В отличие от одноцилиндрового двигателя на опоры многоцилиндровых двигателей могут передаваться не только силы инерции, но и моменты от этих сил. Взаимное уравновешивание этих сил и моментов можно достигнуть путем выбора определенного числа цилиндров и соответствующего расположения их и кривошипов коленчатого вала. Если таким методом обеспечить уравновешивание не удается, тогда уравновешивание многоцилиндрового двигателя осуществляется при установке системы противовесов, аналогичной системе для уравновешивания одноцилиндрового двигателя
Момент центробежных сил М = 0, если кривошипы расположены симметрично относительно середины коленчатого вала. Такое зеркально-симметричное расположение кривошипов применяется в четырехтактных двигателях с четным числом цилиндров. При нечетном числе цилиндров, а также в двухтактных двигателях Мг Ф 0.
На первом месте находятся полностью уравновешенные рядная и оппозитная «шестерки». Второе место занимают уравновешенные по первичным вибрациям рядная и оппозитная «четверки» с «плоским» коленчатым валом (когда оси шатунных шеек лежат в одной плоскости). Третье место занимает рядная «четверка» с «крестообразным» коленчатым валом, полностью уравновешенная по вторичным вибрациям.
Такт впуска (рис. 3.2, а). Поршень 6 движется от в.м.т. к н.м.т., создавая разрежение в полости цилиндра 3 над поршнем. Впускной клапан 1 открыт, и цилиндр через впускную трубу и карбюратор сообщается с атмосферой. Под действием разности давлений в атмосфере и цилиндре воздух, проходя через карбюратор, распыляет топливо и, смешиваясь с ним, образует горючую смесь. Цилиндр 3 заполняется горючей смесью после прихода поршня в н.м.т. К этому моменту времени впускной клапан закрывается.
Из всего подводимого к двигателю тепла Q1 превращается в полезную работу только часть этого тепла Qе = АLе = ηеQ1. Остальное тепло в количестве Q1 (1 — ηе) ккал уходит из двигателя в виде различных теплопотерь.
Распределение количества затрачиваемой теплоты на полезную работу и на отдельные составляющие соответственно различным потерям, имеющимся в двигателе, называют тепловым балансом двигателя.
Если вести подсчет для количества тепла, которое может быть выделено при сжигании 1 кг (нм)3 израсходованного топлива, т. e. по рабочей теплотворности, то тепловой баланс можно представить так:
QHp = Qe + Qгаз +Qвод + Qхим + Qост, ккал/кг (ккал/м3), (II, 52)
где Qe — количество тепла, преобразованное в эффективную работу, — полезное тепло;
Qгаз — потеря с отходящими газами, т. е. физическое тепло выбрасываемых газов;
Qвод — потеря охлаждения — тепло, которое уносится водой или воздухом, охлаждающим цилиндр двигателя;
Qхим — потеря от химической неполноты сгорания;
Qост — прочие потери — остаточный член баланса, в который частично входят потери на трение и в окружающую среду.
При определении величин теплового баланса в процентах выражение (II, 52) примет вид
100% = qe + qгаз +qвод + qхим + qост. (II, 53)
В табл. 10 приведены средние значения отдельных составляющих теплового баланса, выраженные в процентах от теплоты, введенной с топливом.
Тепловой баланс для определенного двигателя не является неизменным. По мере уменьшения нагрузки qе уменьшается (а при холостом ходе падает до нуля), qвод и в особенности qгаз растет; так же растет qост— вследствие большого относительного значения потерь на трение и в окружающую среду при малых нагрузках.
studfiles.net
Двигатель предназначен для использования в двигателестроении. Двигатель содержит оппозитные цилиндры с поршнями и трехкривошипный коленчатый вал. Первый поршень связан с первым кривошипом первым шатуном, второй поршень связан с расположенными симметрично относительно оси цилиндров под углом 180o относительно первого вторым и третьим кривошипами посредством второго и третьего шатунов, масса каждогo из последних в два раза меньше массы первого шатуна. Стенки тронка каждого поршня имеют участки, которые смещены относительно внутренней поверхности цилиндра, концы поршневых пальцев выведены в полости, образованные поверхностями: наружной тронка и внутренней цилиндра, второй и третий шатуны соединены с концами пальцев. Наружная поверхность тронка каждого поршня может быть выполнена с плоскими или вогнутыми к оси цилиндров участками, расстояние между которыми больше или равно 0,5 и меньше или равно 0,75 диаметра внутренней поверхности цилиндра. Изобретение обеспечивает уменьшение нагрузки на кривошипно-шатунный механизм и опоры. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к отрасли машиностроения, в частности к двигателестроению, а именно к конструкциям уравновешенных без специальных механизмов двигателей внутреннего сгорания с оппозитно расположенными цилиндропоршневыми группами.
Известно, что уравновешивание двигателей внутреннего сгорания достигается несколькими способами: расположением определенным образом цилиндров и выбором такой кривошипной схемы коленчатого вала, при которой переменные силы инерции и их моменты взаимно уравновешиваются; созданием с помощью дополнительных масс новых сил, в любой момент времени равных по величине, но противоположных по направлению основным силам, которые уравновешиваются; использованием первого и второго способов одновременно (кн. Автомобильные и тракторные двигатели, ч. II, под ред. проф. И.М.Ленина, М.: Высшая школа, 1976, с. 34). Так, например, известен оппозитный двигатель внутреннего сгорания, содержащий расположенные соосно и симметрично относительно оси трехкривошипного коленчатого вала первый и второй цилиндры с установленными в них первым и вторым поршнями, шарнирно соединенными с соответствующими им шатунами, причем первый поршень связан с первым кривошипом посредством первого шатуна, а второй поршень связан с расположенными симметрично относительно оси цилиндров под углом 180o относительно первого кривошипа вторым и третьим кривошипами посредством второго шатуна, который выполнен вильчатым и охватывает первый кривошип (в.з. ФРГ 3132144, опубл. 03.03.83 г., МКИ F 16 F 15/24). Оппозитный двигатель внутреннего сгорания известной конструкции сбалансирован не только относительно сил инерции вращающихся и движущихся возвратно-поступательно масс двигателя, но и относительно моментов инерции первой и высших степеней, возникающих вследствие осевого смещения шатунных шеек во время работы двигателя. Недостаток известного устройства - чрезмерные нагрузки на кривошипно-шатунный механизм и опоры двигателя - обусловлен тем, что удаленность второй и третьей шатунных шеек от оси цилиндров требует использования второго, вильчатого шатуна больших размеров и массы. Для обеспечения уравновешенности двигателя первый, обычный, шатун необходимо выполнить с массой, равной массе вильчатого шатуна, то есть заведомо переутяжелить. Однако вследствие возрастания сил инерции движущихся масс возрастают и нагрузки на кривошипно-шатунный механизм и опоры двигателя. Прототипом заявляемого устройства является оппозитный двигатель внутреннего сгорания, содержащий расположенные соосно и симметрично относительно оси трехкривошипного коленчатого вала первый и второй цилиндры с установленными в них первым и вторым поршнями, щарнирно соединенными с соответствующими им шатунами с помощью поршневых пальцев, установленных в отверстиях стенки тронка каждого поршня, причем первый поршень связан с первым кривошипом посредством первого шатуна, соединенного с поршневым пальцем во внутренней полости первого поршня, а второй поршень связан с расположенными симметрично относительно оси цилиндров под углом 180o относительно первого кривошипа вторым и третьим кривошипами посредством второго и третьего шатунов соответственно, масса каждого из которых в два раза меньше, чем масса первого шатуна (заявка ЕПВ 0503842 А1, опубл. 