Двигатель внутреннего сгорания
Изобретение относится к машиностроению, в частности к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания. Технический результат заключается в увеличении мощности, повышении экономичности, снижении потерь крутящего момента и повышении оборотов двигателя. Согласно изобретению двигатель содержит корпус с установленным в нем вращающимся блоком цилиндров, в котором выполнены цилиндрические камеры для размещения в них плавающих цилиндров с поршнями, и шестеренчато-кривошипно-шатунный силовой механизм с передаточным отношением неподвижных и подвижных шестерен, равным двум. Блок цилиндров установлен в корпусе с зазором и со смещением его центра относительно центра корпуса. Каждый плавающий цилиндр состоит из гильзы и асимметричной головки и установлен с возможностью его возвратно-поступательного движения в соответствующей цилиндрической камере блока цилиндров. В каждой асимметричной головке размещены клапанный механизм и свеча зажигания, срабатывающая от токораспределителя, установленного в корпусе. Возвратно-поступательное движение плавающих цилиндров обеспечивается за счет силового механизма их привода, выполненного из силовых тяг, шарнирно связанных посредством пальцев с асимметричными головками и посредством опорных балок с обоймами, установленными на подшипниках качения в корпусе. При этом центры обойм, установленных на подшипниках качения, совпадают с центром корпуса. Выполнение двигателя согласно изобретению обеспечивает продолженное расширение газов в рабочих камерах плавающих цилиндров. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, к конструкциям роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания, и может использоваться в качестве силовых установок как для автотранспорта, так и для различных машин и механизмов.
Известны двигатели внутреннего сгорания с вращающимися блоками цилиндров.
Известен двигатель внутреннего сгорания (см. пат. US 2990820 от 04.07.1961 г.), содержащий вращающийся блок цилиндров с цилиндрами и шестеренчато-кривошипно-шатунный силовой механизм (ШКШСМ) с передаточным отношением неподвижной и подвижных шестерен, равным четырем.
Недостатками данного аналога являются относительно низкая экономичность, большие потери крутящего момента от действующих на цилиндропоршневую группу боковых сил, направленных против вращения блока цилиндров, и сил трения, низкие обороты.
Известен двигатель внутреннего сгорания (см. пат. RU 2213235 от 27.09.2003 г.), содержащий вращающийся блок цилиндров, в котором выполнено радиальное размещение поршней, и ШКШСМ с передаточным отношением неподвижной и подвижных шестерен, равным трем.
Недостатками данного аналога являются наличие потерь крутящего момента, обусловленное радиальным расположением цилиндров, при котором максимальному давлению газа в рабочих камерах цилиндров соответствуют минимальные силы, вращающие блок цилиндров, низкие обороты и недостаточная экономичность.
Наиболее близким по своей технической сущности является двигатель внутреннего сгорания по пат. ЕР 1128035 от 29.08.2001 г, МПК F02B 57/08; F01B 13/06; F01B, 13/04; F01B 1/12. Двигатель-прототип состоит из корпуса с рабочей внутренней цилиндрической поверхностью, вращающегося блока цилиндров с рабочей наружной цилиндрической поверхностью, в котором выполнены цилиндрические камеры для установки поршней, и ШКШСМ с передаточным отношением неподвижной и подвижных шестерен, равным четырем. Надпоршневые полости цилиндрических камер и внутренняя рабочая цилиндрическая поверхность корпуса образуют рабочие камеры двигателя. Оси цилиндрических камер в исходном состоянии параллельны основным осям корпуса.
Недостатками известного двигателя являются относительно низкая экономичность (по расходу топлива он не имеет преимуществ перед обычными двигателями внутреннего сгорания), относительно большие потери крутящего момента от боковых сил, действующих против вращения блока цилиндров. Боковые силы возникают из-за несимметричных срезов цилиндрических рабочих камер и их параллельного расположения относительно основных осей корпуса. Кроме этого, прототип имеет низкие обороты, обусловленные тем, что передаточное отношение неподвижной и подвижных шестерен ШКШСМ принято равным четырем.
