Бесшатунный поршневой двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к бесшатунным двигателям внутреннего сгорания с оппозитным расположением цилиндров. Техническим результатом является повышение быстроходности двигателя, повышение надежности при упрощении конструкции и снижении массы. Сущность изобретения заключается в том, что бесшатунный двигатель содержит звездообразно расположенные цилиндры, поршни которых попарно жестко связаны между собой штоками, соединенными со средними шейками рабочего вала, выполненного из двух частей с устройством фиксации кривошипов относительно друг друга. Согласно изобретению распределительный механизм подачи топливной смеси выполнен золотниковым с возможностью перемещения при установке на головке цилиндра относительно трубопровода подачи топливной смеси по двум степеням свободы. Привод от рабочего вала на золотниковый распределительный механизм подачи топливной смеси выполнен для передачи крутящего момента, а отношение внутреннего диаметра цилиндра двигателя к радиусу кривошипа составляет 4,26 и более. 3 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, в частности с цилиндрами, расположенными звездообразно, и может найти применение в авиационном моторостроении, на транспортных машинах и открывает перспективу для разработки принципиально нового класса двигателей - комбинированных быстроходных турбопоршневых.

Известны бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания из одноименной книги С.С. Баландина, М., "Машиностроение", 1968 г., во втором издании которой на с.3 указано, что описанные конструкции базируются на описании к авторскому свидетельству СССР 118471 (заявка 591328 от 4 февраля 1958 года).

В этих двигателях, не имеющих обычного кривошипно-шатунного механизма, преобразование поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего (коренного) вала осуществляется бесшатунным силовым механизмом, позволяющим создавать малогабаритные двигатели внутреннего сгорания одинарного и двойного действия, комбинированные турбопоршневые двигатели.

В строгом соответствии с описанием к указанному авторскому свидетельству в отечественной авиапромышленности были созданы и испытаны бесшатунные двигатели внутреннего сгорания (OМБ, МБ-4, МБ-8, ОМ-127РН, М-127) мощностью от 80 до 10000 л.с., от 4-х до 24-х цилиндров.

Известный бесшатунный поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала со звездообразно расположенными цилиндрами, поршни которых попарно жестко связаны между собой штоками, соединенными со средними шейками рабочего вала, выполненного кривошипно-коленчатым, с устройством фиксации кривошипной и коленчатой частей относительно друг друга, при этом каждый цилиндр оснащен по меньшей мере одной головкой цилиндра, на которой размещен распределительный механизм подачи топливной смеси с трубопроводом, имеющий привод от рабочего вала, имеет ряд недостатков, не позволяющих перейти к осуществлению высокоэффективных комбинированных турбопоршневых двигателей. Как показали заводские испытания известных двигателей, их быстроходность оказалась существенно ограниченной инерционностью механизма газораспределения с клапанами тарельчатого типа (С. С. Баландин "Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания", М., "Машиностроение", 1972 г. , с. 127. См. также технический отчет 3802 "Бссшатунные поршневые двигатели конструкции инженера Баландина С.С. ЦИАМ им. П.И. Баранова от 15 апреля 1957 г.).

Это обстоятельство препятствовало форсированию бесшатунных двигателей по оборотам и мощности, хотя бесшатунный силовой механизм в принципе дает возможность реализовать высокую быстроходность.

Задачей настоящего изобретения явилось повышение быстроходности двигателя с одновременным повышением его надежности при упрощении конструкции и снижении ее веса.

Указанная задача решена тем, что в известном бесшатунном поршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала со звездообразно расположенными цилиндрами, поршни которых попарно жестко связаны между собой штоками, соединенными со средними шейками рабочего вала, выполненного кривошипно-коленчатым, с устройством фиксации кривошипов относительно друг друга, при этом каждый цилиндр оснащен по меньшей мере одной головкой цилиндра, на которой размещен распределительный механизм подачи топливной смеси с трубопроводом, имеющий привод от рабочего вала, согласно изобретению распределительный механизм подачи топливной смеси выполнен золотниковым с возможностью перемещения при установке на головке цилиндра относительно трубопровода подачи топлива по двум степеням свободы, привод от рабочего вала на золотниковый распределительный механизм подачи топливной смеси выполнен для передачи крутящего момента, при этом отношение внутреннего диаметра цилиндра двигателя к радиусу кривошипа составляет 4,26 и более до разумного предела.

