Двигатель внутреннего сгорания с центральным роторным валом

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение удельной мощности. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель состоит из двух или более пар оппозитно расположенных поршней, связанных между собой общими ползунами, которые в центральной части имеют подшипники скольжения либо ролики качения, охватывающие синусоидально-замкнутый выступ-монорельс роторного вала. Вал установлен между этими парами поршней параллельно их осям. Для исключения нагрузок на поршни ползуны охватывают направляющие опоры. Привод газораспределительного механизма и впрыска топлива осуществляется от распределительных маховиков, установленных на выходящие в головки блоков противоположные концы роторного вала. Крутящий момент передается валом отбора крутящего момента, соединенного зубчатой передачей с центральной частью ротора. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к конструкциям двигателей внутреннего сгорания без коленчатого вала.

Традиционный двигатель внутреннего сгорания наряду с достоинствами имеет и ряд существенных недостатков. Боковая нагрузка поршня на цилиндры, особенно при тактах сжатия и рабочего хода, приводит к повышенному износу этих деталей и потере мощности. Отсутствие плеча для передачи крутящего момента в верхней мертвой точке (далее по тексту в.м.т.) и медленное его нарастание при повороте коленчатого вала требуют очень прочных деталей (поршень, шатун, коленвал) и обуславливают неравномерное преобразование энергии воспламенения смеси в крутящий момент коленчатого вала. Ограниченные возможности по использованию действия поршня со стороны шатуна. Как следствие, наибольшее распространение получили четырехтактные двигатели внутреннего сгорания, где действие поршня со стороны шатуна не используется. Это действие используется в двухтактных двигателях, но в ущерб экономичности и долговечности. Все такты рабочего цикла обеспечиваются коленвалом и шатуном. В многоцилиндровых двигателях это положение не меняется. Сначала вся энергия воспламенения смеси преобразуется в крутящий момент коленчатого вала, а потом часть этого с таким трудом и потерями полученного крутящего момента расходуется на обеспечение рабочего цикла. Привод механизма газораспределения осуществляется от коленвала через дополнительные кинематические звенья (шестерни, толкатели, цепи, ремни), что снижает надежность двигателя и требует периодических регулировок.

Все эти недостатки подталкивают к разработке бесшатунных двигателей внутреннего сгорания. Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий установленные в картере два оппозитно расположенных поршня, связанных между собой общим валом, на которых в центральной его части закреплена втулка, несущая зубчатый венец связи с передачей момента потребителю, при этом на боковой поверхности поршней выполнены синусоидальные канавки, в которых размещены тела качения /DE, патент № 3038673, кл. F01В 9/06, 1982/. Особенностью данного двигателя внутреннего сгорания является то, что вращение общего вала обеспечивается в результате вращательного перемещения поршней. Это является существенным недостатком этого изобретения, так как увеличивает потери на трение и усложняет конструкцию поршня.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является двигатель внутреннего сгорания, содержащий, по крайней мере, два оппозитно расположенных поршня, связанных между собой общим штоком, который в центральной своей части несет кулачковый элемент, взаимодействующий с втулкой через синусоидальной формы канавку, что позволяет при осевом смещении штока провернуть втулку и передать момент потребителю. Для исключения проворота поршней шток установлен в направляющих опорах. Привод механизма газораспределения обеспечивается с помощью дополнительной втулки, имеющей синусоидальную направляющую для штока /С1, патент № 2089733, кл. F01В 3/04, 1997/. Данное изобретение лишь частично устраняет недостатки традиционных двигателей с коленчатым валом.

Заявляемое техническое решение направлено на полное устранение вышеперечисленных недостатков двигателей с коленчатым валом и от его использования может быть получен следующий технический результат: создание двигателя с высокими показателями по удельной мощности и крутящему моменту.

Это достигается за счет того, что предлагается в двигателе, состоящем из двух или более пар оппозитно расположенных поршней, связанных между собой общими ползунами, использовать роторный вал (далее по тексту - ротор), расположенный между этими парами поршней параллельно их осям, имеющий в центральной своей части синусоидально замкнутый выступ-монорельс (далее по тексту - монорельс), охватываемый подшипниками скольжения либо роликами качения, встроенными в центральные части ползунов, что позволяет при осевом смещении ползунов провернуть роторный вал и передать крутящий момент потребителю (далее по тексту - двигатель с центральным ротором).

Таким образом, все пары поршней с ползунами кинематически связаны с монорельсом ротора. Для исключения нагрузок на поршни ползуны охватывают направляющие опоры. Привод газораспределительного механизма и впрыска топлива осуществляется от распределительных маховиков, установленных на выходящие в головки блоков противоположные концы ротора. Крутящий момент может передаваться как одним из концов ротора, так и валом отбора крутящего момента, соединенного зубчатой передачей с центральной частью ротора. Ход поршня от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки (далее по тексту - н.м.т.) равен амплитуде монорельса ротора, скорость сжатия определяется углом поворота ротора от выступа до впадины синусоидального монорельса, то есть формулой развертки синусоиды. Полностью уравновешенным будет восьмицилиндровый двигатель с четырьмя парами поршней, равнорасположенными вокруг ротора, с углом поворота ротора от в.м.т. до н.м.т. 90°.