05.03.92 г., МКИ F 02 B 75/24, F 01 B 7/06, F 02 F 7/00). Второй и третий шатуны согласно прототипу соединены с поршневым пальцем второго поршня во внутренней полости последнего, а поршневой палец закреплен концами в стенках тронка поршня. В оппозитном двигателе внутреннего сгорания данной конструкции, как и в вышеупомянутом устройстве, массы и моменты инерции движущихся элементов, принадлежащих к первому и второму цилиндрам, одинаковы, благодаря чему обеспечивается их взаимная компенсация при вращении коленчатого вала. Однако удаленность второй и третьей шатунных шеек от оси цилиндров и необходимость размещения второго и третьего шатунов во внутренней полости второго поршня обусловливают использование цилиндро-поршневых групп большого диаметра, что приводит к увеличению массы и площади поршней, то есть к увеличению как сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс, так и сил давления газов на поршень, вследствие чего возрастают суммарные силы, действующие на кривошипно-шатунный механизм и опоры двигателя. Таким образом, чрезмерная нагрузка на кривошипно-шатунный механизм и опоры известных оппозитных двигателей внутреннего сгорания с трехкривошипным коленчатым валом, отрицательно влияющая на показатели надежности и ресурс двигателя, объясняется тем, что следствием мероприятий, направленных на обеспечение уравновешивания моментов и сил инерции движущихся масс, неизменно становилось увеличение этих же масс (или массы шатунов или массы поршней). В основу изобретения поставлена задача усовершенствования оппозитного двигателя внутреннего сгорания, в котором за счет нового выполнения обеих поршневых групп и нового соединения шатунов со вторым поршнем уменьшались бы силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс и сила давления газов на поршни при соблюдении условий уравновешенности двигателя, благодаря чему уменьшаются нагрузки на кривошипно-шатунный механизм и опоры двигателя и возрастают его показатели надежности и ресурса. Для решения поставленной задачи в оппозитном двигателе внутреннего сгорания, содержащем расположенные соосно и симметрично относительно оси трехкривошипного коленчатого вала первый и второй цилиндры с установленными в них первым и вторым поршнями, шарнирно соединенными с соответствующими им шатунами с помощью поршневых пальцев, установленных в отверстиях стенки тронка каждого поршня, причем первый поршень связан с первым кривошипом посредством первого шатуна, соединенного с поршневым пальцем во внутренней полости первого поршня, а второй поршень связан с расположенными симметрично относительно оси цилиндров под углом 180o относительно первого кривошипа вторым и третьим кривошипами посредством второго и третьего шатунов соответственно, масса каждого из которых в два раза меньше, чем масса первого шатуна, согласно изобретению стенки тронка каждого поршня выполнены со смещенными относительно внутренней поверхности цилиндра участками, расположенными симметрично относительно условной плоскости, пересекающей поршень по оси цилиндров перпендикулярно оси отверстий под поршневой палец, концы которого выведены в полости, образованные наружной поверхностью тронка поршня и внутренней поверхностью цилиндра, причем второй и третий шатуны соединены с концами поршневого пальца второго поршня. В соответствии с первым примером в оппозитном двигателе внутреннего сгорания наружная поверхность тронка каждого поршня выполнена с плоскими участками, расстояние между которыми определено из соотношения: 0,50D
0,75D, где d - расстояние между плоскими участками наружной поверхности тронка поршня; D - диаметр внутренней поверхности цилиндра. В соответствии со вторым примером в оппозитном двигателе внутреннего сгорания наружная поверхность тронка каждого поршня выполнена с вогнутыми в направлении оси цилиндров участками, расстояние между которыми в условной плоскости, пересекающей поршень по оси цилиндров и оси отверстий под поршневой палец, определено из соотношения: 0,50Dd0,75D, где d - расстояние между вогнутыми участками наружной поверхности тронка поршня; D - диаметр внутренней поверхности цилиндра. Совокупность существенных признаков заявляемого устройства обеспечивает по сравнению с прототипом уменьшение сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс и сил давления газов на поршни при выполнении условий уравновешенности двигателя. Это достигается благодаря созданию условий для размещения второго и третьего шатунов, связанных с поршневым пальцем второго поршня, не в его внутренней полости, как в прототипе, а в полостях, образованных внешней поверхностью тронка поршня и внутренней поверхностью цилиндра, что позволило уменьшить массу и площадь поршней и, следовательно, суммарные силы, действующие на кривошипно-шатунный механизм, которые складываются из сил давления газов в цилиндрах и сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс (кн. Автомобильные и тракторные двигатели, ч.II, под ред. проф. И. М. Ленина, М.: Высшая школа, 1976, с. 17-19). Уменьшение же нагрузки на кривошипно-шатунный механизм и опоры (подшипники) двигателя способствует повышению показателей надежности и ресурса двигателя. Кроме того, унификация поршневых комплектов заявляемого оппозитного двигателя внутреннего сгорания способствует не только его уравновешенности, но и технологичности изготовления. На фиг. 1 показано сечение оппозитного двигателя внутреннего сгорания по оси цилиндров; на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1, первый пример выполнения поршневой группы двигателя; на фиг. 3 - разрез по А-А на фиг. 1, второй пример выполнения поршневой группы двигателя; на фиг. 4 - пример узла осевой фиксации поршневого пальца первого цилиндра; на фиг. 5 - пример узла осевой фиксации шатуна второго цилиндра. Оппозитный двигатель внутреннего сгорания (фиг. 1) содержит первый и второй цилиндры 1 и 2 соответственно, расположенные соосно и симметрично относительно оси 3 трехкривошипного коленчатого вала 4. В цилиндре 1 и 2 установлены поршни 5 и 6 соответственно. Кривошипно-шатунный механизм двигателя включает первый, второй и третий кривошипы 7, 8 и 9 соответственно и первый, второй и третий шатуны 10, 11 и 12 соответственно. Шатуны 10, 11 и 12 шарнирно связаны с соответствующими им поршнями 5 и 6 с помощью поршневых пальцев 13, которые установлены в отверстиях 14 стенок тронка 15 поршней 5 и 6. Первый поршень 5 связан с первым кривошипом 7 с помощью первого шатуна 10, соединенного с поршневым пальцем 13 во внутренней полости 16 первого поршня 5. Второй поршень 6 связан со вторым кривошипом 8 с помощью второго шатуна 11, а с третьим кривошипом 9 - с помощью третьего шатуна 12. Второй и третий кривошипы 8 и 9 соответственно расположены симметрично относительно оси 17 цилиндров под углом 180o относительно первого кривошипа 7. Второй и третий шатуны 11 и 12 соответственно размещены симметрично относительно оси 17 цилиндров. Масса каждого из шатунов 11 и 12 вдвое меньше, чем масса шатуна 10. Поршневые комплекты двигателя выполнены идентично. Каждый из поршней 5 и 6 имеет цилиндрическую головку 18 и профилированный тронк 15. Стенки тронка 15 каждого поршня 5, 6 имеют смещенные относительно внутренней поверхности соответствующего цилиндра 1, 2 участки, которые расположены симметрично относительно условной плоскости, пересекающей поршни 5, 6 по оси 17 цилиндров перпендикулярно к оси 19 отверстий 14 под поршневой палец 13. Концы поршневых пальцев 13 выведены в полости 20 и 21, которые образованы наружной поверхностью тронка 15 поршней 5 и 6 и внутренней поверхностью соответствующих им цилиндров 1 и 2, причем шатуны 11 и 12 соединены с концами поршневого пальца 13 поршня 6. В соответствии с первым примером (фиг. 2) в оппозитном двигателе внутреннего сгорания наружная поверхность тронка 15 каждого из поршней 5, 6 выполнена с плоскими участками, расстояние d между которыми определено из соотношения: 0,50D0,75D, где d - расстояние между плоскими участками наружной поверхности тронка поршня; D - диаметр внутренней поверхности цилиндра. В соответствии со вторым примером (фиг. 3) в оппозитном двигателе внутреннего сгорания наружная поверхность тронка 15 каждого из поршней 5, 6 выполнена с вогнутыми в направлении оси 17 цилиндров участками, расстояние d между которыми в условной плоскости, пересекающей поршень 5, 6 по оси 17 цилиндров и оси 19 отверстий 14 под поршневой палец 13, определено из соотношения: 0,50Dd0,75D, где d - расстояние между вогнутыми участками наружной поверхности тронка поршня; D - диаметр внутренней поверхности цилиндра. Расстояние между смещенными относительно внутренней поверхности цилиндров 1, 2 участками наружной поверхности тронка 15 поршней 5, 6 по оси 19 отверстий 14 под поршневой палец 13 выбрано исходя из таких соображений. В случае унификации первой и второй цилиндро-поршневых групп двигателя в диаметр первого и второго цилиндров 1 и 2 соответственно необходимо вписать подшипник 26 шатуна 10, подшипники 25 шатунов 11 и 12 и пару бобышек поршней 5 и 6 при условии, что длина подшипника 26 приблизительно равна сумме длин подшипников 25, а длина поршневого пальца 13 ограничена внутренним диаметром цилиндров 1 и 2. Осевую фиксацию поршневого пальца 13 поршня 5 (фиг. 4) можно осуществить, например, с помощью поршневых головок шатунов 11 и 12 и подшипников 25, а также кольца 23. Шатун 10 соединен с поршневым пальцем 13 во внутренней полости 16 первого поршня 5 с помощью подшипника 26. Коленчатый вал 4 установлен при помощи подшипников 27 в картере (не показан) двигателя. При работе оппозитного двигателя внутреннего сгорания поршни 5 и 6, головки 18 которых воспринимают силу давления газов в цилиндрах 1 и 2, движутся возвратно-поступательно вдоль оси 17 цилиндров в направлении к оси 3 коленчатого вала 4, установленного в подшипниках 27 в картере двигателя. Поступательное движение поршней 5 и 6 преобразуется во вращательное движение коленчатого вала 4 с помощью шатунов 10, 11 и 12, соединенных с поршнями 5 и 6 с помощью поршневых пальцев 13, установленных в отверстиях 14 стенок тронка 15 поршней 5 и 6, и с соответствующими кривошипами 7, 8, 9 коленчатого вала. Принимая во внимание то, что центры тяжести шатуна 10 и шатунов 11 и 12 размещены симметрично относительно оси 3 коленчатого вала 4 и со сдвигом на 180o поворота коленчатого вала 4, силы инерции масс шатунов 10, 11 и 12, осуществляющих возвратно-поступательное и вращательное движения, взаимно компенсируются при вращении коленчатого вала 4. Кроме того, массы поршней 5 и 6 одинаковы, а их центры тяжести размещены на одной оси, что способствует уравновешиванию сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс поршней 5 и 6. Причем сами силы инерции масс поршней 5 и 6 вследствие уменьшения массы и площади головок последних значительно меньше, чем в прототипе, благодаря чему уменьшаются нагрузки на кривошипно-шатунный механизм и опоры двигателя (подшипники 25, 26 и 27).Формула изобретения