Целью изобретения является разработка двигателя внутреннего сгорания, обеспечивающего повышение экономичности (увеличение мощности без увеличения подачи, топлива), снижение потерь крутящего момента и повышение оборотов (быстроходности двигателя).
Поставленная цель достигается тем, что в известном двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус с установленным в нем вращающимся блоком цилиндров, в котором выполнены цилиндрические камеры для размещения в них поршней, и ШКШСМ, дополнительно введены плавающие цилиндры, силовой механизм привода цилиндров (СМПЦ) и опорные подшипники плавающих цилиндров. Новым также является то, что каждый плавающий цилиндр состоит из гильзы и асимметричной головки и установлен с возможностью его возвратно-поступательного движения в соответствующей цилиндрической камере блока цилиндров. В каждой асимметричной головке размещены клапанный механизм и свеча зажигания, срабатывающая от токораспределителя, установленного в отверстии корпуса. Ось каждого плавающего цилиндра образует с осью шатуна, совпадающей с осью колена ШКШСМ, установочный угол α, а точка их пересечения, центр пальца поршня, расположена на прямой, проходящей через центр блока цилиндров под углом γ относительно его вертикальной оси. Угол α выбран в пределах 3-6 градусов, а угол γ в пределах. 38-42 градуса. СМПЦ выполнен из силовых тяг, шарнирно закрепленных к асимметричным головкам, опорных балок, обойм и подшипников качения, при этом их центры совпадают с центром корпуса. Опорные подшипники плавающих цилиндров установлены в блоке цилиндров и контактируют с цилиндрическими поверхностями их гильз. Кроме того, блок цилиндров установлен в корпусе с зазором и со смещением его центра относительно центра корпуса по прямой, проходящей через центр корпуса перпендикулярно прямой, проходящей через центр шарнирного крепления асимметричной головки и центр корпуса, при этом она ориентирована параллельно или под углом β=1-2 градуса относительно оси плавающего цилиндра. ШКШСМ выполнен с передаточным отношением неподвижных и подвижных шестерен, равным двум.
Благодаря указанной новой совокупности существенных признаков обеспечивается продолженное расширение газов в рабочих камерах плавающих цилиндров, ориентирование боковых сил, действующих на цилиндропоршневую группу, в сторону вращения блока цилиндров на начальном и конечном этапах тактов «расширение», что обеспечивает их взаимокомпенсацию, выполнение новой конструктивной схемы двигателя на основе ШКШСМ с передаточным отношением неподвижной и подвижных шестерен, равным двум, что обуславливает более высокую экономичность (повышение мощности без увеличения подачи топлива), снижение потерь крутящего момента и повышение быстроходности, т.е. реализацию сформулированного технического эффекта.
Проведенный анализ патентных и специальных источников информации позволил установить, что в них отсутствуют аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественной всем существенным признакам заявленного решения, что указывает на соответствие заявленного двигателя внутреннего сгорания условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях знаний с целью выявления в них отличительных признаков заявленного объекта показали, что они не следуют явным образом из известных источников информации. Также не выявлена известность влияния отличительных, существенных признаков на достижение заявленного результата, что указывает на соответствие заявленного объекта условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Заявленный двигатель внутреннего сгорания поясняется чертежами, на которых показано:
- на фиг.1, фиг.2 и фиг.4 - конструктивная схема двигателя;
- на фиг.3 - основные сечения, поясняющие конструкции основных узлов;
- на фиг.5 - графики изменения давления газа в рабочих камерах двигателя-прототипа и заявленного двигателя внутреннего сгорания.
