Двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двухтактным с прямоточной продувкой двигателям внутреннего сгорания с тороидальными цилиндрами и поршнями. Изобретение позволяет увеличить мощность двигателя без увеличения габарита по высоте. Двигатель внутреннего сгорания включает корпус с тороидальными цилиндрами, два двусторонних поршня, размещенных в тороидальных цилиндрах и образующих своими днищами совместно с внутренними поверхностями цилиндров две противоположные камеры сгорания, две рукояти, к каждой из которых укреплен двусторонний поршень, два снабженных кривошипами вала, к каждому из которых укреплена рукоять. Два шатуна соединены своими первыми головками с шипами кривошипных валов и преобразуют возвратно-вращательное движение валов во вращательное движение выходного вала двигателя. Корпус выполнен в виде двух тороидальных сегментов, соединенных между собой плоскостями сегментных срезов. Камеры сгорания размещены в местах соединения тороидальных цилиндров сегментов. В каждом из тороидальных сегментов размещен один двусторонний поршень, связанный посредством рукояти с валом, размещенным по оси тороидального сегмента. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к двухтактным с прямоточной продувкой двигателям внутреннего сгорания с тороидальными цилиндрами и поршнями, совершающими возвратно-вращательное движение, и касается конструкции двигателя в целом и выполнения его преобразователя.

По патенту США № 3910239, НКИ 123-18R, МКИ F 02 B 53/00, 55/00 (заявл. 10.06.74, опубл. 07.10.75) известен двигатель внутреннего сгорания с оппозитными поршнями, установленными на рукоятях и совершающими возвратно-вращательное движение в криволинейном цилиндре, выполненном в форме сектора тора; головки поршней обращены друг к другу и образуют совместно с внутренней поверхностью цилиндра камеру сгорания, в которой воспламеняется топливо; при рабочем ходе поршни расходятся, открывая в конце хода продувочные окна, выполненные в стенках цилиндра у его концов, и отработавшие газы удаляются из цилиндра прямоточной продувкой; при сближении поршней продувочные окна перекрываются и осуществляется сжатие свежего заряда; возвратно-вращательное движение поршней посредством кривошипно-шатунных механизмов преобразуется во вращательное движение, при этом шатуны первыми своими головками шарнирно связаны с поршнями, а вторыми - с кривошипами двух параллельных валов, размещенных в корпусе двигателя и связанных для синхронизации движения поршней зубчатой передачей.

В описании данного изобретения указано, что криволинейный цилиндр в поперечном сечении может иметь круглую, либо эллиптическую форму; в других описаниях, что форма поперечного сечения может быть также прямоугольной со скругленными углами; в общем виде все указанные формы исполнения криволинейных цилиндров, ось которых представляет собой дугу окружности, именуются далее тороидальными.

Идентичную в описанной части конструкцию имеют двигатели, известные из описаний изобретений к патенту Польши № 141668, МКИ F 02 B 53/00, 75/32 (заявл. 31.12.85, опубл. 31.05.88), патенту США № 3910238, НКИ 123-18R, МКИ F 02 B 53/10 (заявл. 10.06.74, опубл. 07.10.75), предшествующему патенту США того же автора № 3338137, выложенной заявке Японии № 60-119302, МКИ F 01 C 9/00 (заявл. 30.11.83, опубл. 26.06.85).

Во всех указанных известных двигателях с криволинейными цилиндрами в форме тороидального сектора камера сгорания размещена в средней части цилиндра, а продувочные окна - в стенках по краям цилиндра; увеличение рабочего объема цилиндра двигателя описанной конструкции при неизменной площади поперечного сечения возможно лишь увеличением радиуса рукояти, что сопряжено с увеличением габаритов двигателя в целом. Кроме того, вывод мощности на два встречно-вращающихся кинематически связанных между собой вала предопределяет размещение этих валов за пределами контура тора, что также увеличивает габарит двигателя по вертикали. Степень сжатия в указанных двигателях не регулируется.

