Двухтактный детонационный двигатель

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания с компрессионным или детонационным воспламенением рабочей смеси. Техническим результатом является увеличение ресурса двигателя и повышение экономичности. Сущность изобретения заключается в том, что одни концы шатунов связаны с поршнями, а другие - с наклонным диском с помощью шаровых опор, в наклонном диске установлены втулки с помощью прямобочного шлицевого соединения, центрирование которого выполнено по боковым поверхностям зубьев. Впускные цилиндры установлены в корпусе и смещены по фазе относительно рабочих на 90°. Полости впускных цилиндров попарно связаны с впускными окнами рабочих цилиндров по направлению вращения вала, а крестовина размещена внутри наклонного диска. Двигатель с компрессионным самовоспламенением снабжен механизмом ограничения давления в камерах сгорания с упругими элементами с возможностью регулирования усилия их сжатия. Механизм регулирования степени сжатия снабжен гидроцилиндрами с поршнями, полости которых связаны между собой и с полостью регулирующего гидроцилиндра, которые образуют замкнутый объем, заполненный жидкостью с возможностью автоматического и управляемого регулирования степени сжатия. 7 ил.

 

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания с компрессионным или детонационным воспламенением рабочей смеси.

Известен механизм для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, которое может быть использовано в качестве двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус, размещенный в нем вал с косым стаканом, установленный на последнем с возможностью вращения наклонный диск, шарнирно связанная с ним крестовина, установленная в корпусе с возможностью качания в плоскости, перпендикулярной оси качания наклонного диска, шатуны, связанные с наклонным диском с помощью шаровых опор (Кожевников С.Н. Механизмы. - М.: Машиностроение, 1976, с.544, рис.9.22).

Недостатком данного механизма является снижение ресурса из-за больших удельных давлений на кромках опор наклонного диска с косым стаканом, а также большие габариты и вес крестовины.

Известен двухтактный детонационный двигатель, содержащий корпус, по меньшей мере два рабочих цилиндра, вал, шарнир неравных угловых скоростей, наклонный диск, поршни, размещенные в рабочих цилиндрах, и шарнирно связанные с головками шатунов, а другие головки шатунов шарнирно связаны с крестовиной. Колено вала выполнено в виде косого стакана, установлено на нем с помощью подвижного шлицевого соединения, косой стакан и связанный с ним наклонный диск имеют рабочие поверхности по обе стороны от оси качания крестовины. Связь наклонного диска с косым стаканом и крестовиной осуществлена посредством самоустанавливающихся вкладышей. Оппозитно и в противофазе имеющимся поршням, шатунам, крестовине, наклонному диску, косому стакану установлены такие же и связанные между собой таким же образом соответственно поршни, шатуны, крестовина, наклонный диск и косой стакан. Содержит механизм ограничения давления в камерах сгорания и устройство регулирования степени сжатия. В качестве нагнетателя использованы подпоршневые полости, в которых выполнены окна, а на вале выполнены паз и кольцевая выточка. Впускные окна выполнены в два ряда в каждом рабочем цилиндре и соответственно раздельно связаны с подпоршневыми полостями этого цилиндра посредством трактов, причем впускные окна, связанные с трактом, в который подают топливо, расположены последними от ВМТ и выполнены с наклоном, а двигатель имеет прямоточно-щелевую продувку. Механизм ограничения давления в камерах сгорания содержит подвижные кольца, установленные в корпусе с помощью направляющих пальцев и соответственно шарнирно связанные с крестовинами, упругие элементы в виде пружин или пневматических шин прижимают подвижные кольца в сторону камеры сгорания, причем усилие сжатия упругих элементов не меньше усилия сжатия рабочей смеси в момент ее самовоспламенения в конце сжатия, и предусмотрена возможность регулирования усилия сжатия упругих элементов. Устройство регулирования степени сжатия включает в себя механизм ограничения давления в камерах сгорания и дополнительно содержит гидроцилиндры, установленные в корпусе, поршни которых взаимодействуют с подвижными кольцами, полости гидроцилиндров связаны между собой и с полостью регулирующего гидроцилиндра, которые образуют замкнутый объем, заполненный жидкостью, и предусмотрена возможность автоматического регулирования степени сжатия за счет температурного расширения или сжатия жидкости, винт установлен в корпусе регулирующего гидроцилиндра и взаимодействует одним концом с поршнем регулирующего гидроцилиндра, а другим концом связан с исполнительным устройством, и предусмотрена возможность управляемого регулирования степени сжатия (заявка на изобретение РФ №2011131183, F02B 75/04, F02B 75/26, опубл. 10.03.2013).

