Двигатель внутреннего сгорания
Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению. Техническим результатом является повышение экономичности, снижение веса и повышение ресурса двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит четыре ступенчатых цилиндра, две пары из которых большего диаметра являются наддувочными для работающих по двухтактному циклу рабочих ступеней цилиндров меньшего диаметра. Поршни рабочих цилиндров закреплены на концах рабочих штоков, пропущенных сквозь корпус и концентрично вставленных в наддувочные штоки, оснащенные на концах наддувочными поршнями, что образует между ними и рабочими поршнями четыре компрессорные камеры за счет противонаправленного движения рабочих и наддувочных штоков. Движение штоков сообщает качание двум кулисам, шарнирно присоединенным к рабочим штокам. Наддувочные штоки получают движение от скользящих по направляющим наддувочных штоков и ориентированных поперечно их осям ползунов, шарнирно закрепленных на кулисах. Причем эти шарниры относительно шарниров рабочих штоков расположены с другой стороны центральных опорных шарниров кулис. Ведомые плечи кулис шарнирно присоединены к скользящим по выполненным на двух тягах и ориентированным поперечно штокам направляющим ползунам, а тяги шарнирно присоединены к шипам сателлитов прямолинейно-преобразующих механизмов. Водила двух планетарных механизмов, обслуживающих две пары соосных цилиндров, синхронизирующими зубчатыми передачами соединены с выходным валом. 2 ил.
Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано на транспортных средствах: автомобилях, речных судах, летательных аппаратах, а также в качестве энергетических установок.
Аналогом предлагаемого изобретения является патент РФ №1760139 А1, F 02 B 25/10. Двигатель внутреннего сгорания.
Двигатель имеет два соосно расположенных цилиндра и два поршня - рабочий и наддувочный. В верхний цилиндр малого диаметра и одновременно в нижний цилиндр большого диаметра входит рабочий ступенчатый поршень, шток которого сквозь расточку нижнего наддувочного поршня присоединен к траверсе, шарнирно соединенной с ориентированными вниз двумя шатунами кривошипно-шатунных механизмов с симметрично разнесенными осями кривошипов, синхронизированных на встречное вращение зацеплением соединенных с ними шестерен. В любом положении ступенчатого поршня шатуны симметрично наклонены и взаимно нейтрализуют боковые составляющие рабочих усилий. Наддувочный поршень аналогично штангой и траверсой шарнирно присоединен к другим, ориентированным вверх шатунам тех же кривошипов, занимающих другое симметричное положение. Полость над верхним малым поршнем является рабочей, полость между поршнями большого диаметра нижнего цилиндра является заборно-наддувочной, а кольцевая полость между диаметрами верхнего ступенчатого поршня является компрессорно-продувочной для воздушного охлаждения рабочего поршня изнутри. И верхний, и нижний поршни движутся одновременно, но с разными скоростями, периодически сближаясь и расходясь. Ввиду отсутствия бокового прижима поршней к стенкам цилиндров имеет малые потери энергии на внутреннее трение. Подачу топлива в рабочую полость после закрытия золотника впускного канала осуществляют форсункой. Подогрев чистого сжатого воздуха, подаваемого из заборно-наддувочной полости, осуществляют регенерацией тепла выхлопных газов.
Недостатками двигателя являются:
- повышенная сложность конструкции, высокий литражный вес, трудность настройки и регулировки;
- трудность уравновешивания инерционных усилий возвратно-поступательно и пространственно движущихся частей;
- заполнение рабочего цилиндра производится без предварительной его продувки, причем воздушный заряд подогрет теплом отработавших газов и сжат в компрессорной камере без промежуточного охлаждения, что повышает теплонапряженность деталей двигателя и снижает его долговечность.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения - прототипом является патент РФ №2157897, С 2 F 02 B, 33/16, 75/30. Двигатель внутреннего сгорания.