Прототипом предлагаемого является двигатель внутреннего сгорания по патенту США № 5363813, НКИ 123-18R, МКИ F 02 B 53/00 (заявл. 30.06.93, опубл. 15.11.94), включающий корпус с тороидальными цилиндрами, два двусторонних поршня, размещенных в тороидальных цилиндрах и образующих своими днищами совместно с внутренними поверхностями цилиндров две противоположные камеры сгорания, две рукояти, к каждой из которых укреплен двухсторонний поршень, два снабженных кривошипами вала, к каждому из которых укреплена рукоять, два шатуна, соединенных своими первыми головками с шипами кривошипных валов, преобразующих возвратно-вращательное движение валов во вращательное движение выходного вала двигателя. Выходным валом двигателя является коленчатый вал, шатунные шейки которого соединены со вторыми головками шатунов.

Когда в одном из цилиндров известного двигателя происходит сгорание топлива и осуществляется рабочий ход, в другом - продувка цилиндра и сжатие свежего заряда; таким образом, каждое качание рукоятей осуществляется рабочим ходом в одном из цилиндров двигателя.

Понятно, что двигатель по указанному патенту США, имеющий два цилиндра, при прочих равных условиях может иметь примерно вдвое большую мощностью, чем двигатель по любому из указанных аналогов; тем не менее мощность, получаемая от одного цилиндра, будет той же, что и по известным указанным выше решениям, а ее повышение - сопряженным с отмеченным выше увеличением габаритов двигателя.

Вывод мощности двигателя на один коленчатый вал принципиально ничем не отличается от вывода мощности на спаренные валы в аналогах; указанный коленчатый вал также размещен за пределами контура тора, что увеличивает габарит двигателя по вертикали. Степень сжатия в двигателе-прототипе по указанному патенту США также не регулируется.

Основная задача настоящего изобретения состоит в создании двигателя внутреннего сгорания с тороидальными цилиндрами и двусторонними поршнями, укрепленными к рукоятям, в котором иной компоновкой двигателя обеспечивалась бы возможность увеличения объема цилиндров двигателя и, следовательно, его мощности без увеличения габарита по высоте.

Для этого в двигателе внутреннего сгорания, включающем корпус с тороидальными цилиндрами, два двусторонних поршня, размещенных в тороидальных цилиндрах и образующих своими днищами совместно с внутренними поверхностями цилиндров две противоположные камеры сгорания, две рукояти, к каждой из которых укреплен двусторонний поршень, два снабженных кривошипами вала, к каждому из которых укреплена рукоять, два шатуна, соединенных своими первыми головками с шипами кривошипных валов, преобразующих возвратно-вращательное движение валов во вращательное движение выходного вала двигателя, в соответствии с изобретением корпус выполнен в виде двух тороидальных сегментов, соединенных между собой плоскостями сегментных срезов, камеры сгорания размещены в местах соединения тороидальных цилиндров сегментов, а в каждом из тороидальных сегментов размещен один двусторонний поршень, связанный посредством рукояти с валом, размещенным по оси тороидального сегмента.

Другая задача изобретения состоит в том, чтобы механизм преобразования возвратно-вращательного движения кривошипных валов во вращение выходного вала не увеличивал бы габарит двигателя по высоте.

Для этого в двигателе, охарактеризованном выше, коленчатые валы размещены аксиально внутри кривошипных валов, а шатуны своими вторыми головками соединены с шатунными шейками кривошипных валов.

Еще одна задача изобретения состоит в увеличении продолжительности рабочего хода; эта задача решается двумя взаимно независимыми решениями, охарактеризованными в пунктах 3 и 4 формулы изобретения.

Согласно первому из них плоскость днища каждого поршня выполнена под углом к оси поршня с образованием языка у наименьшего радиуса поршня, а поршневые кольца размещены в канавках, параллельных плоскости днища поршня.

Согласно второму из них каждая рукоять выполнена со ступицей, боковая цилиндрическая поверхность которой выполнена с возможностью уплотнения паза, а торцевые поверхности ступицы уплотнены относительно корпуса лабиринтными уплотнениями.

Еще одна задача состоит в обеспечении возможности изменения степени сжатия в предлагаемом двигателе; для этого согласно изобретению по крайней мере одна рукоять выполнена с возможностью изменения угла ее качаний за счет выполнения шипа кривошипного вала, несущего указанную рукоять, с возможностью его радиального перемещения и фиксации.