1. Оппозитный двигатель внутреннего сгорания, содержащий расположенные соосно и симметрично относительно оси трехкривошипного коленчатого вала первый и второй цилиндры с установленными в них первым и вторым поршнями, шарнирно соединенными с соответствующими им шатунами с помощью поршневых пальцев, установленных в отверстиях стенки тронка каждого поршня, причем первый поршень связан с первым кривошипом посредством первого шатуна, соединенного с поршневым пальцем во внутренней полости первого поршня, а второй поршень связан с расположенными симметрично относительно оси цилиндров под углом 180o относительно первого кривошипа вторым и третьим кривошипами посредством второго и третьего шатунов соответственно, масса каждого из которых в два раза меньше, чем масса первого шатуна, отличающийся тем, что стенки тронка каждого поршня выполнены со смещенными относительно внутренней поверхности цилиндра участками, расположенными симметрично относительно условной плоскости, пересекающей поршень по оси цилиндров перпендикулярно оси отверстий под поршневой палец, концы которого выведены в полости, образованные наружной поверхностью тронка поршня и внутренней поверхностью цилиндра, причем второй и третий шатуны соединены с концами поршневого пальца второго поршня. 2. Оппозитный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что наружная поверхность тронка каждого поршня выполнена с плоскими участками, расстояние между которыми определено из соотношения 0,50Dd0,75D, где d - расстояние между плоскими участками наружной поверхности тронка поршня; D - диаметр внутренней поверхности цилиндра. 3. Оппозитный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что наружная поверхность тронка каждого поршня выполнена с вогнутыми в направлении оси цилиндров участками, расстояние между которыми в условной плоскости, пересекающей поршень по оси цилиндров и оси отверстий под поршневой палец, определено из соотношения 0,50Dd0,75D, где d - расстояние между вогнутыми участками наружной поверхности тронка поршня; D - диаметр внутренней поверхности цилиндра.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5www.findpatent.ru
d0,75D, где d - расстояние между плоскими участками наружной поверхности тронка поршня; D - диаметр внутренней поверхности цилиндра. В соответствии со вторым примером в оппозитном двигателе внутреннего сгорания наружная поверхность тронка каждого поршня выполнена с вогнутыми в направлении оси цилиндров участками, расстояние между которыми в условной плоскости, пересекающей поршень по оси цилиндров и оси отверстий под поршневой палец, определено из соотношения: 0,50Dd0,75D, где d - расстояние между вогнутыми участками наружной поверхности тронка поршня; D - диаметр внутренней поверхности цилиндра. Совокупность существенных признаков заявляемого устройства обеспечивает по сравнению с прототипом уменьшение сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс и сил давления газов на поршни при выполнении условий уравновешенности двигателя. Это достигается благодаря созданию условий для размещения второго и третьего шатунов, связанных с поршневым пальцем второго поршня, не в его внутренней полости, как в прототипе, а в полостях, образованных внешней поверхностью тронка поршня и внутренней поверхностью цилиндра, что позволило уменьшить массу и площадь поршней и, следовательно, суммарные силы, действующие на кривошипно-шатунный механизм, которые складываются из сил давления газов в цилиндрах и сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс (кн. Автомобильные и тракторные двигатели, ч.II, под ред. проф. И. М. Ленина, М.: Высшая школа, 1976, с. 17-19). Уменьшение же нагрузки на кривошипно-шатунный механизм и опоры (подшипники) двигателя способствует повышению показателей надежности и ресурса двигателя. Кроме того, унификация поршневых комплектов заявляемого оппозитного двигателя внутреннего сгорания способствует не только его уравновешенности, но и технологичности изготовления. На фиг. 1 показано сечение оппозитного двигателя внутреннего сгорания по оси цилиндров; на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1, первый пример выполнения поршневой группы двигателя; на фиг. 3 - разрез по А-А на фиг. 1, второй пример выполнения поршневой группы двигателя; на фиг. 4 - пример узла осевой фиксации поршневого пальца первого цилиндра; на фиг. 5 - пример узла осевой фиксации шатуна второго цилиндра. Оппозитный двигатель внутреннего сгорания (фиг. 1) содержит первый и второй цилиндры 1 и 2 соответственно, расположенные соосно и симметрично относительно оси 3 трехкривошипного коленчатого вала 4. В цилиндре 1 и 2 установлены поршни 5 и 6 соответственно. Кривошипно-шатунный механизм двигателя включает первый, второй и третий кривошипы 7, 8 и 9 соответственно и первый, второй и третий шатуны 10, 11 и 12 соответственно. Шатуны 10, 11 и 12 шарнирно связаны с соответствующими им поршнями 5 и 6 с помощью поршневых пальцев 13, которые установлены в отверстиях 14 стенок тронка 15 поршней 5 и 6. Первый поршень 5 связан с первым кривошипом 7 с помощью первого шатуна 10, соединенного с поршневым пальцем 13 во внутренней полости 16 первого поршня 5. Второй поршень 6 связан со вторым кривошипом 8 с помощью второго шатуна 11, а с третьим кривошипом 9 - с помощью третьего шатуна 12. Второй и третий кривошипы 8 и 9 соответственно расположены симметрично относительно оси 17 цилиндров под углом 180o относительно первого кривошипа 7. Второй и третий шатуны 11 и 12 соответственно размещены симметрично относительно оси 17 цилиндров. Масса каждого из шатунов 11 и 12 вдвое меньше, чем масса шатуна 10. Поршневые комплекты двигателя выполнены идентично. Каждый из поршней 5 и 6 имеет цилиндрическую головку 18 и профилированный тронк 15. Стенки тронка 15 каждого поршня 5, 6 имеют смещенные относительно внутренней поверхности соответствующего цилиндра 1, 2 участки, которые расположены симметрично относительно условной плоскости, пересекающей поршни 5, 6 по оси 17 цилиндров перпендикулярно к оси 19 отверстий 14 под поршневой палец 13. Концы поршневых пальцев 13 выведены в полости 20 и 21, которые образованы наружной поверхностью тронка 15 поршней 5 и 6 и внутренней поверхностью соответствующих им цилиндров 1 и 2, причем шатуны 11 и 12 соединены с концами поршневого пальца 13 поршня 6. В соответствии с первым примером (фиг. 2) в оппозитном двигателе внутреннего сгорания наружная поверхность тронка 15 каждого из поршней 5, 6 выполнена с плоскими участками, расстояние d между которыми определено из соотношения: 0,50Dd0,75D, где d - расстояние между плоскими участками наружной поверхности тронка поршня; D - диаметр внутренней поверхности цилиндра. В соответствии со вторым примером (фиг. 3) в оппозитном двигателе внутреннего сгорания наружная поверхность тронка 15 каждого из поршней 5, 6 выполнена с вогнутыми в направлении оси 17 цилиндров участками, расстояние d между которыми в условной плоскости, пересекающей поршень 5, 6 по оси 17 цилиндров и оси 19 отверстий 14 под поршневой палец 13, определено из соотношения: 0,50Dd0,75D, где d - расстояние между вогнутыми участками наружной поверхности тронка поршня; D - диаметр внутренней поверхности цилиндра. Расстояние между смещенными относительно внутренней поверхности цилиндров 1, 2 участками наружной поверхности тронка 15 поршней 5, 6 по оси 19 отверстий 14 под поршневой палец 13 выбрано исходя из таких соображений. В случае унификации первой и второй цилиндро-поршневых групп двигателя в диаметр первого и второго цилиндров 1 и 2 соответственно необходимо вписать подшипник 