Двигатель внутреннего сгорания
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что, по крайней мере, два шатуна соединены с шатунной шейкой коленчатого вала. С противоположной стороны к каждому из пары шатунов шарнирно присоединено по одному коромыслу. Каждое из коромысел противоположной стороной шарнирно присоединено к головке так, чтобы клапаны и свеча зажигания или форсунка находились между шарнирами. Шатуны и коромысла установлены между щек коленчатого вала. Ширина каждого шатуна, коромысла и длина головки равны расстоянию между щеками вала. Шатуны и коромысла образуют полость для протекания четырехтактного рабочего цикла при меньших габаритах и массе. 10 ил.
Изобретение относится к машиностроению, в частности к производству двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Известен роторно-поршневой двигатель, у которого треугольный ротор совершает в картере сложное планетарное движение. Преимущество двигателя состоит в малом габарите, малой массе и большой литровой мощности вследствие протекания четырехтактного рабочего цикла в каждой из трех полостей за один оборот ротора. Недостатком двигателя является положительные и отрицательные ускорения радиальных уплотнительных пластин, соприкосновение их с картером по линии со значительными контактными давлениями, большие скорости и длина перемещения, неравномерная по периферии картера тепловая деформация, что приводит к их быстрому износу, снижению ресурса двигателя и повышенному выбросу оксида азота (см. Двигатели внутреннего сгорания. - Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. - Учебное пособие под ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова, - 4 изд. - М.: Машиностроение, 1990, с.255-258).
Известен четырехтактный поршневой V-образный ДВС, у которого не менее чем два шатуна выполнены одинаковыми и соединены непосредственно с кривошипом или шарнирно один прицепной с другим главным, соединенным с кривошипом. Основные преимущества поршневого двигателя - более высокая экономичность и меньшая токсичность отработавших газов за счет протекания рабочего цикла в одной полости. Его основными недостатками являются относительно большие габариты и масса, меньшая литровая мощность. Большой габарит по высоте и большая масса обусловлен установкой на картер цилиндра с поршнем и головки с клапанами. Малая литровая мощность обусловлена протеканием четырехтактного рабочего цикла за два оборота вала коленчатого. (см. Двигатели внутреннего сгорания. - Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. - Учебное пособие под ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова, - 4 изд. - М.: Машиностроение, 1990, с.6-10, 16, 63, 64, 74, 75).
Техническая задача создания двигателя обладающего одновременно преимуществами поршневого и роторно-поршневого двигателя состоит в применении кривошипно-коромыслового механизма.
Двигатель содержит картер цилиндрической формы, в котором соосно установлен вал коленчатый с круглыми щеками. В картере между щек вала коленчатого размещена головка с впускным клапаном, выпускным клапаном и свечей зажигания (форсункой у дизеля). Картер с двух сторон закрыт торцовыми крышками, служащих опорой валу коленчатому. В двигателе не менее чем два шатуна соединены непосредственно с шатунной шейкой вала коленчатого или когда один шатун прицепной связан шарнирно с другим шатуном, соединенным с кривошипом и называемым главным. С противоположной стороны к каждому шатуну каждой пары шарнирно присоединено по одному коромыслу. Каждое из коромысел противоположной стороной шарнирно присоединено к головке так, что клапаны и свеча зажигания (форсунка у дизеля) находятся между шарнирами. Шатуны и коромысла установлены между щек вала коленчатого, а их ширина и длина головки равна расстоянию между щек вала коленчатого. Два шатуна, два коромысла, головка и щеки вала коленчатого образуют полость для протекания четырехтактного рабочего цикла объем которой при вращении вала коленчатого циклически меняется. Два шатуна выполняют функции поршней, воспринимают давление газов и передают суммарную силу от их давления непосредственно на шатунную шейку вала коленчатого. Суммарная длина шатунов в каждой паре равна или меньше суммарной длины присоединенных к ним коромысел и ширины головки.
Конструкция предлагаемого двигателя поясняется фиг.1-10.
На фиг.1 приведена кинематическая схема предлагаемого двигателя с одной полостью для протекания четырехтактного рабочего цикла в исходном положении, соответствующей началу такта "впуск".