Заявленный двигатель внутреннего сгорания, представленный на фиг.1-4 состоит из корпуса 1, в котором установлен вращающийся блок цилиндров 2 с зазором и со смещением его центра 02 относительно центра 01 корпуса 1, ШКШСМ и СМПЦ. В блоке цилиндров 2 выполнены цилиндрические камеры, в которых установлены плавающие цилиндры 3 с поршнями 4. Каждый плавающий цилиндр 3, состоящий из гильзы и асимметричной головки, установлен с возможностью его возвратно-поступательного движения в соответствующей цилиндрической камере блока цилиндров 2, причем в каждой асимметричной головке размещены клапанный механизм 12 и свеча зажигания 11, срабатывающая (по принципу работы бегунка в распределителе зажигания обычного двигателя) от токораспределителя 13, установленного в отверстии корпуса 1. Токораспределитель 13 представляет собой изолированный высоковольтный контакт, к которому подключается провод высокого напряжения. Клапанный механизм 12 состоит из клапана наполнения 21 и клапана выпуска 25, срабатывающих при набегании роликов 24 на направляющие 23, установленные на внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1. В асимметричных головках установлены патрубки 22, входящие аналогично поршням в каналы подачи топливно-воздушной смеси 16 в блоке цилиндров 2. Ось каждого плавающего цилиндра 3 наклонена и образует с осью шатуна 5, совпадающей с осью колена 6, установочный угол α, а точка их пересечения, центр пальца 28, расположена на прямой, проходящей из центра блока цилиндров 2 под углом γ относительно его вертикальной оси (см. фиг.4б). ШКШСМ выполнен из шатунов 5, колен 6, на концах которых жестко закреплены шестерни 7 и 17, входящие в зацепление соответственно с неподвижными шестернями 8 и 9, установленными на корпусе 1. Передаточное отношение шестерней 7, 17 и шестерней 8, 9 принято равным двум. СМПЦ выполнен из силовых тяг 20, которые шарнирно закреплены пальцами 19 к асимметричным головкам плавающих цилиндров 3, опорных балок 18, обойм 15 и подшипников качения 10, при этом их центры совпадают с центром корпуса 1. В блоке цилиндров 2, для снижения сил трения при возвратно-поступательных движениях плавающих цилиндров 3, установлены опорные подшипники 14, контактирующие с цилиндрическими поверхностями их гильз. В корпусе 1 выполнено отверстие 26, вытянутое по окружности длиной, равной части длины окружности, проходящей клапаном выпуска 25 при такте «выпуск», через которое осуществляется выпуск отработанных газов в выхлопной коллектор 27.
На фиг.4а показано положение центров 01 корпуса 1 и 02 блока цилиндров 2 у прототипа. В заявленном двигателе центр 02 блока цилиндров 2 смещен относительно центра 01 корпуса 1 на расстояние L (см. фиг.4б) по прямой, проходящей через центр 01 перпендикулярно прямой, проходящей через центр шарнирного крепления асимметричной головки плавающего цилиндра и центр 01, при этом она ориентирована параллельно или под углом β относительно оси плавающего цилиндра. Чем большее принимается значение L, тем больше повышается мощность.
Заявленный двигатель работает следующим образом. В нем используется новый принцип работы, при котором цилиндры не только вращаются, но и совершают возвратно-поступательные движения в цилиндрических камерах блока цилиндров. При срабатывании свечи зажигания 11 в плавающем цилиндре 3 от токораспределителя 13 и воспламенении топливно-воздушной смеси давление газа передается на асимметричную головку плавающего цилиндра 3 и через силовые тяги 20, опорную балку 18, обоймы 15 и опорные подшипники качения 10 СМПЦ на корпус 1, а также на поршень 4, шатун 5 и через колено 6 на блок цилиндров 2, придавая ему вращательное движение. При этом шестерни 7, 17 колена 6 обегают неподвижные шестерни 8, 9 и колено совершает вращательное движение вокруг своей оси. Под действием давления газа поршень 4 перемещается из верхней мертвой точки (ВМТ) в нижнюю мертвую точку (НМТ), продолжая вращать блок цилиндров 2 и СМПЦ, который, за счет смещения осей вращения опорных подшипников качения 10 относительно оси вращения блока цилиндров 2, силовыми тягами 20 приводит в движение плавающий цилиндр 3 в направлении движения поршня 4, сохраняя высокое давление в рабочей камере. Так как передаточное отношение неподвижных шестерней 8, 9 и подвижных шестерней 7, 17 выбрано равным двум, то поршень 4, двигаясь из ВМТ в НМТ, завершая рабочий такт «расширение», повернет колено и шестерни 7, 17 на 180 градусов, а блок цилиндров 2 на 90 градусов, при этом цилиндр переместится в направлении движения поршня на величину смещения. При дальнейшем вращении блока цилиндров на 180 градусов шестерни 7, 17 обегают неподвижные шестерни 8, 9, вращая колено 6 на вторую половину первого оборота. Поршень 4 двигается из НМТ в ВМТ, осуществляет такт «выпуск», при этом ролик 24 клапана выпуска 25 набегает на направляющую 23 и открывает клапан, газы через отверстие 26 поступают в выпускной коллектор 27. Блок цилиндров 2 повернется на половину оборота, колено - на один оборот, поршень займет положение в ВМТ, цилиндр переместится в исходное положение, ролик выпускного клапана 24 сбегает с направляющей 23, клапан закрывается, такт «выпуск» завершается.