Двигатель имеет два оппозитно-соосных цилиндра, разделенных корпусом, оснащенным направляющими для соосных штоков 4-х поршней: 2-х внешних рабочих, закрепленных на концах рабочего штока, имеющего центральную опору присоединения к планетарным шатунам, и 2-х внутренних наддувочных, закрепленных на концах расположенного концентрично рабочему штоку наддувочного штока, имеющего в корпусе вид рамки, к шипам которой шарнирно присоединены два наддувочных шатуна, шарнирно присоединенных к шейкам соосных и встречно вращающихся кривошипов. К двум другим, диаметрально-противоположно расположенным шейкам кривошипов шарнирно присоединены планетарные шатуны, другим шарниром соединенные с центральной опорой рабочего штока, имеющие равные радиусам “е” кривошипов межцентровые расстояния “е”, чем образуются ромбические механизмы, удваивающие ход рабочих поршней и обеспечивающие планетарным шатунам вращение в центральной опоре рабочего штока встречно своим кривошипам с равной им скоростью. Вращение одного кривошипа тремя шестернями передается выходному валу, а вращение другого кривошипа на этот вал передается с таким же передаточным отношением двумя шестернями, что синхронизирует встречное вращение кривошипов. Наддувочные поршни оснащены концентричными их штокам кольцевыми подпружиненными обратными клапанами, а цилиндры оснащены выхлопными, перепускными и впускными каналами.
Двигатель работает по двухтактному циклу с наддувом из межпоршневых наддувочных полостей, имеющих за счет противонаправленного движения рабочих и наддувочных поршней существенно большие объемы, чем у рабочих камер. За счет применения двух рабочих цилиндров за один оборот кривошипов совершается два рабочих такта, что увеличивает мощность и плавность работы двигателя.
Противонаправленное движение рабочих и наддувочных поршней, имеющих расчетно-подобранные массы, полностью гасит вибрацию двигателя. Использование ромбического механизма и двухшатунного привода наддувочных поршней устраняет боковое давление поршней на стенки цилиндров, что существенно повышает механический КПД двигателя и срок его службы, позволяет исключить добавку масла в топливо, что повышает экологичность двигателя. Скоростные и тяжелонагруженные шарниры в корпусе двигателя имеют надежную жидкостную смазку маслом под давлением, что повышает КПД двигателя и снижает термонагруженность его деталей.
Недостатком двигателя является невозможность его запуска стартером непосредственным вращением его кривошипов, так как в срединном положении рабочих поршней, когда центральный шарнир рабочего штока становится соосным приводным кривошипам, а компрессия в наддувочной полости препятствует дальнейшему движению рабочего штока, то кривошипы и планетарные шатуны начинают вращаться совместно и рабочий шток останавливается. Для преодоления этого недостатка в систему стартерного запуска двигателя необходимо вводить в последствии отключаемый кулисный механизм, что усложняет двигатель.
Недостатком также является применение скоростных высоконагруженных пар скольжения, требующих введения в конструкцию двигателя системы смазки под давлением, предусматривающей сепарацию от воздуха циркулирующего масла и его охлаждения, что удорожает двигатель.
Технический результат направлен на устранение указанных недостатков, имеет целью повышение экономичности, снижение веса и увеличение моторесурса двигателя.
Технический результат достигается тем, что двигатель содержит корпус, к которому оппозитно присоединены несколько оснащенных впускными обратными подпружиненными клапанами, перепускными и выхлопными каналами, соосных цилиндров, из которых прилегающие к корпусу являются наддувочными для расположенных по их торцам рабочих цилиндров, рабочие поршни которых закреплены на концах оснащенных центральными опорными шарнирами рабочих штоков, пропущенных сквозь корпус и расположенных внутри наддувочных штоков, оснащенных опорными цапфами и имеющих на концах наддувочные поршни, что образует между наддувочными и рабочими поршнями компрессорные камеры, а между наружными торцами рабочих цилиндров и рабочими поршнями - рабочие камеры, переменность объемов всех камер обеспечивает планетарный прямолинейно-преобразующий механизм, соединенный с опорными шарнирами и цапфами рабочих и наддувочных штоков, и у которого отношение веса наддувочной компоновки к весу рабочей компоновки обратно пропорционально их прямолинейным и противонаправленным ходам, согласно предлагаемому изобретению к центральным опорным шарнирам рабочих штоков двигателя присоединены кулисы ведущими плечами, опорные шарниры которых выполнены на ползунах, скользящих по неподвижным направляющим, а ведомые плечи кулис шарнирно соединены с ползунами, скользящими по закрепленным на тягах направляющим, посредством чего ходы рабочих штоков кулисами преобразовываются в противонаправленные им ходы тяг, оснащенных на одном конце катящимися по направляющим катками, а другим концом шарнирно присоединенных к прямолинейно перемещающимся шипам сателлитов планетарных зубчатых механизмов, водила которых зубчатыми передачами соединены с выходным валом и имеют межцентровые расстояния “е”, равные радиусам “е” делительных окружностей сателлитов, входящих во внутреннее зацепление с центральными неподвижно закрепленными зубчатыми колесами, радиусы делительных окружностей которых равны “2е”, что обеспечивает прямолинейную траекторию движения осей шипов сателлитов с ходом “4е”, диаметрально зубчатым колесам, причем между опорными и ведомыми шарнирами кулис расположены шарниры привода наддувочных штоков, которые закреплены на ползунах, скользящих по закрепленным на них направляющим, и настроены таким образом, чтобы мертвое положение одного планетарного механизма и (соответствующих рабочих поршней) совпадало с срединным положением другого планетарного механизма. Подпружиненные обратные клапаны компрессорных камер расположены в стенках наддувочных цилиндров, что разгружает клапаны от инерционных сил. Отсутствие в исполнительном механизме предлагаемого двигателя скоростных высоконагруженных пар скольжения, замененных подшипниками качения, позволяет исключить систему смазки под давлением, что упрощает конструкцию двигателя. Уменьшение удельного количества зубчатых пар (на поршень) позволяет снизить массу двигателя, а совершение 4-х рабочих ходов за оборот двух водил позволяет повысить плавность работы двигателя.