Изобретение поясняется чертежом, где схематично представлены продольный разрез (Фиг.1.) и поперечный разрез (Фиг.2.) восьмицилиндрового дизельного двигателя. Двигатель состоит из оппозитно расположенных и собранных вместе правого (поз.17) и левого (поз.8) четырехцилиндровых блоков, цилиндры которых равноудалены от продольной центральной оси двигателя. Четыре пары оппозитно расположенных поршней (поз.9) соединены общими ползунами (поз.12), которые перемещаются в направляющих опорах (поз.11). В ползунах установлены по два ролика (поз.14), вращающихся в подшипниках (поз.16) и охватывающих монорельс (поз.15) роторного вала (поз.13). Роторный вал установлен по центральной продольной оси двигателя и вращается в подшипниковых опорах. На противоположных концах роторного вала, выходящих в головки блоков (поз.6), установлены распределительные маховики (поз.2), которые через рычаги с роликами (поз.1) управляют работой впускных и выпускных клапанов (поз.7), а через рычаги (поз.4) работой насос-форсунок (поз.5). Головки блоков закрыты крышками (поз.3). Ротор в центральной части имеет синусоидально замкнутый выступ-монорельс, форма которого поясняется чертежом Фиг.3. Монорельс выполнен таким образом, что при движении ползуна от в.м.т. до н.м.т. ротор проворачивается на 90°, то есть за один оборот ротора совершается четыре хода поршня. В других двигателях ротор может иметь иную конфигурацию монорельса, так же как и решение по отбору крутящего момента. В представляемом двигателе на роторе в центральной части выполнена коническая шестерня, с которой в зацепление перпендикулярно ротору входит вал (поз.10) для передачи крутящего момента, установленный в подшипниковых опорах, и на выходе которого закреплен маховик (поз.19), традиционный для автомобильных двигателей. С конической шестерней ротора входит в зацепление также шестерня привода масляного насоса (поз.18).

Работает двигатель следующим образом. При проворачивании ротора ролики ползунов катятся по монорельсу, охватывая его с двух сторон, и заставляют ползуны перемещаться в направляющих и совершать ход связанных с ними поршней. И наоборот, при рабочем ходе поршней связанные с ними ползуны перемещаются в направляющих опорах, при этом установленные в них ролики катятся по монорельсу ротора, заставляя последний проворачиваться и передавать момент потребителю. В представленном двигателе пары ползунов с поршнями, лежащие во взаимно перпендикулярных областях, совершают ход одновременно в противоположные стороны. Это позволяет уравновесить силы инерции их возвратно-поступательного движения. Рабочий цикл представляемого двигателя ничем не отличается от традиционных двигателей с коленчатым валом за исключением процесса преобразования поступательного движения поршней во вращательное выходного элемента.

Технический эффект данного изобретения заключается в создании многоцилиндровых малогабаритных двигателей внутреннего сгорания с большим крутящим моментом, высокими показателями по экономичности и надежности. Это достигается тем, что в представляемом двигателе оппозитные цилиндры с поршнями равнорасположены вокруг центрального ротора параллельно его оси и передают ему крутящий момент через ползуны, взаимодействующие с монорельсом.

Очень простая компоновочная схема, решаются все проблемы по приводу механизма газораспределения и впрыска топлива непосредственно от роторного вала без других передаточных звеньев, что делает его надежным, точным и долговечным. Наличие на роторе маховых масс (монорельс и распределительные маховики) не требует наличия маховика, как в традиционных двигателях, что снижает вес двигателя. Отсутствуют боковые нагрузки на поршень, что повышает его долговечность и упрощает конструкцию.

Траекторией монорельса ротора представляется возможность оптимизировать закон движения поршней, скорость сжатия, момент прохождения в.м.т. и н.м.т., тем самым улучшить процесс сгорания и снизить вредное действие сил инерции, что приводит к улучшению технических характеристик двигателя. Используемый в представляемом двигателе клинообразный способ превращения поступательного движения во вращательное с помощью центрального ротора с синусоидально замкнутым выступом-монорельсом позволяет получить огромный крутящий момент на выходе, что значительно расширяет возможности двигателя и сферу его применения.

Конструкция данного двигателя позволяет наполовину осуществлять такты сжатия в одних цилиндрах за счет рабочего хода в противоположных, что снижает потери мощности на осуществление рабочих циклов.

Наконец, конструкция представляемого двигателя предоставляет большие возможности по ее доработке с учетом использования действия поршней со стороны ползунов с целью создания двухтактного двигателя.

