Настоящее изобретение относится к двигателям и, в частности, к аксиально-поршневым двигателям внутреннего сгорания с наклонным диском. Энергетическое устройство содержит цилиндры (112), головки цилиндров (112), поршни (110), выходной вал (106), наклонный диск (108), шатуны (114). Цилиндры (112) расположены параллельно. Поршни (110) имеют оси перемещения, параллельные центральным осям цилиндров (112). Поршни (110) образуют с головками цилиндров и цилиндрами (112) камеры сгорания. Выходной вал (106) расположен между цилиндрами центрально. Наклонный диск (108) прикреплен к выходному валу (106). Наклонный диск (108) имеет плоскую несущую поверхность (118), расположенную под углом к оси выходного вала (106). Угол может составлять 45°. Шатуны (114) соединены с поршнями (110) и толкателями (116). Толкатели (116) имеют поверхности с нормальной осью, расположенной под углом к центральным осям поршней (110). Толкатели (116) контактируют с возможностью скольжения с несущей поверхностью наклонного диска (118). Наклонный диск (108) вращает выходной вал (106) при перемещении поршней (110). Наклонный диск может содержать один или два кольцевых выступа (116). Кольцевые выступы (116) удерживают толкатели (116) в контакте с несущей поверхностью (118). Для придания жесткости наклонному диску может быть установлен переходной элемент (200). Цилиндры могут составлять блок цилиндров с картером. Картер может содержать направляющие шатунов и несущие поверхности для взаимодействия с выходным валом. Устройство может содержать впускной (270-274) и выпускной (280-284) каналы, а также нагнетатель. Устройство может функционировать с различными термодинамическими циклами. Технический результат заключается в исключении «боковой нагрузки», снижении динамических нагрузок, возможности использования различных термодинамических циклов. 9 з.п. ф-лы, 16 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в целом к двигателям и, в частности, к аксиально-поршневым двигателям внутреннего сгорания с наклонным диском.
Уровень техники
Двигатель внутреннего сгорания получает энергию в результате сжатия объема топливо-воздушной смеси с последующим синхронизированным воспламенением сжатой топливо-воздушной смеси. Изменение объема в основном происходит в результате возвратно-поступательного движения поршней в осевом направлении в соответствующих цилиндрах. В ходе каждого такта поршень будет изменять объем поступившего в цилиндр газа от минимального объема до максимального объема. В двигателе с циклом Отто, или «четырехтактном» двигателе внутреннего сгорания, при возвратно-поступательном движении каждого поршня топливо-воздушная смесь сжимается, на поршень или поршнем передается усилие, получаемое в результате воздействия расширяющихся газов, создается давление выше атмосферного для перемещения отработавших газов из выпускного канала и создается давление ниже атмосферного во впускном канале для впуска следующей порции топливо-воздушной смеси.
Современный двигатель внутреннего сгорания появился в результате скромных начинаний. В конце XVII века датский физик Кристиан Хюгенс (Christian Huygens) разработал двигатель внутреннего сгорания, заправляемый черным порохом. Предполагается, что двигатель Хюгенса так и не был полностью изготовлен. Позднее, в начале XIX века, Франсуа Исаак де Риваз (Francois Isaac de Rivaz) из Швейцарии изобрел двигатель внутреннего сгорания, работавший на водородном топливе. Сообщалось, что этот двигатель был изготовлен, но не имел коммерческого успеха.
Хотя в определенной степени некогда существовала идея начать работу по двигателю внутреннего сгорания, в действительности разработка началась в середине XIX века. Жан Жозеф Этьен Ленуар (Jean Joseph Etienne Lenoir) разработал и запатентовал двигатели внутреннего сгорания с электрическим искровым зажиганием, работающие на разных видах топлива. Двигатель Ленуара имел неудовлетворительные технические характеристики, не оправдал ожиданий в отношении надежности и потерял популярность. Сообщалось, что двигатель Ленуара испытывал трудности с системой зажигания и имел репутацию двигателя с высоким расходом топлива. Потребление составляло приблизительно 100 кубических футов каменноугольного газа в час. Несмотря на первые неудачи ряд других изобретателей, включая Альфонса Бо де Рочаса (Alphonce Beau de Rochas), Зигфрида Маркуса (Siegfried Marcus) и Джорджа Брайтона (George Brayton), продолжали вносить существенный вклад в создание двигателя внутреннего сгорания.