На фиг.2 приведена кинематическая схема предлагаемого двигателя с одной полостью для протекания четырехтактного рабочего цикла после поворота вала коленчатого от исходного положения на четверть оборота.
На фиг.3 приведена кинематическая схема предлагаемого двигателя с одной полостью для протекания четырехтактного рабочего цикла после поворота вала коленчатого от исходного положения на половину оборота.
На фиг.4 приведена кинематическая схема предлагаемого двигателя с одной полостью для протекания четырехтактного рабочего цикла после поворота вала коленчатого от исходного положения на три четверти оборота.
На фиг.5 приведена кинематическая схема предлагаемого двигателя с двумя полостями для протекания четырехтактного рабочего цикла в исходном положении.
На фиг.6 приведена кинематическая схема предлагаемого двигателя с двумя полостями для протекания четырехтактного рабочего цикла после поворота вала коленчатого от исходного положения на четверть оборота.
На фиг.7 приведена кинематическая схема предлагаемого двигателя с двумя полостями для протекания четырехтактного рабочего цикла после поворота вала коленчатого от исходного положения на половину оборота.
На фиг.8 приведена кинематическая схема предлагаемого двигателя с двумя полостями для протекания четырехтактного рабочего цикла после поворота вала коленчатого от исходного положения на три четверти оборота.
На фиг.9 приведена кинематическая схема предлагаемого двигателя с одной полостью для протекания четырехтактного рабочего цикла после поворота вала коленчатого от исходного положения на половину оборота при завершении такта "сжатие", у которого суммарная длина шатунов меньше суммарной длины присоединенных к ним коромысел и ширины головки.
На фиг.10 приведена кинематическая схема предлагаемого двигателя с одной полостью для протекания четырехтактного рабочего цикла после поворота вала коленчатого от исходного положения на половину оборота при завершении такта "сжатие", у которого суммарная длина шатунов больше суммарной длины присоединенных к ним коромысел и ширины головки.
Где: 1 - картер, 2 - верхняя головка, 3 - щека вала коленчатого, 4 - крышка торцовая, 5 - впускной клапан, 6 - свеча зажигания (форсунка у дизеля), 7 - выпускной клапан, 8 - верхняя полость для протекания четырехтактного рабочего цикла, 9 - нижняя головка, 10 - нижняя полость для протекания четырехтактного рабочего цикла, О - ось вращения вала коленчатого и ось картера, К - шатунная шейка вала коленчатого (кривошип), АБ, ДЕ, ПР, ЛМ - коромысла, ЕК и РК - основные шатуны, БС и МН - прицепные шатуны, А, Б, С, Д, Е, К, Л, М, Н, П, Р - шарниры.
Двигатель содержит неподвижный картер 1 цилиндрической формы, внутри которого размещена головка 2 и соосно установлен вал коленчатый с двумя круглыми щеками 3 и шатунной шейкой К, имеющий ось О вращения (фиг.1). Картер с двух сторон закрыт двумя торцовыми крышками 4, служащими опорой валу коленчатому. По длине головки 2 установлены впускной клапан 5, свеча зажигания 6 (форсунка 6 у дизеля) и выпускной клапан 7. Между щек 3 вала коленчатого установлены шатуны БС и ЕК, шарнирно соединенные с шатунной шейкой К. Шарниры С и К совмещены. К противоположным шарнирам каждого шатуна шарнирно присоединено по одному коромыслу АБ и ДЕ. Коромысла АБ и ДЕ шарнирно присоединены к головке 2 так, что впускной клапан 5, свеча зажигания 6 и выпускной клапан 7 находятся между шарнирами А и Д. Ширина шатунов БС и ЕК, коромысел АБ и ДЕ и длина головки 2 равна расстоянию между щек 3 вала коленчатого. Внутренние поверхности двух шатунов БС и ЕК, двух коромысел АБ и ДЕ, головки 2 и двух щек 3 вала коленчатого образуют замкнутую полость 8, объем которой циклически изменяется при вращении вала коленчатого.