Надежно, если привод от рабочего вала на золотниковый распределительный механизм подачи топливной смеси выполнен в виде косозубой шестеренчатой передачи, размещенной на рабочем валу и промежуточном валу, расположенном перпендикулярно рабочему валу и параллельно продольной оси золотникового распределительного механизма подачи топливной смеси, и двух пар конических шестерен, связанных приводным валом, передающим крутящий момент от промежуточного вала.

Удобно, если во впускном канале золотникового распределительного механизма подачи топливной смеси по сферической поверхности установлен патрубок трубопровода подачи топливной смеси, герметизированный разрезными кольцами, внутри которого расположен вал золотника распределительного механизма подачи топливной смеси.

Эффективно, если цилиндр двигателя оснащен второй головкой цилиндра, размещенной в направлении штока, соединяющего цилиндры, при этом распределительный механизм подачи топливной смеси размещен со смещением относительно продольной оси цилиндра.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск информации по патентным и научно-техническим источникам, позволил установить, что отсутствуют аналоги заявленному бесшатунному поршневому двигателю внутреннего сгорания, идентичные всем его существенным признакам.

Следовательно, заявленное устройство соответствует критерию "новизна" применительно к изобретению по действующему патентному закону.

Для проверки соответствия требованию критерия "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от выбранного прототипа. Установлено, отличительные признаки явным образом не следуют из известного уровня техники. Следовательно, заявленное устройство соответствует критерию "Изобретательский уровень".

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приводится схема кривошипно-шатунного механизма с крейцкопфом, на фиг.2 приведена принципиальная схема бесшатунного силового механизма (БСМ), разработанная инженером Баландиным С.С. в 1935-36 г.г. На фиг.3 изображена кинематическая схема бесшатунного силового механизма, в соответствии с которой были изготовлены все отечественные бесшатунные авиационные двигатели (прототип). На фиг.4, 5, 6 показан (с разрезами) распределительный механизм подачи топливной смеси, применявшийся в прототипе. На фиг.7 показана кинематическая схема предлагаемого бесшатунного поршневого двигателя внутреннего сгорания. На фиг.8 представлен привод золотникового распределительного механизма подачи топливной смеси в предлагаемом двигателе двойного действия. На фиг.9 показан разрез по I-I фиг.8, т.е. распределительный механизм подачи топливной смеси в предлагаемый двигатель.

На фиг. 10 представлено конструктивное выполнение трубопровода подачи топливной смеси. На фиг.11 показано выполнение вала золотникового распределительного механизма подачи топливной смеси.

В кривошипно-шатунном механизме (см. фиг.1), благодаря вынесению точки начала превращения поступательного движения во вращательное за габариты цилиндра 1, поршень 2 и шток 3 совершают только прямолинейное перемещение, не оказывая бокового давления на цилиндр. Эта функция передана крейцкопфу 4, но он работает в щадящем режиме и смазка, находящаяся на его трущихся поверхностях не выгорает. Шатун 5 приносит всему механизму много неприятностей, т. к. совершает колебательные движения и его инерциозность расшатывает соединение кривошипа 6 с коленвалом 7, воспринимающим крутильные колебания. Превратить кривошипно-шатунный механизм в бесшатунный можно, только внеся в него второй крейцкопф. При выполнении этого условия в бесшатунном силовом механизме (см. фиг.2) будут обеспечиваться гарантированные зазоры в кинематических парах, наличие несущей масляной пленки и будет отсутствовать трение между поршнями и цилиндрами.

Бесшатунный поршневой двигатель внутреннего сгорания, основанный на кинематической схеме БСМ, включает в себя цилиндр 8 (4 шт.), поршень 9 (4 шт. ), шток 10 (2 шт. ) (рассматривается схема двигателя двустороннего действия, т. е. рабочий процесс в цилиндре идет над поршнем и под ним, если условиться о вертикальном расположении цилиндра).

На каждом цилиндре размещены две головки цилиндра 11, на которых размещен (в общем виде) распределительный механизм 12 подачи топливной смеси.