На фиг.1 изображен предлагаемый двигатель в фазе сжатия горючей смеси в рабочей камере правого нижнего рабочего цилиндра; фазе завершения рабочего хода и начала продувки в рабочей камере левого нижнего рабочего цилиндра; фазе сгорания топлива в верхнем левом рабочем цилиндре; фазе рабочего хода в рабочей камере правого верхнего рабочего цилиндра; фазе заполнения горючей смесью компрессорных камер правого нижнего и левого верхнего наддувочных цилиндров и фазе сжатия горючей смеси в компрессорных камерах левого нижнего и правого верхнего наддувочных цилиндров.
На фиг.2 изображена схема прямолинейно-преобразующего механизма двигателя в положении разреза А-А на фиг.1.
Предлагаемый двигатель содержит верхние 1, 2 и нижние 3, 4 ступенчатые цилиндры, в которых расположены верхние 5, 6 и нижние 7, 8 рабочие поршни, закрепленные на концах рабочих штоков 9, 10, имеющих центральные опоры 11, 12. Рабочий шток 9 в верхнем цилиндре 1 проходит через наддувочный поршень 13, наддувочный шток 14, а в нижнем ступенчатом цилиндре 3 проходит через наддувочный шток 14 и наддувочный поршень 15. Рабочий шток 10 в верхнем ступенчатом цилиндре 2 проходит через наддувочный поршень 16, наддувочный шток 17, а в нижнем ступенчатом цилиндре 4 проходит через наддувочный шток 17 и наддувочный поршень 18. Ступенчатые цилиндры 1, 2, 3, 4 оснащены подпружиненными обратными клапанами 19, перепускными 20 и выхлопными 21 каналами. Наддувочный шток 14 оснащен поперечной штоку направляющей 22, по которой скользит ползун 23, шарнирно соединенный с кулисой 24, ведущее плечо которой соединено с центральной опорой 11 рабочего штока 9. Наддувочный шток 17 оснащен поперечной штоку направляющей 25, по которой скользит ползун 26, шарнирно соединенный с кулисой 27, ведущее плечо которой соединено с центральной опорой 12 рабочего штока 10. Ведомое плечо кулисы 24 шарнирно соединено с ползуном 28, скользящем по поперечной штокам направляющей 29 тяги 30, а опорный шарнир кулисы 24 расположен на ползуне 31, скользящем по поперечной штокам направляющей 32, закрепленной на корпусе двигателя. Ведомое плечо кулисы 27 шарнирно соединено с ползуном 33, скользящем по поперечной штокам направляющей 34 тяги 35, а опорный шарнир кулисы 27 расположен на ползуне 36, скользящем по поперечной штокам и подвижно закрепленной направляющей 37. Тяги 30, 35 с одного конца оснащены катками 38, а другими концами шарнирно присоединены к шипам 39, 40 сателлитов 41, 42 прямолинейно-преобразующих механизмов, водила 43, 44 которых шестернями 45, 46 соединены с шестерней 47 выходного вала 48. Шипы 39, 40 в абсолютном движении, при качении сателлитов 41, 42 по неподвижно закрепленным шестерням 49, 50 внутреннего зацепления, совершают прямолинейное возвратно поступательное движение с амплитудой L, обеспечивающей прочность зубчатого зацепления, а подбором плеч между ведущими и ведомыми шарнирами кулис 24, 27 обеспечивается требуемые хода S рабочих и S’ наддувочных поршней.
