Поршневой маятниковый двигатель внутреннего сгорания и механизм преобразования маятниковых движений лопастей-поршней

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, в частности к конструкции маятникового двигателя внутреннего сгорания. Изобретение позволяет охлаждать лопасти-поршни, а также позволяет уменьшить трудоемкость изготовления механизма преобразования. Поршневой маятниковый двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр статора с перегородками, внутри которых расположен вал с лопастями-поршнями, боковые стенки, прилегающие к лопастям-поршням и образующие герметичные с изменяющимися объемами камеры, и механизм преобразования маятниковых движений лопастей-поршней во вращательное движение маховика. Лопасти-поршни имеют полости для подвода охлаждающей жидкости. Полости лопастей-поршней через каналы вала соединены с системой охлаждения цилиндра с возможностью автоматического регулирования количества подаваемой жидкости на охлаждение цилиндра и лопастей-поршней в зависимости от режима работы двигателя. Механизм преобразования маятниковых движений лопастей-поршней во вращательное движение маховика содержит зубчатое колесо, установленное на валу с лопастями-поршнями двигателя внутреннего сгорания, две шестерни, имеющие ограниченное число зубьев на части своего периметра и периодически вступающие в зацепление с зубчатым колесом. Одна из шестерен соединена с маховиком. Шестерни вне зоны ширины зубчатого кольца имеют полное число зубьев и находятся в постоянном зацеплении между собой. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), в частности к рабочим органам поршневых ДВС двойного действия, и может быть также использовано для создания избыточного давления или вакуума.

Двигатель внутреннего сгорания преобразует тепловую энергию топлива в механическую. Известен поршневой двигатель внутреннего сгорания (1), содержащий цилиндр, герметизированный с одной стороны головкой цилиндра с впускными и выпускными клапанами. В цилиндре размещен поршень, соединенный с кривошипно-шатунным механизмом. Горючая смесь или воздух подается (засасывается) в герметизируемую часть цилиндра и сжимается поршнем до некоторого значения, после чего горючая смесь воспламеняется искрой свечи зажигания - карбюраторный двигатель, если всасываемый воздух, то он при сжатии нагревается до необходимой для воспламенения температуры и в него впрыскивается необходимое количество топлива - дизельный двигатель. Сгорание топлива вызывает значительное повышение температуры и, следовательно, давления над поршнем, что заставляет поршень двигаться в обратном направлении с большим усилием и выполнять полезную работу, а также работу по осуществлению вспомогательных циклов: выхлопа, всасывания и сжатия, за счет энергии, накопленной в маховике во время рабочего хода. Возвратно-поступательное движение поршней преобразуется во вращательное движение маховика кривошипно-шатунным механизмом.

Недостатком известной конструкции ДВС является наличие больших боковых давлений поршня на стенки цилиндра, что приводит к их износу и потере мощности. Подвод и отвод смазки к месту больших давлений и отвод тепла от поршня эффективно (охлаждающей жидкостью) осуществить сложно, что особенно важно при применении водородного топлива.

Снабжение каждого поршня шатуном и коленвалом делает двигатель металлоемким и увеличивает площади трения при значительных рабочих давлениях, особенно при выводе шатуна из мертвой точки и примыкающей к ней зоны в пределах поворота коленвала на 10°, что снижает КПД двигателя.

Известен двигатель внутреннего сгорания с возвратно-качательным движением рабочих органов /2/, содержащий корпус с цилиндрической рабочей камерой, разделенной неподвижными замыкателями (перегородками) на рабочие полости, впускные и выпускные золотниковые клапаны.

Недостатком известной конструкции является сложность продувки рабочих камер и преобразование колебательных движений кривошипно-шатунным механизмом, имеющим низкий КПД.

Известен двигатель внутреннего сгорания /3/ с маятниковым движением ротора.

Недостатком известной конструкции является то, что лопасти-поршни не предусматривают охлаждения, без которого их работа невозможна, так как они нагреваются с обеих сторон, то есть работают еще в более тяжелом температурном режиме, чем поршни в классическом ДВС /1/. Кроме того, лопасти-поршни имеют малую неразвитую поверхность подвижного контакта со статором с установкой одной уплотнительной пластины, что не обеспечивает достаточной герметизации лопастей-поршней и цилиндра статора.

Использование кривошипно-шатунного механизма для преобразования колебательных движений вала ротора во вращательное движение маховика мало эффективно, так как КПД его весьма низок, кроме того, скорости прямого и обратного ходов не одинаковы, что усложняет настройку и эксплуатацию двигателя.