В исходном положении головка 2 расположена внутри картера 1 вверху, а шатунная шейка К относительно оси О вращения вала коленчатого повернута на 180° вертикально вниз (фиг.1). Шатуны БС, ЕК и коромысла АБ, ДЕ расположены вертикально, сближены и образуют полость 8 минимального объема. Полость 8 в исходном положении сообщена с атмосферой одновременно через впускной клапан 5 и выпускной клапан 7. Это обеспечивает вентиляцию объема полости 8 и удаление оставшихся отработавших газов в атмосферу. При повороте вала коленчатого от исходного положения по ходу часовой стрелки на небольшой угол выпускной клапан 7 закрывается, а объем полости 8 сообщается с атмосферой только через впускной клапан 5.
При повороте вала коленчатого от начального положения по часовой стрелке правое коромысло АБ останавливается (не вращается относительно шарнира А), правый шатун БС вращается относительно шарнира Б по часовой стрелке, коромысло ДЕ вращается относительно шарнира Д по часовой стрелке, а шатун ЕК совершает плоскопараллельное движение вверх к головке 2 и в левую сторону относительно оси О вращения вала коленчатого. В результате поворота вала коленчатого объем полости 8 увеличивается, в ней создается разрежение, что обеспечивает поступление в ее объем горючей смеси (воздуха у дизеля) и начало протекания такта "впуск" четырехтактного рабочего цикла. При повороте вала коленчатого от исходного положения до четверти оборота объем полости 8 увеличится до максимального значения, что обеспечивает его заполнение горючей смесью (воздухом у дизеля) (фиг.2). В этом положении впускной клапан 5 закрывается, что обеспечивает завершение такта "впуск" четырехтактного рабочего цикла за первую четверть оборота вала коленчатого и разобщение полости 8 с атмосферой.
При повороте вала коленчатого на угол от четверти оборота до половины оборота левое коромысло ДЕ останавливается (не вращается относительно шарнира Д), правое коромысло АБ вращается относительно шарнира А против часовой стрелки, левый шатун ЕК вращается относительно шарнира Е против часовой стрелки, а правый шатун БС совершает плоскопараллельное движение вверх к головке 2 и вправо. В результате объем полости 8 уменьшается от максимального до минимального значения, что обеспечивает протекание в ней такта "сжатие" четырехтактного рабочего цикла за вторую четверть оборота вала коленчатого (фиг.3). При повороте вала коленчатого от первоначального положения на угол около половины оборота свеча 6 зажигания воспламеняет горючую смесь в полости 8 (у дизеля форсунка 6 впрыскивает топливо).
Сгорание топлива в полости 8 приводит к увеличению давления в ее объеме. Газы давят на внутренние поверхности коромысел АБ и ДЕ, шатунов БС и ЕК, а через них на шатунную шейку К вала коленчатого. При повороте вала коленчатого от начального положения на угол более половины оборота равнодействующая сила от давления газов, действующая на шатунную шейку К относительно оси О вращения вала коленчатого, образует плечо, что вызывает появление на нем вращающего момента силы. Под действием вращающего момента вал коленчатый поворачивается на угол от половины оборота до три четверти оборота. При этом правое коромысло АБ останавливается (не вращается относительно шарнира А), левое коромысло ДЕ относительно шарнира Д поворачивается против часовой стрелки, правый шатун ЕС относительно шарнира Б поворачивается против часовой стрелки, а левый шатун ЕК совершает плоскопараллельное движение, опускается вниз и смещается вправо. В результате объем полости 8 увеличивается от минимального значения до максимального значения, что обеспечивает протекание в ней такта "расширение" четырехтактного рабочего цикла за третью четверть оборота вала коленчатого.