Доработка конструкции для создания двухтактного двигателя заключается в следующем: в цилиндры для герметизации со стороны ползунов установлены специальные крышки с отверстиями, через которые штоки ползунов связаны с двусторонними поршнями. Штоки ползунов выполнены полыми, что позволяет осуществлять подачу масла для охлаждения и смазки поршней. В блоке двигателя предусмотрены дополнительные впускные и перепускные клапаны, каналы и камеры резервирования воздуха для всасывания воздуха в полости цилиндров со стороны ползунов и его перепуска в рабочие полости.

Изобретение поясняется чертежами Фиг.4-8, где рабочий цикл двухтактного двигателя описан на примере одного цилиндра. Когда поршень движется к в.м.т., открывается впускной клапан, воздух всасывается в полость цилиндра со стороны штока ползуна (Фиг.4), а также наддувом заполняются канал и камера впускного и перепускного клапана (камера резервирования). В это время в рабочей полости цилиндра происходит сжатие воздуха. В конце такта сжатия происходит впрыск топлива (форсунки не показаны). Топливо воспламеняется, начинается рабочий ход. Поршень смещается к н.м.т. (Фиг.5), сжимая воздух в полости цилиндра со стороны штока ползуна и вытесняя его в перепускной канал и камеру резервирования. Все клапаны при этом закрыты. В конце рабочего хода открывается выпускной клапан и производится выпуск отработавших газов (Фиг.6). Впускной и перепускные клапана при этом закрыты, продолжается сжатие воздуха в полости цилиндра со стороны штока ползуна, в перепускном канале и камере резервирования. Поршень в н.м.т. При этом открываются перепускные клапаны и сжатый воздух поступает в рабочую полость цилиндра, вытесняя остатки отработавших газов (Фиг.8). При этом выпускной и перепускные клапана открыты. Закончен выпуск отработавших газов, закрывается выпускной клапан. Перепускные клапана открыты (Фиг.7). Сжатый воздух из канала и камеры резервирования продолжает заполнять рабочую полость цилиндра. Поршень начинает двигаться к в.м.т. Перепускные клапана закрываются, открывается впускной, в рабочей полости цилиндра происходит сжатие и одновременно всасывание воздуха в полость со стороны штока ползуна (Фиг.4). Рабочий цикл замкнулся за два хода поршня.

Технический результат данного изобретения заключается в создании экономичного, долговечного двухтактного двигателя внутреннего сгорания с высокой удельной мощностью и крутящим моментом. Достигается это тем, что в представляемом двигателе с центральным ротором используется действие поршней со стороны ползунов для всасывания и перепуска воздуха в рабочие полости цилиндров. Конструктивно это обеспечивается дополнительными впускными и перепускными клапанами, каналами для перепуска и камерами резервирования воздуха; герметизацией цилиндров со стороны штоков ползунов специальными крышками с отверстиями, через которые полые штоки ползунов соединяются с поршнями; применением принудительной смазки и охлаждения поршней путем подачи и отвода масла через штоки ползунов.

Представляемый двухтактный двигатель с центральным ротором и впрыском топлива сравним с четырехтактным: по долговечности - вследствие наличия раздельной принудительной смазки и охлаждения поршней, по экономичности - вследствие наличия дополнительных каналов и камер резервирования воздуха, расходуемого частично (вместо горючей смеси, как у большинства двухтактных двигателей) на вытеснение остатков отработавших газов. Дополнительным преимуществом является возможность оптимизации закона движения поршня и процесса сгорания под особенности двухтактного двигателя путем расчета траектории монорельса ротора. Конструкция представляемого двухтактного двигателя с центральным ротором позволяет полностью осуществлять такты сжатия в одних цилиндрах за счет рабочего хода в противоположных без расходования крутящего момента ротора. Это значительно снижает потери мощности на осуществление рабочих циклов.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий две или более пары оппозитно расположенных поршней, связанных между собой общими ползунами, которые в центральной своей части имеют подшипники скольжения либо ролики качения, взаимодействующие с двух сторон с синусоидально-замкнутым выступом-монорельсом роторного вала, установленного между этими парами поршней параллельно их осям, оснащенного на противоположных концах маховиками для привода механизмов газораспределения и шлицами, а в центральной части зубчатым конусом для передачи в требуемом месте момента потребителю, отличающийся тем, что роторный вал установлен между парами поршней параллельно их осям и оснащен на противоположных концах маховиками для привода механизмов газораспределения, ползуны, связанные с поршнями, расположены вокруг роторного вала и имеют в центральной части подшипники скольжения либо ролики качения, охватывающие синусоидально-замкнутый выступ-монорельс роторного вала и взаимодействующие с ним.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что имеет крышки для герметизации цилиндров со стороны ползунов с отверстиями, через которые полые штоки ползунов с каналами для подачи и отвода масла связаны с поршнями, а также дополнительными впускными и перепускными клапанами, каналами и камерами резервирования воздуха для всасывания воздуха в полости цилиндров со стороны штоков, его резервирования и перепуска в рабочие полости цилиндров для обеспечения двухтактного цикла.