26 шатуна 10, подшипники 25 шатунов 11 и 12 и пару бобышек поршней 5 и 6 при условии, что длина подшипника 26 приблизительно равна сумме длин подшипников 25, а длина поршневого пальца 13 ограничена внутренним диаметром цилиндров 1 и 2. Осевую фиксацию поршневого пальца 13 поршня 5 (фиг. 4) можно осуществить, например, с помощью поршневых головок шатунов 11 и 12 и подшипников 25, а также кольца 23. Шатун 10 соединен с поршневым пальцем 13 во внутренней полости 16 первого поршня 5 с помощью подшипника 26. Коленчатый вал 4 установлен при помощи подшипников 27 в картере (не показан) двигателя. При работе оппозитного двигателя внутреннего сгорания поршни 5 и 6, головки 18 которых воспринимают силу давления газов в цилиндрах 1 и 2, движутся возвратно-поступательно вдоль оси 17 цилиндров в направлении к оси 3 коленчатого вала 4, установленного в подшипниках 27 в картере двигателя. Поступательное движение поршней 5 и 6 преобразуется во вращательное движение коленчатого вала 4 с помощью шатунов 10, 11 и 12, соединенных с поршнями 5 и 6 с помощью поршневых пальцев 13, установленных в отверстиях 14 стенок тронка 15 поршней 5 и 6, и с соответствующими кривошипами 7, 8, 9 коленчатого вала. Принимая во внимание то, что центры тяжести шатуна 10 и шатунов 11 и 12 размещены симметрично относительно оси 3 коленчатого вала 4 и со сдвигом на 180o поворота коленчатого вала 4, силы инерции масс шатунов 10, 11 и 12, осуществляющих возвратно-поступательное и вращательное движения, взаимно компенсируются при вращении коленчатого вала 4. Кроме того, массы поршней 5 и 6 одинаковы, а их центры тяжести размещены на одной оси, что способствует уравновешиванию сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс поршней 5 и 6. Причем сами силы инерции масс поршней 5 и 6 вследствие уменьшения массы и площади головок последних значительно меньше, чем в прототипе, благодаря чему уменьшаются нагрузки на кривошипно-шатунный механизм и опоры двигателя (подшипники 25, 26 и 27). d0,75D, где d - расстояние между плоскими участками наружной поверхности тронка поршня; D - диаметр внутренней поверхности цилиндра. 3. Оппозитный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что наружная поверхность тронка каждого поршня выполнена с вогнутыми в направлении оси цилиндров участками, расстояние между которыми в условной плоскости, пересекающей поршень по оси цилиндров и оси отверстий под поршневой палец, определено из соотношения 0,50Dd0,75D, где d - расстояние между вогнутыми участками наружной поверхности тронка поршня; D - диаметр внутренней поверхности цилиндра. www.freepatent.ru
| При работе двигателя возникает два вида сил: уравновешенные и неуравновешенные. К уравновешенным силам относятся силы давления газов и силы трения. К неуравновешенным силам относятся силы, которые передаются на опоры двигателя: вес двигателя, центробежные силы инерции вращающихся масс, силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс двигателя, касательные силы инерции вращающихся масс, возникающие при неравномерной угловой скорости вращения коленчатого вала. Неуравновешенные силы инерции приводят к появлению вибраций, ухудшению комфортабельности, поломке деталей топливо- и маслопроводов, кронштейнов, выходу из ст роя генераторов, стартеров и др. Повышение номинальной частоты вращения коленчатого вала поршневых двигателей, ужесточение требований к комфортабельности автомобилей, их надежности определяет необходимость создания двигателей с улучшенными показателями по уравновешенности и равномерности хода. При движении поршня в результате возникающих ускорений деталей кривошипно-шатунного механизма и вращении коленчатого вала создаются силы инерции от возвратно-поступательно движущихся частей (ВПДЧ) и вращающихся масс. Кроме тою, повышается уровень шума, ухудшается комфортабельность. У одноцилиндровых двигателей при вращении коленчатого вала и движении поршня и шатуна возникают центробежные сшил и силы инерции первого и второго порядка. Силы инерции первого порядка (Рл) приблизительно пропорциональны массе ВПДЧ, радиусу кривошипа, квадрату угловой скорости коленчатого вала и косинусу его угла поворота. Массу ВПДЧ условно принимают равной массе поршня с кольцами и пальцем плюс масса верхней части шатуна (обычно примерно 30% от его полной массы). В зоне НМТ эта сила достигает максимума и направлена вниз (к коленчатому валу). В зоне ВМТ достигает наибольшей отрицательной величины и наоборот, как бы стремится оторвать поршень от коленчатого вала. При углах поворота 90 и 270 градусов эти силы равны нулю. Силы инерции второго порядка пропорциональны массе ВПДЧ, квадратам угловой скорости и радиуса кривошипа, косинусу удвоенного угла поворота коленчатого вала и обратно пропорциональны расстоянию между осями верхней и нижней головок шатуна (длине шатуна). Таким образом, по мере увеличения длины шатуна, силы инерции второго порядка стремятся к нулю. Но длина шатуна определяет высоту блока цилиндров. а следовательно, массу и габариты всего двигателя, поэтому длину шатуна стремятся делать минимальной, несмотря на увеличение сил инерции второго порядка. У большинства современных автомобильных двигателей отношение радиуса кривошипа к длине шатуна находится в пределах от 1: 3,0 до 1: 3,8. Силы инерции вращающихся масс пропорциональны сумме масс неуравновешенных частей колена вала и нижней части шатуна (обычно примерно 70% его полной массы) умноженной на радиус кривошипа и квадрат угловой скорости вращения коленчатого вала. Центробежные силы практически при любых схемах коленчатых валов удастся уравновесить противовесами на коленчатом валу. Для уравновешивания сил инерции первого порядка одноцилиндровых и двухцилиндровых четырехтактных двигателей с рядным расположением цилиндров и шатунными шейками на одной оси необходимо применение двух валов с противовесами, вращающимися в разные стороны с таким же числом оборотов, что и коленчатый вал.
Силы инерции второго порядка уравновешиваются двумя валами с противовесами, вращающимися в разные стороны в два раза быстрее коленчатого вала. Для двигателей дешевых транспортных средств это непозволительная роскошь. Поэтому на некоторых двигателях уравновешиваются только силы инерции первого порядка путем установки двух валов. Иногда для упрощения конструкции эти валы вращаются в одну сторону с той же скоростью (двигатели автомобиля ВАЗ-11113 «Ока»). Для уменьшения сил инерции первого порядка на одноцилиндровых двигателях увеличивается масса противовесов. За счет этого силы инерции первого порядка раскладываются в двух направлениях — в горизонтальной и вертикальной плоскостях, что существенно уменьшает уровень вибраций. Значительно лучше уравновешены двухцилиндровые двигатели с оппозитным расположением цилиндров, у которых сил инерции нет, центробежные силы уравновешиваются противовесами и остаются только неуравновешенными моменты от сил инерции первого и второго порядка. Читать далее >>> Повышение мощности двигателя на главную 0-100 км/ч 0-100 |
zero-100.ru
Силы, возникающие при работе поршневых двигателей, можно разделить на внешние и внутренние, которые, в свою очередь, могут быть уравновешенными и неуравновешенными.
К внешним силам относятся вес двигателя, реактивные силы от выпускных газов и движущихся жидкостей, моменты сил сопротивления внешней среды вращению коленчатого вала, вентилятораит. п.
К внутренним силам относятся силы инерции движущихся возвратно-поступательно и неуравновешенных вращающихся масс, а также реактивный крутящий момент.
Уравновешенными силами являются такие, которые при суммировании не дают свободного момента и равнодействующая которых равна нулю — силы давления газов в цилиндре двигателя и силытрения.
К неуравновешенным следует отнести силы, которые передаются на опоры двигателя — вес двигателя, реакции выпускных газов и движущихся жидкостей, силы инерции вращающихся и возвратно-поступательно движущихся масс, тангенциальные силы инерции вращающихся масс при переменной угловой скорости (co^const),а также реактивный крутящий момент.
Многие из перечисленных выше сил практически не влияют на уравновешивание двигателя, так как вес двигателя постоянен по величине и направлению, суммарная реакция выпускных газов при установившихся режимах работы двигателя незначительно меняется по величине, суммарная реакция движущихся жидкостей по величине ничтожно мала, тангенциальные силы инерции вращающихся масс практически постоянны по величине и направлению.
Следовательно, причиной неуравновешенности двигателя являются силы инерции возвратно-поступательно движущихся и неуравновешенных вращающихся масс, а также реактивный крутящий момент. Последний в автомобильных двигателях обычно уравновесить невозможно и он передается на раму автомобиля.