Недостатками двухтактного детонационного двигателя по заявке на изобретение РФ №2011131183 являются: самоустанавливающиеся вкладыши имеют большую податливость, в связи с чем возникают трапецеидальные эпюры давлений в опорах шарнира неравных угловых скоростей и как следствие большие удельные давления на наружных кромках опор наклонного диска с косым стаканом и крестовиной, которые снижают ресурс; сложность организации смазки цилиндропоршневых групп; не исключены потери рабочей смеси в процессе продувки на всем диапазоне частоты вращения вала; большие габариты и вес крестовины; возникновение продольных вибраций косого стакана относительно наклонного диска в процессе срабатывания механизма ограничения давления в камерах сгорания; большое количество пружин и возможность перекоса подвижных колец при срабатывании механизма ограничения давления в камерах сгорания.

Данное техническое решение принято за прототип. Задача, решаемая изобретением, заключается в создании надежного, долговечного и экономичного двигателя внутреннего сгорания.

Технический результат при использовании изобретения состоит в увеличении ресурса двигателя из-за выравнивания удельных давлений в опорах шарнира неравных угловых скоростей и простоты смазки цилиндропоршневых групп, повышении экономичности за счет исключения потерь при смене рабочей смеси на всем диапазоне частоты вращения вала, предотвращении продольных вибраций и перекосов шарнира неравных угловых скоростей при срабатывании механизма ограничения давления в камерах сгорания.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус, по меньшей мере два рабочих цилиндра, шарнир неравных угловых скоростей, наклонный диск, поршни, размещенные в рабочих цилиндрах, шатуны, вал, установленный на нем с помощью подвижного шлицевого соединения косой стакан, крестовину, установленные оппозитно и в противофазе имеющимся поршням, шатунам, крестовине, наклонному диску, косому стакану, такие же и связанные между собой таким же образом соответственно поршни, шатуны, крестовина, наклонный диск и косой стакан, механизм ограничения давления в камерах сгорания и механизм регулирования степени сжатия, упругие элементы в виде пружин или пневматических шин с усилием их сжатия не меньше усилия сжатия рабочей смеси, необходимого для компрессионного самовоспламенения в конце сжатия, и предусмотрена возможность регулирования усилия их сжатия, гидроцилиндры с поршнями, полости которых связаны между собой и с полостью регулирующего гидроцилиндра, которые образуют замкнутый объем, заполненный жидкостью, и предусмотрена возможность автоматического регулирования степени сжатия за счет температурного расширения или сжатия жидкости, винт, установленный в корпусе регулирующего гидроцилиндра и взаимодействующий одним концом с поршнем регулирующего гидроцилиндра, а другим концом связанный с исполнительным устройством, и предусмотрена возможность управляемого регулирования степени сжатия, согласно изобретению одни концы шатунов связаны с поршнями, а другие - с наклонным диском с помощью шаровых опор. В наклонном диске установлены втулки с помощью прямобочного шлицевого соединения, центрирование которого выполнено по боковым поверхностям зубьев. Впускные цилиндры установлены в корпусе соосно рабочим цилиндрам и смещены по фазе относительно последних на 90°. Впускные поршни жестко связаны с штоками, а их наружная поверхность выполнена сферической, другие головки штоков с помощью шаровых опор связаны с наклонным диском. Полости впускных цилиндров попарно связаны с впускными окнами рабочих цилиндров по направлению вращения вала. Крестовина конструктивно размещена внутри наклонного диска. Пальцы установлены в крестовине вдоль оси ее качания и шарнирно связаны с подпятником, части которого стянуты между собой болтами и установлены в канавке косого стакана. Поворотные стойки шарнирно установлены в корпусе, полые рычаги выполнены на концах поворотных стоек и связаны с крестовиной с помощью самоустанавливающихся подшипников. Тяга шарнирно связана с поворотными стойками. Двуплечие рычаги установлены на поворотных стойках с помощью шлицевого соединения и одними концами взаимодействуют с упругим элементом, а другие их концы шарнирно связаны с упорными ползунами, которые, в свою очередь, установлены подвижно в поршнях гидроцилиндра, а косой стакан со стороны выпускных окон по фазе смещен в среднем на 20° вперед по направлению вращения вала относительно другого косого стакана.

Изобретение иллюстрировано:

Фиг. 1 - вид А-А фиг. 2, сложный продольный разрез двухтактного детонационного двигателя.

Фиг. 2 - вид Б-Б фиг. 1, поперечный разрез.