Иные преимущества и конструктивные особенности предлагаемого двигателя будут понятны из его описания, иллюстрируемого чертежами, на которых

фиг.1 приводит сечение двигателя по осям цилиндров;

фиг.2 - сечение по А-А на фиг.1:

фиг.3 - разрез по В-В на фиг.2;

фиг.4 - разрез по С-С на фиг.2;

фиг.5 - узел D на фиг.2.

Двигатель (фиг.1) имеет корпус в виде двух тороидальных сегментов 1 и 2, соединенных между собой плоскостями сегментных срезов; при этом внутренние поверхности тороидальных сегментов, представляющие собой тороидальные цилиндры 3 и 4, примыкают к плоскостям сегментных срезов своими цельными участками. Оси цилиндров обоих тороидальных сегментов лежат в одной плоскости, сечение которой и приведено на фиг.1.

По осям тороидальных сегментов размещены кривошипные валы 5 и 6, к которым укреплены рукояти 7 и 8; к рукоятям укреплены двусторонние поршни 9 и 10.

Поршень 9, укрепленный к рукояти 7, совершает возвратно-вращательное движение в тороидальном сегменте 1; поршень 10, укрепленный к рукояти 8, перемещается в тороидальном сегменте 2.

Валы 5 и 6 снабжены поводками 11 и 12 с шипами 13 и 14, размещенными по разные стороны корпуса двигателя, как это показано на фиг.3 и 4.

Поршни 9 и 10 (см. фиг.1) своими днищами совместно с внутренними поверхностями цельных участков тороидальных цилиндров 3 и 4 образуют две противоположные камеры сгорания, середины которых лежат в плоскости соединения тороидальных сегментов 1 и 2. В камеры сгорания топливо впрыскивается посредством форсунок (не показаны).

В предлагаемом двигателе каждый двусторонний поршень перемещается в своем тороидальном сегменте; это значит, что угол качаний рукоятей и ход поршней будут больше, чем в случае, когда оба двусторонних поршня перемещаются в цилиндрах одного тора.

Цельные участки тороидальных цилиндров заканчиваются пазами 15 и 16 для прохода рукоятей 7 и 8; далее, считая от середины камер сгорания, в стенках цилиндров выполнены продувочные окна 17 и 18, через которые осуществляется прямоточная продувка цилиндров в конце рабочего хода.

Плоскость днища каждого поршня выполнена под углом к оси поршня с образованием языка 19 у наименьшего радиуса поршня, а поршневые кольца 20 размещены в канавках, параллельных плоскости днища поршня; в описанной части выполнение всех поршней идентично.

Понятно, что при таком выполнении паз для прохода рукояти открывается языком поршня позже, чем в случае, если бы днище поршня было образовано плоскостью, нормальной к оси поршня. Благодаря этому увеличивается период герметизации поршнями рабочего пространства, то есть увеличивается продолжительность рабочего хода.

Рукояти 7 и 8 (см. фиг.2), к которым укреплены двусторонние поршни, выполнены со ступицами 21 и 22 соответственно.

Каждая ступица выполнена с боковой цилиндрической поверхностью, уплотняющей паз для прохода рукояти, и лабиринтными уплотнениями 23 и 24 на торцевых ее поверхностях; благодаря такому выполнению после выхода языка поршня на паз для прохода рукояти не происходит резкого падения давления в цилиндре, чем также продлевается рабочий ход, заканчивающийся открытием поршнями продувочных окон в стенках цилиндров.

Механизм преобразования возвратно-вращательного движения поршней с рукоятями во вращение выходного вала - кривошипно-шатунный.

Двигатель выполнен с двумя коленчатыми валами 25 и 26, которые в соответствии с изобретением размещены аксиально внутри валов 5 и 6, несущих рукояти; при этом шатун 27 (фиг.3) первой своей головкой соединен с шипом 14 вала 6, а второй головкой - с шатунной шейкой коленчатого вала 25, размещенного внутри вала 5. Аналогично шатун 28 (фиг.4), размещенный с другой стороны корпуса двигателя, своей первой головкой соединен с шипом 13 вала 5, а второй головкой с шатунной шейкой коленчатого вала 26, установленного внутри вала 6. Вращение коленчатых валов 25 и 26 синхронизировано зубчатой передачей - шестернями 29 и 30 (см. фиг.2).

Благодаря такому выполнению механизма преобразования коленчатые валы двигателя размещены по осям тороидальных сегментов и не увеличивают габарита двигателя по высоте.