Амплитуда L равна учетверенному межцентровому расстоянию “е” планетарных механизмов, где “е” - радиус делительной окружности сателлитов 41, 42 и расстояние от их осей до осей пальцев 39, 40. Неподвижно закрепленные центральные шестерни 49, 50 внутреннего зацепления имеют вдвое большее число зубьев, чем у сателлитов 41, 42.
Рабочие камеры ступенчатых цилиндров 1, 2, 3, 4 оснащены свечами зажигания 51.
Двигатель работает следующим образом.
Левый верхний рабочий поршень 5 в левом верхнем ступенчатом цилиндре 1 при подходе к верхней мертвой точке (ВМТ) и левый верхний наддувочный поршень 13 при подходе к нижней мертвой точке (НМТ) осуществляют завершение сжатия горючей смеси (ГС) в рабочей полости и заканчивают всасывание в межпоршневую компрессорную камеру через открытый аэродинамическими силами подпружиненный обратный клапан 19 подготовленной в карбюраторе (условно не показан) ГС. При расчетном расстоянии верхнего рабочего поршня 5 от ВМТ свечей зажигания 51 поджигается горючая смесь и осуществляется ее сгорание. Правый нижний рабочий поршень 8 в правом нижнем ступенчатом цилиндре 4 и правый нижний наддувочный поршень 18 осуществляют сжатие ГС в рабочей камере и всасывание ГС в межпоршневую компрессорную камеру через открытый аэродинамическими силами подпружиненный обратный клапан 19. Совершающий рабочий ход вниз верхний правый рабочий поршень 6 и поднимающийся верхний правый наддувочный поршень 16 сжимают ГС в межпоршневой компрессорной камере, проталкивая ее в перепускной канал 20, где она сжимается. При дальнейшем сближении поршней 6 и 16 днище поршня 6 начинает открывать окна выхлопного канала 21 и отработанные газы (ОГ) начинают выходить. Через короткое время после открытия выхлопного канала 21 днище поршня 6 открывает окна перепускного канала 20, выходящие оттуда струи ГС выталкивают остатки ОГ и заполняют рабочую полость за время подхода поршня 6 к НМТ и отхода от нее до перекрытия перепускных окон канала 20 и выхлопных окон канала 21. При этом рабочее усилие, действующее на рабочий шток 10 в центральной опоре штока, действует на центральную опору 12 и шарнир кулисы 27, качающийся вокруг опорного шарнира, выполненного на ползуне 36, скользящем по поперечной штоку 10 неподвижной направляющей 37, приводит в движение шарнир наддувочного штока 17, выполненный на ползуне 26, и шарнир, выполненный на ползуне 33, скользящем по прикрепленной к тяге 35 направляющей 34, что приводит тягу 35 в движение, передаваемое шипу 40 планетарного прямолинейно-преобразующего механизма (ППМ). Шип 40, выполненный на сателлите 42 и удаленный от его оси на межцентровое расстояние “е” планетарного ППМ, вынуждает сателлит 42 катиться с угловой скоростью Wc по неподвижно закрепленной шестерне 50 внутреннего зацепления, имеющей вдвое больше число зубьев, чем у сателлита 42, что сообщает водилу 44 планетарного ППМ вращение с угловой скоростью Wb, величина которой равна Wc, но имеет противоположное направление.
Водило 44 и радиус оси шарнира шипа 40 сателлита 42 образуют ромбический механизм, позволяющий шипу 40 преобразовать прямолинейное перемещение тяги 35 с амплитудой L=4e во вращение водила 44, которое зубчатой передачей - шестернями 46, 47 передается выходному валу 48. Вращение выходного вала 48 зубчатой передачей 47, 45 сообщает вращение водилу 43 другого планетарного ППМ, осуществляющего привод рабочего штока 9 и наддувочного штока 14 цилиндров 1, 3. При этом шип 39 через тягу 30 движет шарнир кулисы 24, выполненный на ползуне 28, скользящем по направляющей 29 тяги 30. Поворот кулисы 24 сообщает центральной опоре 11 рабочего штока 9 движение противонаправленное наддувочному штоку 14, приводимому ползуном 23, скользящем по поперечной штоку 14 и закрепленной на нем направляющей 22. При этом левый нижний рабочий поршень 7 в левом нижнем ступенчатом цилиндре 3 и левый нижний наддувочный поршень 15 осуществляет переход от операции выталкивания остатков ОГ предыдущего рабочего хода и заполнения рабочей камеры ГС к операции сжатия ГС и операции заполнения компрессорной камеры ГС. В это время в верхнем ступенчатом цилиндре 1 происходит переход от операции сгорания ГС к операции рабочего хода поршня 5, а в компрессорной межпоршневой 5-13 камере происходит операция сжатия ГС. Клапан 19 цилиндра 1 аэродинамическими силами, ранее открытый, закрывается. Клапан 19 цилиндра 3, ранее закрытый, при перемене направления движения поршней 7, 15 открывается аэродинамическими силами.