Фиг. 3 - сечение В-В фиг. 1.

Фиг. 4 - разрез Г-Г фиг. 1.

Фиг. 5 - разрез Д-Д фиг. 1.

Фиг. 6 - вид Е фиг. 1 со схемой действия сил.

Фиг. 7 - разрез Ж-Ж фиг. 6 с схемой действия сил.

При конструктивной связи шатунов с наклонным диском давление от газовых сил в опорах наклонного диска с крестовиной распределятся равномерно, что повышает их ресурс.

Установка в наклонном диске втулок с помощью прямобочного шлицевого соединения, центрирование которого выполнено по боковым поверхностям зубьев, позволяет получить в опорах наклонного диска с косым стаканом равномерную эпюру давлений, что повышает их ресурс.

Установка в корпусе впускных цилиндров со смещением по фазе относительно последних на 90°, полости которых попарно связаны с впускными окнами рабочих цилиндров по направлению вращения вала, позволяет организовать вытеснение продуктов сгорания в соответствующем рабочем цилиндре рабочей смесью со скоростью, пропорциональной частоте вращения, и тем самым исключить потери при смене рабочей смеси на всем диапазоне частоты вращения вала и повысить экономичность двигателя. Кроме того, такое конструктивное исполнение позволяет организовать смазку цилиндропоршневых групп разбрызгиванием масла и повысить их ресурс.

Размещение крестовины внутри наклонного диска позволяет существенно уменьшить ее габариты и вес, что, в свою очередь, снижает величины сил инерций и повышает ресурс опор шарнира неравных угловых скоростей.

Установка в крестовине вдоль оси ее качания пальцев, а также установка подпятника в канавке косого стакана, который шарнирно связан с вышеуказанными пальцами, позволяет осуществить кинематическую связь косого стакана с крестовиной, тем самым предотвратить продольные вибрации косого стакана относительно наклонного диска в процессе срабатывания механизма ограничения давления в камерах сгорания.

Установка в корпусе поворотных стоек, полые рычаги которых связанны с крестовиной с помощью самоустанавливающихся подшипников, а также установка на поворотных стойках двуплечих рычагов с помощью шлицевого соединения, которые одними концами взаимодействуют с упругим элементом, а другие их концы шарнирно связаны с упорными ползунами, которые, в свою очередь, установлены подвижно в поршнях гидроцилиндра, позволяет получить на опорах крестовины реактивное действие одной и той же пружины, тем самым предотвратить перекосы при срабатывании механизма ограничения давления в камерах сгорания.

Изображенный на фиг. 1-7 двухтактный детонационный двигатель содержит корпус 1 с рабочими цилиндрами 2. Поршни 3 установлены в рабочих цилиндрах 2. Шатуны 4 связаны с соответствующими поршнями 3 и наклонными дисками 5 с помощью шаровых опор. Вал 6 установлен в корпусе 1 на подшипниках 7. Косые стаканы 8 установлены на вале 6 с помощью шлицев 9 и связаны с соответствующими наклонными дисками 5 посредством втулок 10, которые установлены в наклонных дисках 5 с помощью прямобочных шлицев 11. Крестовины 12 конструктивно размещены внутри соответствующих наклонных дисков 5 и шарнирно связаны с ними. Пальцы 13 установлены в крестовинах 12 и шарнирно связаны с подпятником 14, части которого стянуты между собой болтами 15 и установлены в канавках косых стаканов 8. Впускные цилиндры 16 установлены в корпусе 1 соосно рабочим цилиндрам 2 и смещены по фазе относительно последних на 90°. Впускные поршни 17 жестко связаны с штоками 18, которые, в свою очередь, связаны с соответствующими наклонными дисками 5 с помощью шаровых опор. Полости впускных цилиндров 16 через тракты 19 попарно, по направлению вращения вала 6, связаны с впускными окнами 20 рабочих цилиндров 2, в которых также выполнены выпускные окна 21. Золотниковая втулка 22 жестко связана с валом 6, а на ее поверхности эксцентрично выполнена круговая выточка 23, напротив которой в корпусе 1 расположены впускные тракты 24. Поворотные стойки 25 установлены шарнирно в корпусе 1, полые рычаги 26 выполнены на концах последних и связаны с соответствующими крестовинами 12 с помощью самоустанавливающихся подшипников 27. Тяги 28 шарнирно связаны с поворотными стойками 25. Двуплечие рычаги 29 установлены на других концах поворотных стоек 25 с помощью шлицев 30 и одними концами взаимодействуют с соответствующими пружинами 31, а другие их концы шарнирно связаны с упорными ползунами 32, которые, в свою очередь, установлены подвижно в поршнях 33 соответствующих гидроцилиндров 34. Полости последних связаны между собой и с полостью регулирующего гидроцилиндра 35. Винт 36 установлен в корпусе регулирующего гидроцилиндра 35 и взаимодействует одним концом с его поршнем 37, а другим концом связан с исполнительным устройством 38.