Известен двигатель внутреннего сгорания с маятниковым движением ротора с лопастями-поршнями /4/, впускными и выпускными золотниковыми клапанами, с преобразованием колебательных маятниковых движений ротора во вращательное маховика кривошипно-шатунным механизмом.

Недостатком известной конструкции является сложное осуществление продувки рабочих камер, отсутствие охлаждения лопастей-поршней, недостаточная величина их площади подвижного контакта со статором для обеспечения высокой герметичности.

Наиболее близким техническим решением по сущности и достигаемому техническому результату является маятниковый двигатель внутреннего сгорания /5/ с маятниковым движением ротора, которое преобразуется во вращательное кривошипно-шатунным механизмом.

Недостатком прототипа является отсутствие охлаждения лопастей-поршней, применение конических шестерен в механизме преобразования маятниковых колебаний ротора во вращательное рабочего вала ненадежно из-за сложности сохранения положения осей ведущих и ведомых шестерен, к чему они очень чувствительны, и плохой их работы при больших скоростях.

Задачей изобретения является создание поршневого маятникового ДВС, обеспечивающего подвод жидкостного охлаждения к лопастям-поршням в необходимом количестве в зависимости от режима работы двигателя. Замена конических шестерен механизма преобразования прямозубыми позволит уменьшить трудоемкость изготовления.

Задача изобретения решается за счет того, что в поршневом маятниковом двигателе внутреннего сгорания, содержащем цилиндр статора с перегородками, внутри которых расположен вал с лопастями-поршнями, боковые стенки, прилегающие к лопастям поршням и образующие герметичные с изменяющимися объемами камеры, и механизм преобразования маятниковых движений лопастей-поршней во вращательное движение маховика, лопасти-поршни имеют полости для подвода охлаждающей жидкости, согласно изобретению полости лопастей-поршней через каналы вала соединены с системой охлаждения цилиндра с возможностью автоматического регулирования количества подаваемой жидкости на охлаждение цилиндра и лопастей-поршней в зависимости от режима работы двигателя.

Преобразование маятникового (возвратно-поступательного) движения вала маятника с лопастями-поршнями во вращательное маховика или вращательного движения маховика в маятниковые возвратно-поступательные движения лопастей-поршней осуществляется механизмом, содержащим зубчатое колесо, установленное на валу с лопастями-поршнями двигателя внутреннего сгорания, две шестерни, имеющие ограниченное число зубьев на части своего периметра и периодически вступающие в зацепление с зубчатым колесом, причем одна из шестерен соединена с маховиком. Согласно изобретению шестерни вне зоны ширины зубчатого кольца имеют полное число зубьев и находятся в постоянном зацеплении между собой.

Сравнения заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники - патентами роторно-поршневых ДВС /2, 3, 4, 5/ не позволили выявить в них признаки, сходные с существенными отличительными признаками в заявляемом поршневом маятниковом двигателе и механизме преобразования маятниковых движений лопастей поршней, и поэтому позволили признать заявляемое решение соответствующим критерию «существенные отличия».

Изобретение поясняется чертежами:

на фиг.1 представлено поперечное сечение предлагаемого поршневого маятникового двигателя внутреннего сгорания;

на фиг.2 представлен шестеренчатый механизм преобразования возвратно-поступательного маятникового движения маятника с лопастями-поршнями во вращательное движение маховика и наоборот вращательного движения маховика в возвратно-поступательное движение маятника (поршня).

Поршневой маятниковый двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра статора 1 с перегородками 2, соединенными с головками блоков, и расположенного в нем вала маятника 3 с лопастями-поршнями 4. Для улучшения герметизации в местах подвижного контакта лопасти-поршни и перегородки имеют развитую поверхность, на которой установлены уплотнительные пластины 5. Лопасти-поршни имеют полости 6 для подвода охлаждающей жидкости. С торцов двигатель имеет боковые стенки 7, герметично прилегающие к лопастям-поршням с установленными на них опорными подшипниками для вала маятника. На вал маятника 3 за боковой стенкой 7 установлено зубчатое колесо (или рейка) 8, с которым входят в зацепление поочередно шестерни 9 и 10, имеющие некоторое ограниченное количество зубьев на ширине зубчатого колеса и полное вне его ширины с постоянным зацеплением между собой, что и представляет собой шестеренчатый механизм преобразования маятникового (возвратно-поступательного) движения вала маятника во вращательное маховика, соединенного с одной из шестерен, и наоборот вращательного движения маховика в маятниковое движение вала маятника с лопастями-поршнями.

