест расточки в остове под коренные подшипники, а также допуски на межосевые расстояния. Возвратно-поступательное и возвратно-вращательное движения поршня 6 способствуют лучшему рабочему процессу в двигателе за счет лучшего смешивания топливо-воздушной смеси, что повышает топливную экономичность. Подшипники коренных валов могут быть выполнены подшипниками качения, что повышает механический коэффициент полезного действия двигателя. Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания обеспечивает упрощение конструкции, исключение дорогостоящих узлов и деталей: коленчатого вала, уменьшение в двое количество поршней, исключение шатунов, уменьшение габаритных и весовых показателей, снижение трудоемкости переборки при ремонте, снижение точности изготовления рабочего механизма и межосевых расстояний за счет применение сферического подшипника в качающемся кривошипе, улучшение топливной экономичности, улучшение экологичности. Предлагаемая конструкция может быть использована как в двигателях внутреннего сгорания, так и в компрессорах, гидромоторах и других механизмах, преобразующих вращательное движение деталей в поступательное и наоборот.

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий остов, в котором расположено не менее одного отсека с двумя цилиндровыми втулками, установленными друг другу оппозитно, коренной и распределительные валы, связанные между собой механической передачей, механизм движения, включающий в себя поршни, коренной вал, отличающийся тем, что в каждом отсеке остова установлены в двух оппозитно расположенных цилиндровых втулках один поршень с двумя головками, в середине которого закреплен поршневой палец, выходящий конец которого из поршня выполнен в виде сферической головки, и коренной вал, выполненный цилиндрической формы и установленный в остове на подшипниках, на одном из торцев которого со стороны цилиндровых втулок консольно расположены два цилиндрических пальца, оси которых перпендикулярны к продольной оси коренного вала, механизм движения каждого отсека остова снабжен качающимся кривошипом, один конец которого соединен со сферической головкой поршневого пальца посредством сферического подшипника, а другой конец его соединен с пальцами коренного вала посредством подшипников.

2. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что при выполнении остова двигателя из отсеков более одного коренные валы каждого отсека остова механически связаны между собой распределительным валом через зубчатую передачу для передачи крутящего момента на один из коренных валов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4