Неуравновешенные силы, переменные по величине и направлению, могут вызвать вибрации как двигателя, так и всего автомобиля. Возникающие вибрации особенно опасны при приближении частоты свободных колебаний всей системы автомобиля и отдельных ее составляющих к частоте вынужденных колебаний, вызываемыхнеуравновешеннымисиламиилимоментами.
Для устранения отрицательных последствий, связанных с вибрациями, двигатель должен быть уравновешен, т. е. должна быть создана такая система сил, в которой равнодействующие силы и их моменты были бы постоянны по величине и направлению или равны нулю.
Двигатель называется уравновешенным, если при установившемся режиме силы и моменты, действующие на его опоры (раму автомобиля), постоянны по величине и направлению или равны нулю.
Уравновешиванию подвергаются лишь силы и моменты, имеющие значительную величину. К ним относятся: силы инерции первого порядка возвратно-поступательно движущихся масс Pwi — = —mRa2cosrp; силы инерции второго порядка возвратно-поступательно движущихся масс Pwu =—m/?co2^cos2rp; центробежная сила неуравновешенных вращающихся масс Рд—тод-йсо2; свободный момент сил инерции первого порядка М, свободный момент сил инерции второго порядка Мц ; свободный момент сил инерции вращающихсямасс Mr.
maestria.ru
Изобретение может быть использовано в двигателестроении, а именно в конструкциях бесшатунных двигателей внутреннего сгорания. Оппозитный двигатель внутреннего сгорания содержит оппозитно расположенные цилиндры с поршнями, смонтированными в корпусе; шток, жестко соединенный с поршнями и с ползуном; направляющие ползуна, которые ограничивают движение ползуна зазорами во всех направлениях, за исключением направления по оси цилиндров; и механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение выходных валов. Механизм преобразования движения содержит один или несколько соединительных двухфланцевых валов и два выходных двухфланцевых вала, укладываемых на коренные подшипники скольжения по оси корпуса, проходящей перпендикулярно оси цилиндров и пересекающейся с ней. Во фланцах валов по концентрической окружности, диаметр которой равен половине хода поршня, имеются отверстия, в одном из которых на каждом фланце смонтирован подшипник скольжения. Соединительные звенья выполнены в виде параллелепипеда и имеют пальцы с двух сторон широкой плоскости, отстоящие друг от друга на расстоянии, равном четверти хода поршня. Ползун, в средней своей части по оси, перпендикулярной оси цилиндров и параллельной оси валов, имеет отверстия, в которые смонтированы подшипники скольжения. Технический результат заключается в снижении габаритов, металлоемкости и упрощении конструкции. 4 з.п. ф-лы, 9 ил.
Область техники.
Изобретение относится к отрасли машиностроения, в частности к двигателестроению, а именно к конструкциям бесшатунных двигателей внутреннего сгорания с оппозитно расположенными цилиндропоршневыми группами, уравновешенными без специальных механизмов. Такие двигатели могут найти применение во всех областях применения современных ДВС, в том числе: на автомобилях, тракторах и танках, на морских и речных судах, в легкомоторной авиации.
Уровень техники.
Известны многоцилиндровые бесшатунные двигатели внутреннего сгорания, в которых преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала и наоборот осуществляется через механические, многозвенные устройства, которыми являются либо шатуны или штоки и коленчатые валы, либо качающиеся косые или пространственные шайбы, либо зубчатые рейки и шестерни. К ним можно отнести двигатели по патентам РФ 2298107 от 31.10.2005, РФ 2296871 от 08.08.2005, а также известны практические конструкции бесшатунных двигателей внутреннего сгорания по "схеме Баландина", в которых применена известная кинематическая схема обращенного эллипсографа и двигатель Вуля. Его "Поршневая машина с бесшатунным механизмом" (патент РФ 2213227 от 06.03.2000) наиболее близка из аналогов к предлагаемой конструкции двигателя, которая и выбрана как прототип.
Двигатель содержит: корпус с цилиндрами, поршни с поршневыми штоками; ползуны, выполненные на штоках; направляющие ползунов, каждая из которых соединена с корпусом и выполнена с возможностью перемещения соответствующего ползуна вдоль оси соответствующего цилиндра, и механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение выходного вала. В свою очередь, механизм содержит: два соосных кривошипных вала, установленных в корпусе; расположенный между кривошипными валами коленчатый вал, коренные шейки которого шарнирно соединены с кривошипными валами, а шейки штока - с соответствующими поршневыми штоками; синхронизирующий вал, соединенный с шестернями, которые находятся в зацеплении с зубчатыми венцами кривошипных валов.
При возвратно-поступательном перемещении поршней коленчатый вал, шарнирно взаимосвязанный со штоками цилиндров и с кривошипными валами, осуществляет сложное планетарное движение, вращаясь вокруг собственной оси и вокруг оси кривошипных валов. Этим он обеспечивает взаимосвязь между возвратно-поступательным движением поршней и вращением кривошипных валов с преобразованием возвратно-поступательного движения поршней в синхронное вращательное движение кривошипных валов без использования шатунов. Синхронизация вращения кривошипных валов осуществляется при помощи синхронизирующего вала, соединенного с шестернями, которые находятся в зацеплении с зубчатыми венцами кривошипных валов.
Недостатки.
Во всех аналогах, включая прототип, значительная часть энергии от сгорания в цилиндрах топлива расходуется на преодоление сил трения в узлах трансмиссий. Уравновешивание двигателей достигается с помощью дополнительных масс, которые увеличивают вес конструкции. В силовом механизме, помимо основных элементов, используются дополнительные синхронизирующие валы, связанные с основным валом шестернями. Соединенные последовательно, шестерни синхронизирующего механизма образуют длинную размерную цепь. Значение ее суммарного допуска должно быть меньше величины диаметрального зазора одного из крайних подшипников планетарного вала, иначе невозможно обеспечить его правой и левой половине синхронного вращения. Кинематическая схема и ее конструктивное исполнение сложнее обычного кривошипно-шатунного механизма. Большое количество сопрягаемых элементов требует высокого технологического уровня их изготовления. Уложиться же в этот допуск технологически сложно. Вышесказанное усложняет изготовление, сборку и обслуживание двигателя, снижает надежность его работы. Изготовление таких двигателей на предприятиях общего машиностроения требуют существенного изменения технологии.
Цель изобретения.
Целью изобретения является: уменьшение габаритов и металлоемкости бесшатунного двигателя внутреннего сгорания и упрощение кинематической связи, которые достигаются за счет особенностей конструктивного выполнения узлов и деталей, служащих для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала и наоборот; получение управляемого процесса сгорания топлива в цилиндре и повышение эффективности работы двигателя за счет увеличения механического и термического КПД.
Сущность изобретения и его отличительные (от прототипа) признаки.
На фиг.1 изображен оппозитный рядный двигатель внутреннего сгорания без шатунов и коленчатого вала в горизонтальном разрезе по осям поршней;
на фиг.2 - поперечный разрез бесшатунного поршневого двигателя внутреннего сгорания, вид спереди;
на фиг.3 - продольный разрез соединительного (выходного) вала;
на фиг.4 - вид Б (вид сбоку) на фланец соединительного вала;
на фиг.5 - продольный разрез соединительного звена;
на фиг.6 - вид В (вид сверху) соединительного звена;
на фиг.7 - диаграмма рабочего цикла двигателя, в котором топливо сгорает при постоянном давлении;
на фиг.8 - диаграмма рабочего цикла двигателя, в котором топливо сгорает при постоянном объеме;
на фиг.9 - диаграмма смешанного рабочего цикла двигателя.