При поворачивании вала коленчатого вблизи три четверти оборота в головке 2 открывается выпускной клапан 7 и отработавшие газы, находящиеся в полости 8 под небольшим избыточным давлением, выбрасываются в атмосферу, что обеспечивает начало протекания такта "выпуск" (фиг.4). При повороте вала коленчатого на угол от три четверти оборота до полного завершения оборота левое коромысло ДЕ останавливается (не вращается относительно шарнира Д), правое коромысло АБ относительно шарнира А вращается по часовой стрелке, левый шатун ЕК относительно шарнира Е вращается по часовой стрелке, а правый шатун БС совершает плоскопараллельное движение, смещается вниз и влево. Это обеспечивает уменьшение объема полости 8 от максимального значения до минимального значения, принудительное выталкивание продуктов сгорания в атмосферу через открытый клапан 7 и протекание такта "выпуск" за четвертую четверть оборота вала коленчатого (фиг.1). Вблизи завершения полного оборота вала коленчатого в головке 2 открывается впускной клапан 5 и объем полости 8 сообщается с атмосферой одновременно через выпускной клапан 7 и впускной клапан 5, что обеспечивает вентиляцию объема полости 8 и удаление из нее оставшихся отработавших газов. При повороте вала коленчатого от исходного положения по ходу часовой стрелки на небольшой угол выпускной клапан 7 закрывается, а объем полости 8 сообщается с атмосферой только через впускной клапан 5.
При дальнейшем повороте вала коленчатого начинает протекать такт "впуск" следующего четырехтактного рабочего цикла.
На фиг.5 приведена кинематическая схема предлагаемого двигателя внутреннего сгорания с двумя полостями для протекания четырехтактного рабочего цикла находящегося в исходном положении. Двигатель содержит картер 1, внутри которого сверху установлена верхняя головка 2 с впускным клапаном 5, свечей зажигания 6 (форсункой 6 у дизеля) и выпускным клапаном 7. В картере соосно установлен вал коленчатый с двумя круглыми щеками 3 и шатунной шейкой К, имеющий ось О вращения. Шатунная шейка вала коленчатого относительно верхней головки повернута на 180° по часовой стрелке и обращена вертикально вниз. Картер с двух сторон закрыт двумя торцовыми крышками 4, служащими опорой валу коленчатому. Между щек 3 вала коленчатого установлен основной шатун ЕК, шарнирно соединенный с шатунной шейкой К, и прицепной шатун БС, шарнирно соединенный с основным шатуном ЕК шарниром С. К шатунам с помощью шарниров Е и Б присоединены коромысла ДЕ и АБ, которые шарнирами Д и А присоединены к верхней головке 2 так, что впускной клапан 5, выпускной клапан 7 и свеча зажигания 6 (форсунка 6 у дизеля) находятся между шарнирами А и Д. Ширина шатунов ЕК, БС, коромысел АБ, ДЕ и длина головки 2 равна расстоянию между щек 3 вала коленчатого. Внутренние поверхности шатунов ЕК и БС, коромысел АБ и ДЕ, головки 2 и двух щек 3 вала коленчатого образуют замкнутую полость 8, объем которой циклически изменяется при повороте вала коленчатого.
Двигатель содержит также нижнюю головку 9, аналогичную головке 2. Головка 9 относительно головки 2 повернута на 180° по ходу часовой стрелки и находится в картере 1 внизу. В головке 9 установлены впускной клапан 5, свеча зажигания 6 (форсунка 6 у дизеля) и выпускной клапан 7. Между щек 3 вала коленчатого установлен второй основной шатун РК, шарнирно соединенный с шатунной шейкой К, и прицепной шатун МН, шарнирно соединенный с основным шатуном РК шарниром Н. К шатунам РК и МН с помощью шарниров М и Р присоединены коромысла ЛМ и ПР, которые шарнирами Л и П присоединены к нижней головке 9 так, что впускной клапан 5, свеча зажигания 6 и выпускной клапан 7 находятся между шарнирами Л и П. Ширина шатунов КР, МН, коромысел ЛМ, ПР и длина головки 9 равна расстоянию между щек 3 вала коленчатого. Внутренние поверхности шатунов РК и МН, коромысел ЛМ и ПР, головки 9 и двух щек 3 вала коленчатого образуют вторую замкнутую полость 10, объем которой циклически изменяется при повороте вала коленчатого.