Изобретатель по имени Николас Аугуст Отто (Nicolaus August Otto) усовершенствовал конструкции Ленуара и Рочаса, чтобы создать двигатель с повышенным коэффициентом полезного действия. Учитывая основные недостатки двигателя Ленуара, Отто понял, что двигатель Ленуара можно усовершенствовать. С этой целью Отто попытался усовершенствовать двигатель Ленуара различными способами. В 1861 году Отто запатентовал двухтактный двигатель, который ранее работал на бензине. Двухтактный двигатель Отто получил золотую медаль на Всемирной выставке в Париже в 1867 году. Хотя двухтактный двигатель Отто был новаторским, его технические характеристики не были конкурентными с паровыми двигателями того времени. Приемлемый двухтактный двигатель не был создан вплоть до 1876 года.
В 1876 году или около того, приблизительно в то же самое время, когда изобретатель по имени Дугалд (Dougald) был занят созданием усовершенствованного двухтактного двигателя, Клаус Отто (Klaus Otto) создал считающийся первым поршневой двигатель внутреннего сгорания с четырехтактным циклом. Первый четырехтактный двигатель Отто может считаться основателем миллионов двигателей внутреннего сгорания массового производства, которые были с тех пор построены. Вклад Отто в создание двигателя внутреннего сгорания таков, что процесс воспламенения смеси топлива и воздуха в современном автомобиле известен как «цикл Отто». Отто получил на свой первый двигатель патент США №365701.
Десять лет после того, как Клаус Отто создал свой первый четырехтактный двигатель, Готлиб Даймлер (Gottlieb Daimler) создал прототип современного бензинового двигателя. В двигателе Даймлера использовался одинарный вертикальный цилиндр с бензином, присоединяемым к поступающему воздуху с помощью карбюратора. В 1889 году Даймлер оснастил усовершенствованный четырехтактный двигатель грибообразными клапанами и двумя цилиндрами. Вильгельм Майбах (Wilhelm Maybach) создал четырехцилиндровый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания в 1890 году. Карбюраторный четырехтактный многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания стал основным транспортным средством с начала 1900-х годов до 1970-х годов, в конечном счете, вытесненный двигателями с впрыском топлива в 1980-х годах.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение представляет собой аксиально-поршневой двигатель, имеющий ряд признаков и усовершенствований, отличающих его не только от обычных двигателей с коленчатым валом, но и от предшествующих аксиально-поршневых двигателей.
Настоящее изобретение относится к энергетическому устройству, содержащему, по меньшей мере, один цилиндр, у которого есть внутренний объем, внутренняя поверхность цилиндра, центральная ось, первый торец и второй торец. По меньшей мере, одна головка цилиндра, содержащая внутреннюю поверхность головки цилиндра, располагается на первом торце цилиндра и жестко крепится к первому торцу, по меньшей мере, одного из цилиндров. По меньшей мере, один поршень, имеющий ось перемещения, параллельную центральной оси, по меньшей мере, одного из цилиндров и содержащий головку поршня, расположенную в направлении к внутренней поверхности головки цилиндра, располагается во внутреннем объеме цилиндра. Днище поршня, внутренняя поверхность цилиндра и внутренняя поверхность головки цилиндра этого цилиндра образуют вместе камеру сгорания этого цилиндра.