В прототипе указанный распределительный механизм 12 выполнен в виде клапана тарельчатого типа (16 шт. ), а в предлагаемом двигателе распределительный механизм 12 выполнен в виде клапана золотникового типа (8 шт.). Рабочий вал 13 выполнен кривошипно-коленчатым из двух частей - кривошипной части 14, в свою очередь, состоящей из двух частей (с переднего кривошипа снимается крутящий момент), и коленчатой части 13, связанной средними шейками с ползунами 15 штоков 10, жестко соединяющих два цилиндра, расположенных в двигателе звездообразно. Каждый из кривошипов связан с устройством фиксации кривошипов относительно друг друга, включающим малую шестерню 16, установленную на соединительном валу 17, и большую шестерню 18, установленную на кривошипе. Рабочий и соединительный валы установлены в подшипниках 19. Ползуны 15 штоков 10 установлены в направляющих 20 (4 шт.), а сами штоки установлены на шейках коленчатой части рабочего вала при помощи подшипников 21 (2 шт. ). Части рабочего вала соединены между собой при помощи скользящих подшипников 22 (2 шт.) П-образной формы.

Привод распределительного механизма 12 выполнен в прототипе (как показано на фиг.4 для наглядности со смещением на расстояние "а" осей рабочего вала и цилиндра, 5 и 6) весьма сложным. Валы, шестерни, толкатели, тяги, стойки, коромысла требуют тщательной подгонки и регулировки, а главное такой привод является тормозом в форсировании двигателя по оборотам и мощности. Картина усугубляется, если двигатель выполнен двойного действия.

В предлагаемом двигателе распределительный механизм 12 (см. фиг.7) подачи топливной смеси выполнен в виде золотникового клапана 23 (установлен на верхней головке цилиндра) и 24 (установлен на нижней головке цилиндра в направлении штока при условном вертикальном расположении цилиндра). Поскольку шток 10 размещен на продольной оси цилиндра, золотниковый клапан 24 размещен со смещением относительно продольной оси цилиндра. Аналогичное смещение допускается и для распределительного механизма, установленного на верхней головке цилиндра с целью унификации элементов привода. Указанные распределительные механизмы при установке на головке цилиндра допускают перемещение относительно трубопровода 25 подачи топливной смеси по двум степеням свободы, т.е. по условным осям Х и Y.

Распределительный механизм 12 подачи топливной смеси в предлагаемом двигателе выполнен (фиг.9) в виде золотника 26 с двумя каналами 27, 28, вращающегося в подшипниках 29, 30, и корпуса 31. Во впускном канале 27 золотникового распределительного механизма по сферической поверхности Р, допускающей перекосы, установлен патрубок 32 трубопровода 25 подачи топливной смеси, герметизированный не мешающими вращению разрезными кольцами 33, 34, внутри которого расположен вал 35 золотника распределительного механизма, выполненный заодно с золотником 26 таким образом, что топливная смесь обтекает крестовину 36 вала 35 (фиг.11) золотника, на котором укреплена коническая шестеренка 37 для соединения с приводом распределительного механизма подачи топливной смеси.

Весьма важными параметрами в заявленном двигателе являются размер кривошипа r (размер ОС на фиг.1 и 3) и диаметр цилиндра Д или диаметр поршня (см. фиг. 7). В известных бесшатунных двигателях отношение Д/r находится в пределах от 3,57 (двигатели OМБ, МБ-4, МБ-8) до 4,25 (двигатель ОМ-127РН), чем определяется их быстроходность.

В заявленном двигателе это соотношение может быть значительно расширено и при соотношении, равном Д/r=15 обороты двигателя достигают 80000 об/мин, что и позволит создать комбинированные с компрессорами и турбинами турбопоршневые двигатели нового поколения. Поэтому верхний предел указанного соотношения находится в пределах разумного.

Привод от рабочего вала 13 на золотниковый распределительный механизм 12 подачи топливной смеси заявленного двигателя (фиг.7) выполнен в виде (см. фиг.8) косозубой шестеренчатой передачи 38-39, размещенной на рабочем валу и промежуточном валу 40, расположенном перпендикулярно рабочему валу и параллельно продольной оси золотникового распределительного механизма подачи топливной смеси или валу 35 золотника 26. На промежуточном валу укреплена коническая шестерня 41, связанная с конической шестерней 42, размещенной на одном конце приводного вала 43, на другом конце которого так же укреплена коническая шестерня 44, входящая в зацепление с конической шестерней 37 вала 35 золотника. Таким образом крутящий момент передается распределительному механизму, подробное конструктивное выполнение которого известно из материалов более ранней заявки на изобретение того же заявителя.

Предлагаемый двигатель характеризуется двукратным уменьшением количества клапанов, как минимум 6-ти кратным уменьшением количества деталей привода клапанов, упрощением конструкции головок цилиндров.