Как показано на чертежах, заявляемый оппозитный рядный двигатель внутреннего сгорания содержит:
оппозитно расположенные цилиндры 1 с поршнями 3, смонтированными в корпусе 2; шток 4, жестко соединенный известным способом с поршнями и с ползуном 8, в котором в средней его части по оси, перпендикулярной оси цилиндров и параллельной оси валов, сделаны отверстия для монтажа в них подшипников скольжения 11; направляющие 9 ползунов, которые ограничивают движение ползуна 8 зазорами во всех направлениях, за исключением направления по оси цилиндров; соединительный двухфланцевый вал 5 и выходные двухфланцевые валы 6, которые укладываются на коренные подшипники скольжения в корпус 2 по оси, проходящей перпендикулярно оси цилиндров и пересекающейся с ней, причем во фланцах по концентрической окружности, диаметр которой равен половине хода поршня, имеются отверстия для подшипников скольжения 10;
соединительное звено 7, которое выполнено в виде параллелепипеда и имеет пальцы с двух сторон широкой плоскости, отстоящие друг от друга на расстоянии, равном четверти хода поршня, и которое соединено шарнирно с одной стороны в подшипнике 11 с ползуном 8, а с другой в подшипнике 10 с соединительным или выходным валом;
внутренние крышки 12 и наружные крышки 13, которые закрывают цилиндры 1 с двух сторон и образовывают соответственно внутреннюю, компрессорную полость цилиндра - и наружную, рабочую полость цилиндра - при этом такт всасывания и сжатия рабочего воздуха осуществляется во внутренней полости цилиндра, а такт расширения и выпуска осуществляется в наружной полости цилиндра; впускные клапаны 14 и выпускные клапаны 15 рабочей полости цилиндров, которые монтируются на крышках 13 рабочей полости; самоуправляемые впускные клапаны 16 и нагнетательные клапаны 17 компрессорных полостей цилиндров, которые монтируются на крышках 12; трубопроводы 18 воздуха, топливовоздушной смеси и выхлопных газов; турбину турбокомпрессора 19, которая соединена трубопроводом 18 с выпускными клапанами 15 рабочей полости, и компрессор 20, который соединен трубопроводом 18 с впускными клапанами 16 компрессорной полости и выполняет функцию первой ступени сжатия рабочего воздуха; воздушный коллектор с аккумулятором 21, соединенный с нагнетательными клапанами 17 компрессорной полости с одной стороны, а с другой через инжектор топлива 22 с впускными клапанами 14 рабочей полости; свечи 23 зажигания топливовоздушной смеси, которые монтируются на наружных крышках 13 рабочих полостей цилиндров. При этом рабочий воздух нагнетается из компрессорной внутренней полости цилиндра через нагнетательные клапаны 17 в коллектор с аккумулятором 21 до давления 3-4 МПа, смешивается с топливом в инжекторе 22 и распределяется по цилиндрам через впускные клапаны 14 в определенный момент и в необходимом количестве.
Двигатель работает следующим образом. Двигатель запускается воздухом, находящимся в коллекторах с аккумуляторами или стартером. При вращении двигателя наружный воздух засасывается компрессором 20 турбокомпрессора, который является первой ступенью сжатия, и нагнетается в компрессорные полости, являющиеся второй ступенью сжатия, тех цилиндров, в которых поршень совершается впуск воздуха. При обратном движении поршня этого цилиндра воздух сжимается до 3-4 МПа и нагнетается в один или несколько коллекторов с аккумулятором 21. Из коллектора воздух поступает через инжектор топлива 22, в котором он смешивается с засасываемым топливом, поступает через невозвратные клапаны (не указанные на чертеже) к впускным клапанам 14 рабочей полости цилиндров и в случае, если клапан открыт, топливовоздушная смесь наполняет камеру сгорания рабочей полости и, воздействуя на поршень 3 давлением, перемещает его. Открытие, закрытие клапанов осуществляется одним из известных способов (механический через систему толкателей и рычагов, гидростатический, электромагнитный). В определенный момент известным способом на свечу 23 зажигания подается высокое напряжение, топливовоздушная смесь воспламенятся, и сгорает. При обратном движении поршня продукты сгорания поступают в турбину турбокомпрессора, приводя ее в действие, и после срабатывания в ней выбрасываются в атмосферу. Регулировка нагрузки двигателя и процесса сгорания топлива в цилиндре, влекущего за собой изменение рабочих циклов, осуществляется известными способами изменением моментов зажигания смеси и закрытия впускного клапана.
При зажигании свечи в момент открытия впускного клапана двигатель работает по циклу, в котором топливо сгорает при постоянном давлении, т.к. невозвратный клапан при росте давления перекрывает доступ поступающей смеси, а при понижении добавляет смесь, поддерживая давление.
Рабочий цикл изображен на фиг.7 диаграммой. Цикл состоит из следующих процессов: 24-25 - сжатие воздуха в компрессоре турбокомпрессора и в рабочей полости цилиндра; 25-26 - впуск топливовоздушной смеси в рабочую полость цилиндра, сгорание топлива при постоянном давлении; 26-24 - расширение газов в цилиндре; 24-27 - выпуск газов из цилиндра. При этом нагрузка двигателя регулируется моментом закрытия впускного клапана.
При фиксированном моменте закрытия впускного клапана в определенном положении поршня, соответствующем положению, когда в цилиндре давление расширения газов больше давления впуска топливовоздушной смеси, нагрузка двигателя регулируется моментом зажигания смеси. При более позднем зажигании в камеру сгорания поступает большее количество смеси и двигатель развивает большую мощность и обороты. При этом двигатель работает по циклу, в котором топливо сгорает при постоянном объеме.
Рабочий цикл изображен на фиг.8 диаграммой. Цикл состоит из следующих процессов: 28-29 - сжатие воздуха в компрессоре турбокомпрессора и в рабочей полости цилиндра; 29-30 - впуск топливовоздушной смеси в камеру сгорания рабочей полости цилиндра; 30-31 - сгорание топлива в цилиндре при постоянном объеме; 31-28 - расширение газов в цилиндре; 28-32 - выпуск газов из цилиндра.
При изменении момента зажигания смеси, и последовательно момента закрытия впускного клапана, причем закрытие впускного клапана происходит позже момента выравнивания давления расширения газов с давлением впуска топливовоздушной смеси, двигатель работает по смешанному циклу.
Рабочий цикл изображен на фиг.9 диаграммой. Цикл состоит из следующих процессов: 33-34 - сжатие воздуха в компрессоре турбокомпрессора и в рабочей полости цилиндра; 34-35 - впуск топливовоздушной смеси в камеру сгорания рабочей полости; 35-36 - сгорание топлива в цилиндре при постоянном объеме; 36-37 - расширение газов в цилиндре; 37-38 - впуск топливовоздушной смеси и сгорание топлива при постоянном давлении; 38-33 - расширение газов в цилиндре; 33-39 - процесс выпуска газов из цилиндра.
Разделение тактов на впуск - сжатие и сгорание - расширение - выпуск, и аккумулирование воздуха под давлением 3-4 МПа вносит преимущественные отличия от прототипа и существующих конструкций ДВС, а именно: наряду с его основным назначением двигатель может быть использован, одновременно и в отдельности, как компрессор, кроме того, может выполнять функцию пневматического мотора.
В связи с тем, что процесс сгорания топлива в цилиндре управляемый, а процесс сжатия в компрессоре турбокомпрессора и в компрессорной полости цилиндра можно осуществлять более интенсивно, приближая кривую сжатия к изотерме, имеется возможность выбрать наиболее выгодный для данных условий работы двигателя, тип рабочего цикла и значительно увеличить его термический КПД. При этом характеристика двигателя (зависимость момента на рабочем валу от оборотов двигателя) преобразовывается в характеристику, аналогичную характеристике паровой машины. Т.е. традиционная для ДВС характеристика, в которой момент на выходном валу равен нулю, при нулевых оборотах двигателя преобразовалась в характеристику, у которой при оборотах двигателя, равных нулю, момент на выходном валу максимальный. В этой связи отпадает необходимость иметь в схеме редуктор.
Изменение кинематической схемы прототипа уменьшает площадь соприкасающихся поверхностей в подшипниках скольжения и в зубчатых соединениях для синхронизации, исключает необходимость наличия маховика, роль которого выполняют фланцы валов, благодаря чему механический КПД увеличивается;
конструкция двигателя в целом проще аналога, не требует существенного изменения технологии и оснастки для их изготовления на предприятиях общего машиностроения. Предлагаемая схема может быть применена как при рядном расположении оппозитных пар, так и при V-образном.
1. Оппозитный двигатель внутреннего сгорания, содержащий оппозитно расположенные цилиндры с поршнями, смонтированными в корпусе; шток, жестко соединенный с поршнями и с ползуном; направляющие ползуна, которые ограничивают движение ползуна зазорами во всех направлениях, за исключением направления по оси цилиндров; и механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение выходных валов, отличающийся тем, что механизм преобразования движения содержит один или несколько соединительных двухфланцевых валов и два выходных двухфланцевых вала, укладываемых на коренные подшипники скольжения по оси корпуса, проходящей перпендикулярно оси цилиндров и пересекающейся с ней, во фланцах валов по концентрической окружности, диаметр которой равен половине хода поршня, имеются отверстия, в одном из которых на каждом фланце смонтирован подшипник скольжения; соединительные звенья, выполнены в виде параллелепипеда и имеют пальцы с двух сторон широкой плоскости, отстоящие друг от друга на расстоянии, равном четверти хода поршня, ползун, который в средней своей части по оси, перпендикулярной оси цилиндров и параллельной оси валов имеет отверстия, в которые смонтированы подшипники скольжения.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что ползун соединяется с валами соединительным звеном, которое соединено шарнирно с одной стороны в подшипнике с ползуном, а с другой - в подшипнике с соединительным или выходным валом.