Кроме того, устройство содержит центральную ось, имеющую постоянную угловую зависимость с центральной осью цилиндра. Наклонный диск, содержащий первую поверхность наклонного диска, имеющую нормальную ось, составляющую первый фиксированный угол с центральной осью выходного вала, при этом диск крепится к выходному валу. По меньшей мере, один шатун, имеющий главную ось, первый конец крепится к поршню по оси в продольном направлении и относительно оси вращения, а второй конец жестко крепится, по меньшей мере, к одному поршню. По меньшей мере, один толкатель, содержащий первую поверхность толкателя, имеющую нормальную ось, расположенную под первым фиксированным утлом к главной оси шатуна, к которому он жестко крепится, при этом толкатель жестко крепится ко второму концу шатуна. Первая поверхность толкателя входит в соприкосновение и согласуется с ориентацией первой поверхности наклонного диска.
Настоящее изобретение во втором предпочтительном варианте выполнения представляет собой энергетическое устройство, которое содержит выходной вал, содержащий центральную ось, и, по меньшей мере, два цилиндра, расположенные почти симметрично центральной оси выходного вала. Центральная ось каждого цилиндра параллельна центральной оси выходного вала, при этом цилиндр имеет внутренний объем, внутреннюю поверхность цилиндра, центральную ось, первый торец и второй торец.
По меньшей мере, две головки цилиндра, содержащие, каждая, внутреннюю поверхность головки цилиндра, располагаются и жестко крепятся к первому торцу одного из цилиндров. Устройство содержит, по меньшей мере, два поршня, причем каждый поршень перемещается по оси, совпадающей с центральной осью цилиндра, расположен во внутреннем объеме цилиндра и содержит головку поршня, расположенную в направлении внутренней поверхности головки цилиндра, которая жестко крепится к этому цилиндру. Днище поршня, внутренняя поверхность цилиндра и внутренняя поверхность головки цилиндра вместе образуют камеру сгорания этого цилиндра.
Наклонный диск прикреплен к выходному валу, содержащему контактную поверхность синхронизации наклонного диска, фиксированную к ориентации выходного вала относительно центральной оси выходного вала. По меньшей мере, два шатуна, имеющие, каждый, главную ось, причем первый конец и второй конец крепятся, каждый, к поршню по оси в продольном направлении и относительно оси вращения. По меньшей мере, два толкателя, содержащие контактную поверхность синхронизации толкателя, фиксированную к ориентации шатуна относительно главной оси шатуна и ориентации контактной поверхности синхронизации наклонного диска, крепятся жестко, причем каждый, ко второму концу шатуна.
Энергетическое устройство содержит выходной вал, имеющий центральную ось, четыре цилиндра, расположенные симметрично и равноудалено относительно центральной оси выходного вала и подвижные в осевом направлении по отношению к выходному валу, четыре головки цилиндра и четыре поршня соединены с наклонным диском посредством четырех толкателей.
Четыре цилиндра расположены симметрично и равноудалено относительно центральной оси выходного вала и выполнены подвижными в осевом направлении по отношению к выходному валу. Центральная ось каждого цилиндра параллельна центральной оси выходного вала, при этом у цилиндра есть внутренний объем, внутренняя поверхность головки цилиндра, центральная ось, первый торец и второй торец. Каждая из четырех головок цилиндров имеет внутреннюю поверхность, впускной канал и выпускной канал. Каждая такая головка цилиндра расположена на первом торце цилиндра и жестко к нему крепится.
Каждый из четырех поршней имеет ось перемещения, совпадающую с центральной осью цилиндра, располагается во внутреннем объеме цилиндра и имеет головку поршня, расположенную в направлении внутренней поверхности головки цилиндра, которая жестко крепится к этому цилиндру. Днище поршня, внутренняя поверхность цилиндра и внутренняя поверхность головки цилиндра вместе образуют камеру сгорания этого цилиндра.
Предпочтительным является то, что энергетическое устройство содержит расположенные на расстоянии друг от друга несущие поверхности на картере, предназначенные для взаимодействия с выходным валом.