Поршневой маятниковый двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. Пусковым устройством через шестеренчатый механизм преобразования прокручивается маятник на необходимый угол. Происходит перемещение лопастей-поршней от одной мертвой точки к другой мертвой точке и в обратном направлении, что приводит к изменению объемов рабочих камер, заключенных между перегородками статора, лопастями-поршнями и боковыми стенками. Увеличение объема одной из рабочих камер будет соответствовать всасыванию горючей смеси или воздуха, затем лопасть-поршень начнет движение в обратном направлении, камера начнет уменьшать свой объем, произойдет сжатие горючей смеси или воздуха. При определенной степени сжатия горючую смесь воспламеняют свечой зажигания или в сжатый воздух впрыскивают необходимую порцию топлива, которое воспламеняется из-за высокой температуры сжатого воздуха. Температура в рабочей камере резко возрастает и соответственно возрастает давление, которое воздействует на лопасти-поршни, поворачивая маятник на некоторый угол. Совершая соответствующую работу, объем камеры увеличивается, затем объем камеры уменьшается, происходит вытеснение отработавших газов, затем процесс повторяется.

Таким же образом работают и другие рабочие камеры, которые находятся с обеих сторон лопастей-поршней, и их количество зависит от количества перегородок статора. Работа двигателя происходит при постоянной подаче охлаждающей жидкости в полости лопастей-поршней через каналы вала маятника, соединенные с автоматическим регулированием количества подаваемой жидкости на охлаждение цилиндра, головок цилиндра с перегородками и маятника с лопастями-поршнями.

С валом маятника соединен шестеренчатый механизм преобразования маятниковых движений во вращательное, работа которого осуществляется следующим образом.

На вал маятника установлено зубчатое колесо, с которым периодически входят в зацепление две шестерни, которые имеют по ограниченной группе зубьев, расположенных таким образом, что при заданном повороте зубчатого колеса, от одного крайнего положения к другому, с ним в зацепление входит одна из шестерен. При подходе зубчатого колеса к крайнему положению зубья шестерни, входящей в зацепление, заканчиваются и зубчатое колесо прекращает вращать эту шестерню. К зубьям зубчатого колеса подходят зубья второй шестерни, направление вращения которой соответствует перемещению зубчатого колеса в противоположном направлении.

Использование заявляемых изобретений позволит за счет конструктивных особенностей увеличить надежность двигателя с механизмом преобразования колебательных движений во вращательное, осуществлять регулируемое жидкостное охлаждение лопастей-поршней параллельно с охлаждением цилиндра статора и головок, поддерживая необходимый температурный режим, сохраняя оптимальный зазор между лопастями-поршнями и цилиндром статора, и снизить интенсивность смазки.

Источники информации

1. В.М.Семенов, В.Н.Власенко. Трактор. Москва, ВО Агропромиздат, 1989 (стр.23-36; 106).

2. RU 24705 U1, опубл. 20.08.2002.

3. DE 10119373 А1, опубл. 11.10.1997.

4. DE 20607586 А1, опубл. 08.09.1977.

5. US 4539941 А, опубл. 10.09.1985.

6. С.Н.Кожевников, Я.И.Есипенко, Я.М.Раскин. «Элементы механизмов», Оборониздат, Москва, 1956 (фиг.2503, 2492).

1. Поршневой маятниковый двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр статора с перегородками, внутри которых расположен вал с лопастями-поршнями, боковые стенки, прилегающие к лопастям-поршням и образующие герметичные с изменяющимися объемами камеры, и механизм преобразования маятниковых движений лопастей-поршней во вращательное движение маховика, причем лопасти-поршни имеют полости для подвода охлаждающей жидкости, отличающийся тем, что полости лопастей-поршней через каналы вала соединены с системой охлаждения цилиндра с возможностью автоматического регулирования количества подаваемой жидкости на охлаждение цилиндра и лопастей-поршней в зависимости от режима работы двигателя.

2. Механизм преобразования маятниковых движений лопастей-поршней во вращательное движение маховика, содержащий зубчатое колесо, установленное на валу с лопастями-поршнями двигателя внутреннего сгорания, две шестерни, имеющие ограниченное число зубьев на части своего периметра и периодически вступающие в зацепление с зубчатым колесом, причем одна из шестерен соединена с маховиком, отличающийся тем, что шестерни вне зоны ширины зубчатого кольца имеют полное число зубьев и находятся в постоянном зацеплении между собой.