В предлагаемом двигателе обеспечена возможность изменения степени сжатия свежего заряда за счет изменения объема камер сгорания, образуемых днищами поршней и внутренними стенками цилиндров. Указанные изменения объемов идентичны по обеим камерам сгорания двигателя и достигаются изменением угла качаний одной из рукоятей, несущей двусторонний поршень, предпочтительно рукояти 7, к которой укреплены поршни с плоскими днищами (см. фиг.1); при этом остаются стабильными положения мертвых точек поршней с полуразделенными камерами сгорания в их головках и положения форсунок относительно головок двустороннего поршня 10.

Изменение угла качаний рукояти 7 достигается за счет радиального перемещения и фиксации шипа 13 в направляющих поводка 11 (см. фиг.5); указанные перемещение и фиксация шипа осуществляются посредством серьги 31, шарнирно соединенной с одной стороны с шипом 13, с другой - с обоймой 32, установленной свободно с возможностью ее осевого перемещения на коленчатом валу 25. Осевое перемещение обоймы 32 в обоих направлениях и ее фиксация осуществляются штоком 33 исполнительного механизма 34, укрепленного к корпусу двигателя посредством кронштейна 35. Понятно, что привод исполнительного механизма может быть любым. Понятно также, что между положением штока 33 исполнительного механизма и углом качаний рукояти 7 имеет место взаимно однозначное соответствие, а происходящие при этом изменения объемов камер сгорания идентичны по величине и знаку в обоих цилиндрах двигателя. Расчеты показывают, что диапазон изменения степени сжатия может составлять 15 единиц. Преимущества, проистекающие из возможности изменения степени сжатия в указанных пределах, понятны специалисту.

Работа двигателя. Предлагаемый двигатель - двухцилиндровый двухтактный. Когда в одном цилиндре двигателя осуществляется первый такт - сгорание, расширение, выпуск, продувка и наполнение, во втором - второй такт - выпуск, продувка, наполнение, сжатие. Таким образом, любое качание рукоятей осуществляется рабочим ходом в одном из цилиндров.

Увеличение рабочего объема цилиндров двигателя без увеличения его габарита по высоте, а также возможность продления рабочего хода являются предпосылками создания мощного и компактного двигателя внутреннего сгорания; форма цилиндров и прямоточная их продувка обеспечат высокое качество газообмена, а возможность изменения степени сжатия в широких пределах - его многотопливность, возможность оптимизации работы на различных режимах нагрузки и снижение расхода топлива.

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания, включающий корпус с тороидальными цилиндрами, два двусторонних поршня, размещенные в тороидальных цилиндрах и образующие своими днищами совместно с внутренними поверхностями цилиндров две противоположные камеры сгорания, две рукояти, к каждой из которых укреплен двусторонний поршень, два снабженных кривошипами вала, к каждому из которых укреплена рукоять, два шатуна, соединенные своими первыми головками с шипами кривошипных валов, преобразующие возвратно-вращательное движение валов во вращательное движение выходного вала двигателя, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде двух тороидальных сегментов, соединенных между собой плоскостями сегментные срезов, камеры сгорания размещены в местах соединения тороидальных цилиндров сегментов, а в каждом из тороидальных сегментов размещен один двусторонний поршень, связанный посредством рукояти с валом, размещенным по оси тороидального сегмента.

2. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что аксиально, внутри валов, несущих рукояти, размещены коленчатые валы, с шатунными шейками которых соединены вторые головки шатунов.

3. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что плоскость днища каждого поршня выполнена под углом к оси поршня с образованием языка у наименьшего радиуса поршня, а поршневые кольца размещены в канавках, параллельных плоскости днища поршня.

4. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что каждая рукоять выполнена со ступицей, боковая цилиндрическая поверхность которой выполнена с возможностью уплотнения паза, а торцевые поверхности ступицы уплотнены относительно корпуса лабиринтными уплотнениями.

5. Двигатель внутреннего сгорания по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что одна из рукоятей выполнена с возможностью изменения угла ее качаний, для чего шип кривошипного вала, несущего указанную рукоять, выполнен с возможностью его радиального перемещения и фиксации.

Приоритет по пунктам:

15.06.1999 - пп. 1, 2 и 4;

16.12.1999 - пп. 3 и 5.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5