3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что такты рабочего цикла разделены, при этом такт всасывания и сжатия осуществляется во внутренней полости цилиндра, а такт расширения и выпуска осуществляется в наружной полости.
4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочий воздух нагнетается в коллектор с аккумулятором до давления 2-4 МПа; смешивается с топливом в инжекторе и распределяется по цилиндрам в определенный момент и в необходимом количестве.
5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что изменением момента зажигания смеси и момента закрытия впускного клапана изменяется рабочий цикл двигателя и осуществляется регулировка процесса сгорания топлива и нагрузки двигателя.
www.findpatent.ru
Изобретение может быть использовано в двигателестроении, а именно в конструкциях бесшатунных двигателей внутреннего сгорания. Оппозитный двигатель внутреннего сгорания содержит оппозитно расположенные цилиндры с поршнями, смонтированными в корпусе; шток, жестко соединенный с поршнями и с ползуном; направляющие ползуна, которые ограничивают движение ползуна зазорами во всех направлениях, за исключением направления по оси цилиндров; и механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение выходных валов. Механизм преобразования движения содержит один или несколько соединительных двухфланцевых валов и два выходных двухфланцевых вала, укладываемых на коренные подшипники скольжения по оси корпуса, проходящей перпендикулярно оси цилиндров и пересекающейся с ней. Во фланцах валов по концентрической окружности, диаметр которой равен половине хода поршня, имеются отверстия, в одном из которых на каждом фланце смонтирован подшипник скольжения. Соединительные звенья выполнены в виде параллелепипеда и имеют пальцы с двух сторон широкой плоскости, отстоящие друг от друга на расстоянии, равном четверти хода поршня. Ползун, в средней своей части по оси, перпендикулярной оси цилиндров и параллельной оси валов, имеет отверстия, в которые смонтированы подшипники скольжения. Технический результат заключается в снижении габаритов, металлоемкости и упрощении конструкции. 4 з.п. ф-лы, 9 ил.
Область техники.
Изобретение относится к отрасли машиностроения, в частности к двигателестроению, а именно к конструкциям бесшатунных двигателей внутреннего сгорания с оппозитно расположенными цилиндропоршневыми группами, уравновешенными без специальных механизмов. Такие двигатели могут найти применение во всех областях применения современных ДВС, в том числе: на автомобилях, тракторах и танках, на морских и речных судах, в легкомоторной авиации.
Уровень техники.
Известны многоцилиндровые бесшатунные двигатели внутреннего сгорания, в которых преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала и наоборот осуществляется через механические, многозвенные устройства, которыми являются либо шатуны или штоки и коленчатые валы, либо качающиеся косые или пространственные шайбы, либо зубчатые рейки и шестерни. К ним можно отнести двигатели по патентам РФ 2298107 от 31.10.2005, РФ 2296871 от 08.08.2005, а также известны практические конструкции бесшатунных двигателей внутреннего сгорания по "схеме Баландина", в которых применена известная кинематическая схема обращенного эллипсографа и двигатель Вуля. Его "Поршневая машина с бесшатунным механизмом" (патент РФ 2213227 от 06.03.2000) наиболее близка из аналогов к предлагаемой конструкции двигателя, которая и выбрана как прототип.
Двигатель содержит: корпус с цилиндрами, поршни с поршневыми штоками; ползуны, выполненные на штоках; направляющие ползунов, каждая из которых соединена с корпусом и выполнена с возможностью перемещения соответствующего ползуна вдоль оси соответствующего цилиндра, и механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение выходного вала. В свою очередь, механизм содержит: два соосных кривошипных вала, установленных в корпусе; расположенный между кривошипными валами коленчатый вал, коренные шейки которого шарнирно соединены с кривошипными валами, а шейки штока - с соответствующими поршневыми штоками; синхронизирующий вал, соединенный с шестернями, которые находятся в зацеплении с зубчатыми венцами кривошипных валов.
При возвратно-поступательном перемещении поршней коленчатый вал, шарнирно взаимосвязанный со штоками цилиндров и с кривошипными валами, осуществляет сложное планетарное движение, вращаясь вокруг собственной оси и вокруг оси кривошипных валов. Этим он обеспечивает взаимосвязь между возвратно-поступательным движением поршней и вращением кривошипных валов с преобразованием возвратно-поступательного движения поршней в синхронное вращательное движение кривошипных валов без использования шатунов. Синхронизация вращения кривошипных валов осуществляется при помощи синхронизирующего вала, соединенного с шестернями, которые находятся в зацеплении с зубчатыми венцами кривошипных валов.
Недостатки.
Во всех аналогах, включая прототип, значительная часть энергии от сгорания в цилиндрах топлива расходуется на преодоление сил трения в узлах трансмиссий. Уравновешивание двигателей достигается с помощью дополнительных масс, которые увеличивают вес конструкции. В силовом механизме, помимо основных элементов, используются дополнительные синхронизирующие валы, связанные с основным валом шестернями. Соединенные последовательно, шестерни синхронизирующего механизма образуют длинную размерную цепь. Значение ее суммарного допуска должно быть меньше величины диаметрального зазора одного из крайних подшипников планетарного вала, иначе невозможно обеспечить его правой и левой половине синхронного вращения. Кинематическая схема и ее конструктивное исполнение сложнее обычного кривошипно-шатунного механизма. Большое количество сопрягаемых элементов требует высокого технологического уровня их изготовления. Уложиться же в этот допуск технологически сложно. Вышесказанное усложняет изготовление, сборку и обслуживание двигателя, снижает надежность его работы. Изготовление таких двигателей на предприятиях общего машиностроения требуют существенного изменения технологии.
Цель изобретения.
Целью изобретения является: уменьшение габаритов и металлоемкости бесшатунного двигателя внутреннего сгорания и упрощение кинематической связи, которые достигаются за счет особенностей конструктивного выполнения узлов и деталей, служащих для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала и наоборот; получение управляемого процесса сгорания топлива в цилиндре и повышение эффективности работы двигателя за счет увеличения механического и термического КПД.
Сущность изобретения и его отличительные (от прототипа) признаки.
На фиг.1 изображен оппозитный рядный двигатель внутреннего сгорания без шатунов и коленчатого вала в горизонтальном разрезе по осям поршней;
на фиг.2 - поперечный разрез бесшатунного поршневого двигателя внутреннего сгорания, вид спереди;
на фиг.3 - продольный разрез соединительного (выходного) вала;
на фиг.4 - вид Б (вид сбоку) на фланец соединительного вала;
на фиг.5 - продольный разрез соединительного звена;
на фиг.6 - вид В (вид сверху) соединительного звена;
на фиг.7 - диаграмма рабочего цикла двигателя, в котором топливо сгорает при постоянном давлении;
на фиг.8 - диаграмма рабочего цикла двигателя, в котором топливо сгорает при постоянном объеме;
на фиг.9 - диаграмма смешанного рабочего цикла двигателя.
Как показано на чертежах, заявляемый оппозитный рядный двигатель внутреннего сгорания содержит:
оппозитно расположенные цилиндры 1 с поршнями 3, смонтированными в корпусе 2; шток 4, жестко соединенный известным способом с поршнями и с ползуном 8, в котором в средней его части по оси, перпендикулярной оси цилиндров и параллельной оси валов, сделаны отверстия для монтажа в них подшипников скольжения 11; направляющие 9 ползунов, которые ограничивают движение ползуна 8 зазорами во всех направлениях, за исключением направления по оси цилиндров; соединительный двухфланцевый вал 5 и выходные двухфланцевые валы 6, которые укладываются на коренные подшипники скольжения в корпус 2 по оси, проходящей перпендикулярно оси цилиндров и пересекающейся с ней, причем во фланцах по концентрической окружности, диаметр которой равен половине хода поршня, имеются отверстия для подшипников скольжения 10;
соединительное звено 7, которое выполнено в виде параллелепипеда и имеет пальцы с двух сторон широкой плоскости, отстоящие друг от друга на расстоянии, равном четверти хода поршня, и которое соединено шарнирно с одной стороны в подшипнике 11 с ползуном 8, а с другой в подшипнике 10 с соединительным или выходным валом;
внутренние крышки 12 и наружные крышки 13, которые закрывают цилиндры 1 с двух сторон и образовывают соответственно внутреннюю, компрессорную полость цилиндра - и наружную, рабочую полость цилиндра - при этом такт всасывания и сжатия рабочего воздуха осуществляется во внутренней полости цилиндра, а такт расширения и выпуска осуществляется в наружной полости цилиндра; впускные клапаны 14 и выпускные клапаны 15 рабочей полости цилиндров, которые монтируются на крышках 13 рабочей полости; самоуправляемые впускные клапаны 16 и нагнетательные клапаны 17 компрессорных полостей цилиндров, которые монтируются на крышках 12; трубопроводы 18 воздуха, топливовоздушной смеси и выхлопных газов; турбину турбокомпрессора 19, которая соединена трубопроводом 18 с выпускными клапанами 15 рабочей полости, и компрессор 20, который соединен трубопроводом 18 с впускными клапанами 16 компрессорной полости и выполняет функцию первой ступени сжатия рабочего воздуха; воздушный коллектор с аккумулятором 21, соединенный с нагнетательными клапанами 17 компрессорной полости с одной стороны, а с другой через инжектор топлива 22 с впускными клапанами 14 рабочей полости; свечи 23 зажигания топливовоздушной смеси, которые монтируются на наружных крышках 13 рабочих полостей цилиндров. При этом рабочий воздух нагнетается из компрессорной внутренней полости цилиндра через нагнетательные клапаны 17 в коллектор с аккумулятором 21 до давления 3-4 МПа, смешивается с топливом в инжекторе 22 и распределяется по цилиндрам через впускные клапаны 14 в определенный момент и в необходимом количестве.