В исходном положении в верхней головке 2 одновременно открыт впускной клапан 5 и выпускной клапан 7, что обеспечивает в верхней полости 8 вентиляцию ее объема, удаление из нее оставшихся отработавших газов и начало протекания такта "впуск" (фиг.1). В нижней полости 10 завершился такт "сжатие". Свеча 6 зажигания в нижней головке 9 воспламенила горючую смесь (у дизеля форсунка впрыснула топливо) в нижней полости 10. При повороте вала коленчатого по часовой стрелке выпускной клапан 7 верхней головки 2 закрывается, полость 8 сообщается с атмосферой только через впускной клапан 5. Сгорание топлива в нижней полости 10 увеличивает давление газов на поверхность коромысел ЛМ и ПР, шатунов МН и РК, а их результирующая сила приложена к шатунной шейке К. В результате поворота вала коленчатого от исходного положения на небольшой угол результирующая сила, относительно оси О вращения вала коленчатого, имеет плечо, что обеспечит появление на нем вращающего момента силы. Вал коленчатый поворачивается под действием крутящего момента. При поворачивании вала коленчатого от исходного положения по часовой стрелке в верхней полости 8 начинает протекать такт "впуск", а в полости 10 - такт "расширение". При повороте вала коленчатого на первую четверть оборота объем полости 8 увеличивается до максимального объема, что обеспечивает завершение такта "впуск" (фиг.6). В головке 2 впускной клапан 6 закрывается и изолируется объем верхней полости 8 от атмосферы. Вблизи поворота вала коленчатого на первую четверть оборота в нижней головке 9 открывается выпускной клапан 7 и начинается такт "выпуск" отработавших газов из нижней полости 10 в атмосферу.
При поворачивании вала коленчатого на вторую четверть оборота объем верхней полости 8 уменьшается, что обеспечивает протекание в ней такта "сжатие". Объем нижней полости 10 также уменьшается, что обеспечивает принудительное выталкивание отработавших газов через открытый выпускной клапан 7 в нижней головке 9 в атмосферу и завершение такта "выпуск". Вблизи завершения второй четверти оборота свеча 6 зажигания верхней головки 2 воспламеняет горючую смесь в верхней полости 8 (у дизеля форсунка 6 впрыскивает топливо). В нижней полости 10 заканчивается такт "выпуск", в нижней головке 9 открывается впускной клапан 5. В течение нескольких градусов поворота вала коленчатого впускной клапан 5 и выпускной клапан 7 нижней головки 9 открыты одновременно, что обеспечивает вентиляцию объема нижней полости 10 и удаление из нее оставшихся отработавших газов. Затем выпускной клапан 7 нижней головки 9 закрывается, а объем нижней полости 10 сообщается с атмосферой только через впускной клапан 5 (фиг.7).
При сгорании горючей смеси в верхней полости 8 увеличится давление продуктов сгорания на коромысла АБ и ДЕ и шатуны ЕК и БС, а результирующая сила их давления будет приложена к шатунной шейке К. При повороте вала коленчатого на угол более половины оборота у результирующей силы относительно оси вращения вала коленчатого появится плечо, что обеспечит появление на нем вращающего момента. Под действием вращающего момента вал коленчатый поворачивается на третью четверть оборота. В верхней полости 8 протекает такт "расширение", который заканчивается к концу третьей четверти оборота открытием выпускного клапана 7 верхней головки 2 (фиг.8). Объем нижней полости 10 также увеличивается от минимального значения до максимального значения, что обеспечивает поступление в нее горючей смеси (воздуха у дизеля) через открытый впускной клапан 5 головки 9 и протекание такта "впуск" четырехтактного цикла. В конце поворота вала коленчатого впускной клапан 5 головки 9 закрывается (фиг.8).
При дальнейшем повороте вала коленчатого на четвертую четверть оборота объем верхней полости 8 уменьшается от максимального до минимального значения. Это обеспечивает принудительное выталкивание из верхней полости 8 отработавших газов через открытый выпускной клапан 7 головки 2 в атмосферу и завершение такта "выпуск" (фиг.5). Объем нижней полости 10 также уменьшается, что обеспечивает протекание в ней такта "сжатия". За несколько градусов до завершения полного оборота свеча 7 зажигания головки 9 воспламеняет в нижней полости 10 горючую смесь (у дизеля форсунка впрыскивает топливо).