Энергетическое устройство выполнено с возможностью функционирования в соответствии с циклом Отто, или циклом Стирлинга, или циклом Дизеля, или двойным циклом.
Энергетическое устройство предпочтительно содержит нагнетатель для подачи сжатого воздуха в упомянутые камеры цилиндров.
Наклонный диск крепится к выходному валу и имеет по существу плоскую поверхность, имеющую нормальную ось, расположенную под углом в основном 45 градусов к центральной оси выходного вала. Четыре шатуна, имеющие, причем каждый, главную ось, первый конец прикрепленный к поршню аксиально с возможностью вращения, и второй конец, при этом шатуны соединены с наклонным диском посредством четырех толкателей, каждый из которых жестко крепится ко второму торцу шатуна. Каждый из толкателей имеет по существу плоскую поверхность толкателя, прикрепленную к шатуну, и имеет нормальную ось, расположенную под углом, в основном, 45 градусов к центральной оси выходного вала.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, на которых представлено:
фиг.1 - частичный разрез в изометрической проекции двигателя внутреннего сгорания в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2 - изометрическая проекция возвратно-поступательного устройства двигателя внутреннего сгорания, по фиг.1;
фиг.3 - фронтальная проекция возвратно-поступательного устройства двигателя внутреннего сгорания, по фиг.1;
фиг.4 - боковая проекция возвратно-поступательного устройства двигателя внутреннего сгорания, по фиг.1;
фиг.5 - вид сверху возвратно-поступательного устройства двигателя внутреннего сгорания, по фиг.1;
фиг.6 - изометрическая проекция поршня, используемого в возвратно-поступательном устройстве, по фиг.2;
фиг.7 - фронтальная проекция поршня, используемого в возвратно-поступательном устройстве, по фиг.2;
фиг.8 - боковая проекция поршня, используемого в возвратно-поступательном устройстве, по фиг.2;
фиг.9 - вид сверху поршня, используемого в возвратно-поступательном устройстве, по фиг.2;
фиг.10 - изометрическая проекция наклонного диска в возвратно-поступательном устройстве, по фиг.2;
фиг.11 - фронтальная проекция наклонного диска в возвратно-поступательном устройстве, по фиг.2;
фиг.12 - боковая проекция наклонного диска, используемого в возвратно-поступательном устройстве, по фиг.2;
фиг.13 - вид сверху наклонного диска, используемого в возвратно-поступательном устройстве, по фиг.2;
фиг.14 - боковой разрез головки цилиндра и картера двигателя, по фиг.1;
фиг.15 - головка цилиндра в изометрической проекции в разрезе по линии 15-15, по фиг.14; и
фиг.16 - головка цилиндра в изометрической проекции в разрезе по линии 16-16 по фиг.14.
Осуществление изобретения
Создание и применение различных вариантов выполнения настоящего изобретения подробно описаны ниже, следует учесть, что настоящее изобретение представляет множество изобретательских идей, которые могут осуществляться в широком диапазоне для конкретного использования. Описываемые здесь конкретные варианты выполнения являются просто иллюстрирующими частные случаи выполнения и применения изобретения и не ограничиваются объемом изобретения.
Двигатель 100 содержит блок цилиндров 102 и картер 104, расположенные рядом с выходным валом 106. Наклонный диск 108 имеет в целом плоскую несущую поверхность 118, содержащую нормальную ось, расположенную под углом к главной продольной оси выходного вала 106. Комплект из четырех цилиндрических поршней 110 расположен в четырех соответствующих цилиндрах 112 и соединен для совместной работы с наклонным диском 108 посредством шатунов 114 через толкатели 116, выполненные в виде опор шатунов, которые скользят по несущей поверхности 118 наклонного диска 108. Каждая из указанных опор шатунов в целом имеет плоскую нижнюю поверхность с главной нормальной осью, расположенной под углом к главной продольной оси шатуна 114, к которому она жестко крепится.