Двигатель работает следующим образом. Двигатель запускается воздухом, находящимся в коллекторах с аккумуляторами или стартером. При вращении двигателя наружный воздух засасывается компрессором 20 турбокомпрессора, который является первой ступенью сжатия, и нагнетается в компрессорные полости, являющиеся второй ступенью сжатия, тех цилиндров, в которых поршень совершается впуск воздуха. При обратном движении поршня этого цилиндра воздух сжимается до 3-4 МПа и нагнетается в один или несколько коллекторов с аккумулятором 21. Из коллектора воздух поступает через инжектор топлива 22, в котором он смешивается с засасываемым топливом, поступает через невозвратные клапаны (не указанные на чертеже) к впускным клапанам 14 рабочей полости цилиндров и в случае, если клапан открыт, топливовоздушная смесь наполняет камеру сгорания рабочей полости и, воздействуя на поршень 3 давлением, перемещает его. Открытие, закрытие клапанов осуществляется одним из известных способов (механический через систему толкателей и рычагов, гидростатический, электромагнитный). В определенный момент известным способом на свечу 23 зажигания подается высокое напряжение, топливовоздушная смесь воспламенятся, и сгорает. При обратном движении поршня продукты сгорания поступают в турбину турбокомпрессора, приводя ее в действие, и после срабатывания в ней выбрасываются в атмосферу. Регулировка нагрузки двигателя и процесса сгорания топлива в цилиндре, влекущего за собой изменение рабочих циклов, осуществляется известными способами изменением моментов зажигания смеси и закрытия впускного клапана.
При зажигании свечи в момент открытия впускного клапана двигатель работает по циклу, в котором топливо сгорает при постоянном давлении, т.к. невозвратный клапан при росте давления перекрывает доступ поступающей смеси, а при понижении добавляет смесь, поддерживая давление.
Рабочий цикл изображен на фиг.7 диаграммой. Цикл состоит из следующих процессов: 24-25 - сжатие воздуха в компрессоре турбокомпрессора и в рабочей полости цилиндра; 25-26 - впуск топливовоздушной смеси в рабочую полость цилиндра, сгорание топлива при постоянном давлении; 26-24 - расширение газов в цилиндре; 24-27 - выпуск газов из цилиндра. При этом нагрузка двигателя регулируется моментом закрытия впускного клапана.
При фиксированном моменте закрытия впускного клапана в определенном положении поршня, соответствующем положению, когда в цилиндре давление расширения газов больше давления впуска топливовоздушной смеси, нагрузка двигателя регулируется моментом зажигания смеси. При более позднем зажигании в камеру сгорания поступает большее количество смеси и двигатель развивает большую мощность и обороты. При этом двигатель работает по циклу, в котором топливо сгорает при постоянном объеме.
Рабочий цикл изображен на фиг.8 диаграммой. Цикл состоит из следующих процессов: 28-29 - сжатие воздуха в компрессоре турбокомпрессора и в рабочей полости цилиндра; 29-30 - впуск топливовоздушной смеси в камеру сгорания рабочей полости цилиндра; 30-31 - сгорание топлива в цилиндре при постоянном объеме; 31-28 - расширение газов в цилиндре; 28-32 - выпуск газов из цилиндра.
При изменении момента зажигания смеси, и последовательно момента закрытия впускного клапана, причем закрытие впускного клапана происходит позже момента выравнивания давления расширения газов с давлением впуска топливовоздушной смеси, двигатель работает по смешанному циклу.
Рабочий цикл изображен на фиг.9 диаграммой. Цикл состоит из следующих процессов: 33-34 - сжатие воздуха в компрессоре турбокомпрессора и в рабочей полости цилиндра; 34-35 - впуск топливовоздушной смеси в камеру сгорания рабочей полости; 35-36 - сгорание топлива в цилиндре при постоянном объеме; 36-37 - расширение газов в цилиндре; 37-38 - впуск топливовоздушной смеси и сгорание топлива при постоянном давлении; 38-33 - расширение газов в цилиндре; 33-39 - процесс выпуска газов из цилиндра.
Разделение тактов на впуск - сжатие и сгорание - расширение - выпуск, и аккумулирование воздуха под давлением 3-4 МПа вносит преимущественные отличия от прототипа и существующих конструкций ДВС, а именно: наряду с его основным назначением двигатель может быть использован, одновременно и в отдельности, как компрессор, кроме того, может выполнять функцию пневматического мотора.
В связи с тем, что процесс сгорания топлива в цилиндре управляемый, а процесс сжатия в компрессоре турбокомпрессора и в компрессорной полости цилиндра можно осуществлять более интенсивно, приближая кривую сжатия к изотерме, имеется возможность выбрать наиболее выгодный для данных условий работы двигателя, тип рабочего цикла и значительно увеличить его термический КПД. При этом характеристика двигателя (зависимость момента на рабочем валу от оборотов двигателя) преобразовывается в характеристику, аналогичную характеристике паровой машины. Т.е. традиционная для ДВС характеристика, в которой момент на выходном валу равен нулю, при нулевых оборотах двигателя преобразовалась в характеристику, у которой при оборотах двигателя, равных нулю, момент на выходном валу максимальный. В этой связи отпадает необходимость иметь в схеме редуктор.
Изменение кинематической схемы прототипа уменьшает площадь соприкасающихся поверхностей в подшипниках скольжения и в зубчатых соединениях для синхронизации, исключает необходимость наличия маховика, роль которого выполняют фланцы валов, благодаря чему механический КПД увеличивается;
конструкция двигателя в целом проще аналога, не требует существенного изменения технологии и оснастки для их изготовления на предприятиях общего машиностроения. Предлагаемая схема может быть применена как при рядном расположении оппозитных пар, так и при V-образном.
1. Оппозитный двигатель внутреннего сгорания, содержащий оппозитно расположенные цилиндры с поршнями, смонтированными в корпусе; шток, жестко соединенный с поршнями и с ползуном; направляющие ползуна, которые ограничивают движение ползуна зазорами во всех направлениях, за исключением направления по оси цилиндров; и механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение выходных валов, отличающийся тем, что механизм преобразования движения содержит один или несколько соединительных двухфланцевых валов и два выходных двухфланцевых вала, укладываемых на коренные подшипники скольжения по оси корпуса, проходящей перпендикулярно оси цилиндров и пересекающейся с ней, во фланцах валов по концентрической окружности, диаметр которой равен половине хода поршня, имеются отверстия, в одном из которых на каждом фланце смонтирован подшипник скольжения; соединительные звенья, выполнены в виде параллелепипеда и имеют пальцы с двух сторон широкой плоскости, отстоящие друг от друга на расстоянии, равном четверти хода поршня, ползун, который в средней своей части по оси, перпендикулярной оси цилиндров и параллельной оси валов имеет отверстия, в которые смонтированы подшипники скольжения.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что ползун соединяется с валами соединительным звеном, которое соединено шарнирно с одной стороны в подшипнике с ползуном, а с другой - в подшипнике с соединительным или выходным валом.
3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что такты рабочего цикла разделены, при этом такт всасывания и сжатия осуществляется во внутренней полости цилиндра, а такт расширения и выпуска осуществляется в наружной полости.
4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочий воздух нагнетается в коллектор с аккумулятором до давления 2-4 МПа; смешивается с топливом в инжекторе и распределяется по цилиндрам в определенный момент и в необходимом количестве.
5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что изменением момента зажигания смеси и момента закрытия впускного клапана изменяется рабочий цикл двигателя и осуществляется регулировка процесса сгорания топлива и нагрузки двигателя.
www.freepatent.ru