Предлагаемое изобретение обладает всеми достоинствами прототипа:
- работой по 2-тактному циклу;
- конструктивно встроенным в двигатель компрессором, обеспечивающем на всех оборотах, вплоть до холостого хода, расчетный наддув;
- исключением бокового прижатия поршней к стенкам цилиндров, что позволяет отказаться от добавления масла в ГС;
- удалением камер сгорания двигателя от корпуса и отсечением их холодными компрессорными камерами;
- обеспечением полного отсутствия вибраций двигателя при качественной балансировке подбором масс противонаправленно движущихся рабочих и наддувочных компоновок;
- частичной разгрузкой деталей двигателя за счет противоположно рабочим действующих компрессионных усилий в рабочих камерах цилиндров.
Предлагаемое изобретение перед прототипом обладает следующими преимуществами:
- отсутствие высокоскоростных пар трения скольжения, нагруженных рабочими усилиями, позволяет осуществить смазку деталей двигателя обычным разбрызгиванием масла, что позволяет отказаться от системы смазки под давлением и это упрощает его конструкцию;
- применение 4-х рабочих камер повышает плавность работы двигателя, так как за один оборот водил ППМ совершается 4-е рабочих такта;
- на каждый цилиндр приходится только одна пара синхронизирующих зубчатых колес вместо 1,5 у прототипа.
Перечисленные преимущества позволяют уменьшить вес двигателя, повысить экономичность, снизить стоимость его изготовления и увеличить долговечность и сроки эксплуатации.
Формула изобретения
Двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, к которому оппозитно присоединены несколько оснащенных впускными обратными подпружиненными клапанами, перепускными и выхлопными каналами соосных цилиндров, из которых прилегающие к корпусу являются наддувочными для расположенных по их торцам рабочих цилиндров, рабочие поршни которых закреплены на концах, оснащенных центральными опорными шарнирами рабочих штоков, пропущенных сквозь корпус и расположенных внутри наддувочных штоков, оснащенных опорными цапфами и имеющих на концах наддувочные поршни, что образует между наддувочными и рабочими поршнями компрессорные камеры, а между наружными торцами рабочих цилиндров и рабочими поршнями - рабочие камеры, переменность объемов всех камер обеспечивает планетарный прямолинейно-преобразующий механизм, соединенный с опорными шарнирами и цапфами рабочих и наддувочных штоков, и у которого отношение веса наддувочной компоновки к весу рабочей компоновки обратно пропорционально их прямолинейным и противонаправленным ходам, отличающийся тем, что к центральным опорным шарнирам рабочих штоков присоединены кулисы ведущими плечами, опорные шарниры которых выполнены на ползунах, скользящих по неподвижным направляющим, а ведомые плечи кулис шарнирно соединены с ползунами, скользящими по закрепленным на тягах направляющим, посредством чего ходы рабочих штоков кулисами преобразовываются в противонаправленные им ходы тяг, оснащенных на одном конце катящимися по направляющим катками, а другим концом шарнирно присоединенных к прямолинейно перемещающимся шипам сателлитов планетарных зубчатых механизмов, водила которых зубчатыми передачами соединены с выходным валом и имеют межцентровые расстояния е, равные радиусам е делительных окружностей сателлитов, входящих во внутреннее зацепление с центральными, неподвижно закрепленными зубчатыми колесами, радиусы делительных окружностей которых равны 2е, что обеспечивает прямолинейную траекторию движения осей шипов сателлитов с ходом 4е диаметрально зубчатым колесам, причем между опорными и ведомыми шарнирами кулис расположены шарниры привода наддувочных штоков, которые закреплены на ползунах, скользящих по закрепленным на них направляющим.