Каждый поршень 110 содержит юбку 150 и головку 152 поршня. В варианте выполнения, показанном на фиг.1-9, в головке 152 поршня выполнена пара гнезд 154 и 156 клапана, хотя в других вариантах выполнения одно гнездо или оба гнезда 154 и 156 могут отсутствовать. Аналогично, тогда как гнезда 154 и 156 показаны как симметрично расположенные и имеющие специфическую конфигурацию, гнезда 154 и 156 могут иметь и другую конфигурацию в предпочтительных вариантах выполнения.
В юбке 150 поршня выполнена канавка 158 для компрессионного кольца и выполнены канавки 160, 162 для маслосъемных поршневых колец. В предпочтительных вариантах выполнения количество поршневых кольцевых канавок 158, 160, 162 различно в зависимости от конкретных требований по применению. Для специалистов в данной области техники очевидно, что в настоящем изобретении может использоваться широкое разнообразие типов поршневых колец опять же в зависимости от конкретного применения.
Шатун 114 соединяет поршень 150 с толкателем 116, выполненным в виде эллиптической опоры шатуна. Указанная эллиптическая опора шатуна имеет верхнюю поверхность 164, нижнюю поверхность 166 и наружную кромку 168. Эллиптическая опора шатуна при установке на наклонный диск 108 захватывается по внешней поверхности 164 внутренним кольцевым выступом 120 и внешним кольцевым выступом 122, тогда как нижняя поверхность 166 скользит по несущей поверхности 118 наклонного диска. Наклонный диск 108 включает переходный элемент 200, который предпочтительно выполнен коническим для придания жесткости наклонному диску 108 при моменте нагрузки на несущую поверхность 118 наклонного диска.
Для специалиста в данной области техники очевидно, что двигатель 100 заметно отличается от традиционных двигателей внутреннего сгорания. В наиболее общепринятой компоновке традиционного двигателя внутреннего сгорания поршни двигателя соединены с вращающимся коленчатым валом посредством комплекта шатунов, для того чтобы преобразовать возвратно-поступательное движение поршней в осевом направлении в непрерывное вращательное движение коленчатого вала. Хотя были разработаны и внедрены в широком множестве схемы расположения цилиндров, включая хорошо известную «V-образную» конфигурацию (как V8), рядную, оппозитную (также известную как «плоская конфигурация») и радиальную конфигурации, все эти двигатели объединяет в основе вышеописанная конфигурация коленчатого вала.
Несмотря на их преимущества энергетические установки с кривошипным шарнирным соединением и возвратно-поступательным движением имеют присущие им недостатки. Когда поршень находится в пределах своего хода, за исключением нахождения в двух отдельных точках, а именно в верхней мертвой точке и в нижней мертвой точке, то шатун в это время располагается под углом к центральной линии цилиндра, внутри которого располагается поршень. Воздействие сил на ось шатуна, следовательно, должно получать противодействие в граничном слое между поршнем и стенкой цилиндра. Нагрузка, оказываемая поршнем на стенку цилиндра, известна как «боковая нагрузка» поршня. Когда давление в цилиндре возрастает, воздействие боковой нагрузки может стать серьезной проблемой в отношении износостойкости, также как и потерь на трение. Кроме того, динамические центробежные нагрузки на детали двигателя возрастают геометрически с частотой вращения двигателя в двигателе с кривошипно-шатунным механизмом, ограничивая как выходную мощность, так и отношение мощности к весу таких двигателей с коленчатым валом.
В двигателе с коленчатым валом геометрия коленчатого вала и шатуна такова, что когда кривошип поворачивается и поршень движется в пределах своего перемещения, поршень находится около нижней мертвой точки (где энергия не вырабатывается) по времени больше, чем около верхней мертвой точки (где энергия вырабатывается). Эта присущая характеристика может учитываться до некоторой степени при использовании более длинного шатуна, но перемещение поршня относительно времени может только приблизиться, но не может соответствовать абсолютному синусоидальному перемещению. Значение этого действия имеет обратную зависимость к отношению полезной длины шатуна к длине хода шатуна, но это особенно выражается в двигателях, у которых соотношение шатун-ход соответствует или ниже 1,5:1.