Показанный на фиг. 1-7 двухтактный детонационный двигатель работает следующим образом. При вращении вала 6 и косых стаканов 8 крестовины 12 совершают качательное движение, а наклонные диски 5 совершают прецессию, обеспечивая через шатуны 4 и штоки 18 возвратно-поступательное движение соответственно поршней 3 и впускных поршней 17. Газовые и инерционные силы, действующие на каждый наклонный диск, создают момент М относительно центра О шарнира неравных угловых скоростей. Из-за зазора s между наружными и внутренними диаметрами шлицев 11 наклонного диска 5 и втулки 10, что обеспечивается выполнением прямобочных шлицев 11 с центрированием по боковым поверхностям зубьев, усилие F_M воспринимается боковыми поверхностями зубьев, расположенными перпендикулярно плоскости действия момента М, а давление на указанных поверхностях при этом имеет трапецеидальную эпюру. При выборе длины ℓ шлицев 11 от внутреннего края втулки 10 такой, чтобы центр тяжести эпюры давлений на шлицах 11 располагался посередине рабочей поверхности втулки 10, результирующая R эпюры давлений на шлицах 11 создает равномерную эпюру давлений на рабочей поверхности сопряжения втулки 10 с косым стаканом 8. Опоры в сопряжении наклонного диска 5 с крестовиной 12 имеют равномерные эпюры давлений от действия газовых сил и трапецеидальные эпюры давлений от сил инерций качания самой крестовины 12. Последние имеют незначительную величину из-за малых габаритов и веса крестовины 12 и существенным образом не влияют на ресурс указанных опор. При движении впускных поршней 17 к наружным мертвым точкам (НМТ), эксцентричная круговая выточка 23, выполненная на золотниковой втулке 22, располагается напротив соответствующего впускного тракта 24 и воздух всасывается в полость соответствующего впускного цилиндра 16, а после, при движении впускных поршней 17 к внутренним мертвым точкам (ВМТ) на соответствующем рабочем цилиндре 2 поршень 3 открывает впускные окна 20. К моменту закрытия последних впускные поршни 17 приближаются к ВМТ и происходит вытеснение продуктов сгорания в рабочем цилиндре 2 рабочей смесью, поступающей из полости впускного цилиндра 16 через тракт 19. Скорость указанного вытеснения пропорциональна частоте вращения вала 6, вследствие чего исключаются потери при смене рабочей смеси на всем диапазоне частоты вращения вала 6. За счет смещения по фазе косого стакана со стороны выпускных окон вперед по направлению вращения вала относительно другого косого стакана выпускные окна 21 открываются раньше впускных окон 20 и закрываются раньше последних, что также влияет на качество смены рабочей смеси. В конце такта сжатия в рабочих цилиндрах 2 происходит компрессионное самовоспламенение рабочей смеси, для чего двигатель имеет достаточную начальную степень сжатия. Резко возрастающее при этом давление в камере сгорания ограничивается пружинами 31, приведенное усилие которых не меньше усилия сжатия рабочей смеси необходимого для ее компрессионного самовоспламенения в конце сжатия. При этом поршни 3 с шатунами 4, наклонные диски 5, впускные поршни 17 с штоками 18, крестовины 12 с пальцами 13, косые стаканы 8 с подпятниками 14 смещаются к соответствующим НМТ (далее смещение крестовин 12). Поворотные стойки 25 получают разнонаправленное угловое перемещение и двуплечие рычаги 29 сжимают соответствующие пружины 31. Величина смещения крестовин 12 зависит от степени расширения рабочего тела при сгорании и кинематического хода поршней 3. К примеру, в изобретении с рабочим объемом как у двигателя ВАЗ-2111, величина смещения каждой крестовины 12 на номинальном режиме по предварительным расчетам составляет не более 2 мм. В фазе рабочего хода энергия сжатия пружин 31 возвращается рабочему телу и происходит смещение крестовин 12 в исходное положение. Реактивное действие на опорах каждой крестовины 12 создается одной и той же пружиной 31, тем самым исключаются перекосы при срабатывании механизма ограничения давления в камерах сгорания. Тяги 28 воспринимают поперечные силы, действующие на концы поворотных стоек 25. Во время контакта упорных ползунов 32 с поршнями 33 гидроцилиндров 34, при смещении крестовин 12 в исходное положение, возникают ударные нагрузки, которые демпфируются за счет некоторого сжимания жидкости в гидроцилиндрах 34 и упругого скручивания поворотных стоек 25. При срабатывании механизма ограничения давления в камерах сгорания подпятник 14 взаимодействует с торцами канавки косого стакана 8 и знакопеременные перемещения последнего происходят синхронно с крестовиной 12, что предотвращает продольные вибрации косых стаканов 8 относительно соответствующих наклонных дисков 5. Исполнительное устройство 38 обеспечивает посредством поворота винта 36 в ту или другую сторону определенное положение поршня 37 в регулирующем гидроцилиндре 35, что сопровождается изменением объема в связанных с последним гидроцилиндрах 34. При этом происходит смещение поршней 33 гидроцилиндров 34 и соответственно меняется угловое расположение поворотных стоек 25, что, в свою очередь, сопровождается изменением степени сжатия. Кроме того текущее значение степени сжатия автоматически регулируется в зависимости от температурного состояния двигателя за счет температурного изменения объема жидкости в гидроцилиндрах 34, причем при увеличении температуры двигателя степень сжатия уменьшается, а при уменьшении температуры двигателя - увеличивается. Смазка цилиндропоршневых групп происходит разбрызгиванием масла. Для работы предлагаемого двигателя по циклу обычных двигателей с принудительным зажиганием достаточно, чтобы приведенное усилие сжатия упругих элементов 31 было больше максимальной силы давления газов при сгорании.