При дальнейшем поворачивании вала коленчатого в верхней полости 8 начинает протекать такт "впуск", а в нижней полости 10 начинают протекать такт "расширение" следующих рабочих циклов.
У предлагаемого двигателя суммарная длина шатунов БС и ЕС в каждой паре должна быть равна или быть меньше суммарной длины присоединенных к ним коромысел АБ и ДЕ и ширины их головки АД, т.е. (ЕС+БС)≤(АБ+ДЕ+АД) (фиг.3). При соблюдении равенства (ЕС+БС)=(АБ+ДЕ+АД) шатуны и коромысла в конце такта сжатия обращены в противоположные стороны (фиг.3). При суммарной длине шатунов меньше суммарной длины коромысел и ширины их головки (ЕС+БС)<(АБ+ДЕ+АД) шатуны и коромысла в конце такта сжатия будут обращены внутрь щек вала коленчатого, что в известных пределах может способствовать уменьшению их диаметра (фиг.9). При суммарной длине шатунов больше суммарной длины коромысел и ширины их головки (ЕС+БС)>(АБ+ДЕ+АД) шатуны и коромысла в конце такта сжатия будут обращены от оси вращения вала коленчатого наружу и выйдут за пределы щек 3 вала коленчатого (фиг.10), что потребует увеличения их диаметра, габарита картера, массы и стоимости двигателя.
Преимущества предлагаемого двигателя:
- простая конструкция (головки размещены в картере, уменьшено в два раза количество свечей зажигания, клапанов, пружин, головок, нет цилиндров и поршней, функции которых выполняют соответственно щеки вала коленчатого и два шатуна);
- малые габариты и массы (уменьшены в 2-8 раз за счет размещения полости для протекания четырехтактного рабочего цикла в картере, как у роторно-поршневого двигателя);
- литровая мощность увеличена в два раза (как у роторно-поршневого ДВС);
- широкая унификация с поршневым двигателем за счет применения основных деталей (картер, вал коленчатый, шатуны, головка и т.д.);
- уплотнение газовых стыков между головкой, коромыслами и шатунами обеспечено поверхностями трения шарнирных соединений;
- более высокий механический КПД и ресурс, вследствие относительно малых размеров шарнирных соединений, что снижает скорость, расстояние относительного перемещения поверхностей трения, силу трения и работу сил трения;
- протекание рабочего цикла в одной полости при одинаковой температуре образующих ее двух шатунов и двух коромысел обеспечивает высокую топливную экономичность;
- изменение температуры шатунов и коромысел при работе двигателя увеличивает их длину, но не вызывают в них дополнительных напряжений, так как сопровождается изменением геометрического положения двух свободных шарниров, не связанных с картером или шатунной шейкой вала коленчатого;
- короткий и жесткий коленчатый вал и картер;
- меньшая термическая деформации картера за счет его изоляции от полости для протекания рабочего цикла;
- возможность создания семейства двигателей одного габарита, но различной мощности за счет размещения в картере нескольких полостей для протекания рабочего цикла;
Двигатель внутреннего сгорания, содержащий картер цилиндрической формы, вал коленчатый с круглыми щеками, не менее чем одну пару шатунов, соединенных непосредственно с шатунной шейкой вала коленчатого или когда один из каждой пары шатунов, называемый прицепной, шарнирно соединен с другим главным шатуном, соединенным с шатунной шейкой, головку с впускным и выпускным клапанами, свечой зажигания или форсункой у дизеля, отличающийся тем, что количество головок с клапанами, свечой зажигания или форсунок у дизеля равно количеству пар шатунов, головки размещены внутри картера симметрично относительно его внутренней образующей между щек вала коленчатого, к каждому из каждой пары шатунов шарнирно присоединено по одному коромыслу, имеющему кинематическую связь с соответствующей головкой так, что клапаны и свеча зажигания или форсунка у дизеля находятся между шарнирами, ширина каждого шатуна, коромысла и длина головки равна расстоянию между щеками вала коленчатого, а суммарная длина шатунов в каждой паре равна или меньше суммарной длины присоединенных к ним коромысел и ширины головки.