При такте «наполнение» блок цилиндров 2 вращается до 270 градусов, шестерни 7, 17, продолжая огибать неподвижные шестерни 8, 9, вращают колено 6 на половину второго оборота, при этом поршень 4 перемещается из ВМТ в НМТ, плавающий цилиндр 3, под действием силовых тяг 20, перемещается в противоположном поршню направлении на величину смещения, увеличивая рабочий объем цилиндра, ролик клапана наполнения 21 набегает на свою направляющую и открывает клапан, топливно-воздушная смесь по каналу 16 и патрубку 22 поступает в рабочую камеру. По завершении такта ролик клапана сбегает с направляющей, клапан 21 закрывается. При достижении минимальных зазоров между корпусом и клапанными механизмами возможно наполнение цилиндров по схеме выпуска, при этом оба клапана могут быть использованы как на наполнение, так и на выпуск.
При такте «сжатие» блок цилиндров вращается на 360 градусов, шестерни 7, 17, заканчивая огибать неподвижные шестерни 8, 9, вращают колено 6 на вторую половину второго оборота, поршень 4 перемещается из НМТ в ВМТ, сжимая топливно-воздушную смесь, плавающий цилиндр 3 возвращается в исходное положение. Описанные процессы в остальных цилиндрах протекают аналогично. Порядок работы цилиндров 1-2-3-4.
Повышение экономичности двигателя, т.е. повышение мощности без увеличения подачи топлива, достигается тем, что применены плавающие цилиндры с асимметричными головками и СМПЦ, обеспечивающий движение плавающих цилиндров в цилиндрических камерах блока цилиндров при рабочих тактах «расширение» в направлении движения поршней, при этом на начальных этапах тактов объем рабочих камер поддерживается постоянным (поддерживается высокое давление газа), затем увеличивается гораздо медленнее, чем у аналога, что позволяет организовать рабочие циклы с продолженным расширением газа. О примерной величине повышения мощности заявленного двигателя внутреннего сгорания по сравнению с двигателем-прототипом говорят графики изменения давления газов (Рг.-1) в их рабочих камерах, представленных на Фиг.5. Так как процесс расширения газа в рабочей камере двигателя-прототипа протекает аналогично расширению газа в рабочей камере цилиндра обычного двигателя внутреннего сгорания, то к нему применим график, представленный в литературе (см. Дьяченко Н.Х. Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания. Машиностроение. 1979 г., стр.36, рис.11.2). График изменения давления газа в рабочей камере цилиндра заявленного двигателя внутреннего сгорания построен с учетом сравнительного анализа изменения ее объемов и объемов рабочей камеры двигателя-прототипа при вращении колен от 0 до 180 градусов. Так, например, при вращении колен на 20 градусов объем рабочей камеры двигателя-прототипа увеличится за счет движения поршня из ВМТ на 3 мм и, следовательно, давление понизится, а в заявленном двигателе оно не изменится, т.к. поршень сместится на 2 мм и цилиндр на то же расстояние в направлении движения поршня чем и сохранит объем рабочей камеры. При повороте колен на 30 градусов поршень двигателя-прототипа переместится на 6 мм, что приводит к резкому падению давления в рабочей камере, а поршень и цилиндр в заявленном двигателе на 6 мм и 3 мм соответственно, при этом объем рабочей камеры, а следовательно и давление газа, будет равен объему рабочей камеры двигателя-прототипа при повороте его колена на 20 градусов и т.д. Как следует из графиков, повышение мощности заявленного двигателя примерно составит до 45 процентов. При этом в заявленном двигателе приняты: расстояние между центрами неподвижных и подвижных шестерен ШКШСМ 70,5 мм, ход поршня 60 мм, смещение центра блока цилиндров относительно центра корпуса 12 мм, угол α 6 градусов, угол β 2 градуса, а в двигателе-прототипе ход поршня 70 мм.