Двухтактный детонационный двигатель, содержащий корпус, по меньшей мере два рабочих цилиндра, шарнир неравных угловых скоростей, наклонный диск, поршни, размещенные в рабочих цилиндрах, шатуны, вал, установленный на нем с помощью подвижного шлицевого соединения косой стакан, крестовину, установленные оппозитно и в противофазе имеющимся поршням, шатунам, крестовине, наклонному диску, косому стакану такие же и связанные между собой таким же образом соответственно поршни, шатуны, крестовина, наклонный диск и косой стакан, механизм ограничения давления в камерах сгорания и механизм регулирования степени сжатия, упругие элементы в виде пружин или пневматических шин с усилием их сжатия не меньше усилия сжатия рабочей смеси, необходимого для компрессионного самовоспламенения в конце сжатия, и предусмотрена возможность регулирования усилия их сжатия, гидроцилиндры с поршнями, полости которых связаны между собой и с полостью регулирующего гидроцилиндра, которые образуют замкнутый объем, заполненный жидкостью, и предусмотрена возможность автоматического регулирования степени сжатия за счет температурного расширения или сжатия жидкости, винт, установленный в корпусе регулирующего гидроцилиндра и взаимодействующий одним концом с поршнем регулирующего гидроцилиндра, а другим концом связанный с исполнительным устройством, и предусмотрена возможность управляемого регулирования степени сжатия, отличающийся тем, что одни концы шатунов связаны с поршнями, а другие - с наклонным диском с помощью шаровых опор, в наклонном диске установлены втулки с помощью прямобочного шлицевого соединения, центрирование которого выполнено по боковым поверхностям зубьев, впускные цилиндры установлены в корпусе и смещены по фазе относительно рабочих на 90°, впускные поршни жестко связаны с штоками, а их наружная поверхность выполнена сферической, другие головки штоков с помощью шаровых опор связаны с наклонным диском, полости впускных цилиндров попарно связаны с впускными окнами рабочих цилиндров по направлению вращения вала, крестовина конструктивно размещена внутри наклонного диска, пальцы установлены в крестовине вдоль оси ее качания и шарнирно связаны с подпятником, части которого стянуты между собой болтами и установлены в канавке крестовины, поворотные стойки шарнирно установлены в корпусе, полые рычаги выполнены на концах поворотных стоек и связаны с крестовиной с помощью самоустанавливающихся подшипников, тяга шарнирно связана с поворотными стойками, двуплечие рычаги установлены на поворотных стойках с помощью шлицевого соединения и одними концами взаимодействуют с упругим элементом, а другие их концы шарнирно связаны с упорными ползунами, которые, в свою очередь, установлены подвижно в поршнях гидроцилиндра, а косой стакан со стороны выпускных окон по фазе смещен в среднем на 20° вперед по направлению вращения вала относительно другого косого стакана.