Из сравнения конструктивного выполнения приводов распределительных механизмов заявленного двигателя и прототипа следует, что в прототипе два тарельчатых клапана приводятся в движение 44 деталями. Налицо конструктивное упрощение устройства и, как следствие этого, повышение надежности заявленной конструкции. По весовым характеристикам предлагаемый двигатель не имеет конкурентов при сравнимой мощности. Так, судовой крейцкопфный двигатель модели 7ДКРН 74/160 имеет мощность 8750 л.с., вес 385 т. при длине 14,4 м и высоте 10,3 м. Авиационный бесшатунный двигатель М-127К имеет мощность 10000 л.с., вес 3,5 т при длине 3,5 м и высоте 1,5 м, устойчивая работа которого подтверждена сотнями часов испытаний на самом плохом автомобильном бензине.

Запуск двигателя производится сжатым воздухом.

Чтобы не допустить перекосов опорных шеек коленчатого вала и их заклинивая, ось рабочего вала должна всегда оставаться параллельной оси вращения кривошипов. Для этого оба кривошипа, в которых расположены подшипники 22 опорных шеек, должны быть строго соосными. Синхронность вращения обоих кривошипов, необходимая для сохранения соосности, достигается с помощью соединительного вала 17 связанными с ним шестернями 16, 18. В то же время соединительный вал передает крутящий момент с кривошипа 14 на тот, с которого непосредственно снимается крутящий момент, чем уменьшается момент, скручивающий коленчатый вал. Крутящий момент с рабочего вала передается так же распределительному механизму подачи топливной смеси, которая подается в цилиндр золотником 26 по каналу 27, отработанный газ выходит по каналу 28 того же золотника.

Работает предлагаемый двигатель аналогично известному, но, обладая меньшей инерционностью, он динамически более устойчив. Степень сжатия достигает 9 при удельном расходе топлива на эксплуатационной мощности около 175±3% г/л.с.ч. Механический КПД достигает 95%, тогда как в кривошипно-шатунных, он не превышает 85%, что говорит о том, что у бесшатунных двигателей повышение быстроходности практически не лимитируется потерями на трение.

Следовательно, положительные качества, свойственные бесшатунному двигателю: возможность осуществления двухстороннего процесса в цилиндрах при малых габаритах и высокой быстроходности, меньшая нагруженность силового механизма при заданной мощности, позволяют создавать эффективные комбинированные двигатели для применения их на транспортных машинах.

Изложенные сведения о заявленном изобретении, охарактеризованном в независимом пункте формулы, свидетельствуют о возможности его осуществления с помощью описанных в заявке и известных средств и методов. Следовательно, заявленное устройство соответствует условию промышленной применимости.

Формула изобретения

1. Бесшатунный поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала со звездообразно расположенными цилиндрами, поршни которых попарно жестко соединены между собой штоками, соединенными со средними шейками рабочего вала, выполненного кривошипно-коленчатым, из двух частей с устройством фиксации кривошипов относительно друг друга, при этом каждый цилиндр оснащен, по меньшей мере, одной головкой, на которой размещен распределительный механизм подачи топливной смеси с трубопроводом, имеющий привод от рабочего вала, отличающийся тем, что распределительный механизм подачи топливной смеси выполнен золотниковым с возможностью перемещения при установке на головке цилиндра относительно трубопровода подачи топливной смеси по двум степеням свободы, привод от рабочего вала на золотниковый распределительный механизм подачи топливной смеси выполнен для передачи крутящего момента, при этом отношение внутреннего диаметра цилиндра двигателя к радиусу кривошипа составляет 4,26 и более.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что привод от рабочего вала на золотниковый распределительный механизм подачи топливной смеси выполнен в виде косозубой шестеренчатой передачи, размещенной на рабочем валу и промежуточном валу, расположенном перпендикулярно рабочему валу и параллельно продольной оси золотникового распределительного механизма подачи топливной смеси, и двух пар конических шестерен, связанных приводным валом, передающим крутящий момент от промежуточного вала валу золотника.

3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что во впускном канале золотникового распределительного механизма подачи топливной смеси по сферической поверхности установлен патрубок трубопровода подачи топливной смеси, герметизированный разрезными кольцами, внутри которого расположен вал золотника.

4. Двигатель по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что цилиндр оснащен второй головкой цилиндра, размещенной в направлении штока, при этом золотниковый распределительный механизм подачи топливной смеси размещен со смещением относительно продольной оси цилиндра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11