Снижение потерь крутящего момента двигателя от боковых сил, действующих на цилиндропоршневую группу, направленных против вращения блока цилиндров, и сил трения достигается тем, что ось каждого плавающего цилиндра в исходном положении наклонена и образует с осью шатуна, совпадающей с осью колена, установочный угол α, позволяющий направить боковые силы в направлении вращения блока цилиндров на начальном и завершающем этапах тактов «расширение», что обеспечивает их взаимокомпенсацию, а также установкой блока цилиндров в корпусе с зазором, позволяющим исключить из рабочего процесса внутреннюю цилиндрическую поверхность корпуса и наружную цилиндрическую поверхность блока цилиндров, применением подшипников качения СМПЦ и опорных подшипников плавающих цилиндров.
Повышение быстроходности достигается выполнением новой конструктивной схемы двигателя на основе ШКШСМ с передаточным отношением неподвижных и подвижных шестерен, равным двум.
1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с установленным в нем вращающимся блоком цилиндров, в котором выполнены цилиндрические камеры для размещения в них поршней, и шестеренчато-кривошипно-шатунный силовой механизм, отличающийся тем, что дополнительно введены плавающие цилиндры, силовой механизм привода цилиндров и опорные подшипники плавающих цилиндров, каждый плавающий цилиндр состоит из гильзы и асимметричной головки и установлен с возможностью его возвратно-поступательного движения в соответствующей цилиндрической камере блока цилиндров, причем в каждой асимметричной головке размещены клапанный механизм и свеча зажигания, срабатывающая от токораспределителя, установленного в отверстии корпуса, при этом ось каждого плавающего цилиндра образует с осью шатуна, совпадающей с осью колена шестеренчато-кривошипно-шатунного силового механизма, установочный угол α, а точка их пересечения, центр пальца поршня, расположена на прямой, проходящей через центр блока цилиндров под углом γ относительно его вертикальной оси, силовой механизм привода цилиндров выполнен из силовых тяг, шарнирно закрепленных с асимметричными головками, опорных балок, обойм и подшипников качения, которые установлены в корпусе, при этом их центры совпадают с центром корпуса, опорные подшипники плавающих цилиндров установлены в блоке цилиндров и контактируют с цилиндрическими поверхностями их гильз, кроме того блок цилиндров установлен в корпусе с зазором и со смещением его центра относительно центра корпуса по прямой, проходящей через центр корпуса перпендикулярно прямой, проходящей через центр шарнирного крепления асимметричной головки и центр корпуса, при этом она ориентирована параллельно, или под углом β относительно оси плавающего цилиндра, а шестеренчато-кривошипно-шатунный силовой механизм выполнен с передаточным отношением неподвижных и подвижных шестерен, равным двум.
2. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что прямая, проходящая через центр корпуса, на которой расположен центр шарнирного крепления головки цилиндра, ориентирована параллельно, или под углом β=1-2°, относительно оси плавающего цилиндра.
3. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что установочный угол α выбран в интервале 3-6°.
4. Двигатель внутреннего сгорания поп.1, отличающийся тем, что прямая, проходящая через центр блока цилиндров, на которой расположен центр пальца поршня, ориентирована под углом γ=38-42° относительно вертикальной оси блока цилиндров.