Величина ускорения поршня вне положения верхней мертвой точки в двигателе, имеющем низкое соотношение шатун-ход, такова, что полезное давление в камере сгорания не может поддерживаться при более высокой частоте вращения коленчатого вала. Это происходит потому, что скорость горения топливо-воздушной смеси в камере сгорания, от чего зависит давление в камере сгорания, ограничивается скоростью реакции углеводородного топлива и кислорода. При длинном такте короткоходного двигателя с высокой частотой вращения коленчатого вала вызываемое в результате перемещения поршня увеличение объема превосходит повышение давления в результате горения. Т.е. поршень «обгоняет» расширение топливо-воздушной смеси в камере сгорания, так что давление в результате расширения смеси не приводит к ускорению движения поршня или, вследствие этого, к повышению частоты вращения коленчатого вала.
Время пребывания поршня вблизи верхней мертвой точки может быть в некоторой степени увеличено при использовании более высокого соотношения шток-ход. Большее по значению соотношение шток-ход может быть достигнуто или за счет более короткого хода, или более длинного шатуна. У каждого из двух решений есть собственные трудности. При должном уважении к использованию более короткого хода, хотя двигатель с более коротким ходом может быть меньше и легче, чем двигатель с более длинным ходом, преимущества не сводятся к линейности. Например, длина хода коленчатого вала не оказывает какого-либо влияния на размер и вес поршней, головок цилиндров, шатунов или вспомогательных агрегатов двигателя. Более короткий ход позволяет сделать коленчатый вал и блок цилиндров меньше и легче, но даже эти результаты не являются линейно зависимыми, то есть даже уменьшение наполовину длины хода коленчатого вала не позволяет уменьшить наполовину массу коленчатого вала или блока цилиндров.
При всех прочих равных показателях, относящихся к технической характеристике двигателя, более короткоходный двигатель будет иметь пропорционально меньший рабочий объем по сравнению с более длинноходным двигателем. Соответственно, более короткоходный двигатель в целом произведет меньший крутящий момент по сравнению с более длинноходным двигателем. Этот меньший крутящий момент преобразуется в меньшую мощность на выходном валу двигателя при той же самой частоте вращения коленчатого вала. Соответственно, более короткоходный двигатель должен работать с большей скоростью для того, чтобы произвести такую же мощность на выходном валу. Потеря крутящего момента в результате уменьшения рабочего объема также компенсирована увеличением коэффициента полезного действия за счет более эффективной установки фаз газораспределения, лучшей конструкции камеры сгорания или более высокой степени сжатия. Более эффективная установка фаз газораспределения и улучшение конструкции камеры сгорания, однако, в целом требуют значительного инвестирования в научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, и максимальная степень сжатия в двигателе внутреннего сгорания ограничивается характеристиками самовоспламенения топлива двигателя. Для двигателей без наддува, работающих на высококачественных марках бензина, существует предел практической степени сжатия, в основном 11:1, диктуемый характеристиками самовоспламенения топливо-воздушной смеси двигателя, таким образом, ограничивая повышение эффективности благодаря увеличению одной лишь степени сжатия.
Потеря мощности из-за укорачивания хода двигателя может быть компенсирована посредством увеличения расточенного диаметра цилиндров двигателя, увеличивая посредством этого рабочий объем двигателя. В то время как рабочий объем двигателя является линейно пропорциональным длине хода, он является геометрически пропорциональным расточенному отверстию диаметра цилиндра. Соответственно, уменьшение на 10% длины хода может быть более чем компенсировано увеличением на 5% расточенного отверстия диаметра цилиндра. При всех прочих равных факторах увеличение диаметра расточенного отверстия цилиндра требует увеличения массы поршня, что требует соответствующего повышения прочности шатуна и уравновешивающей массы коленчатого вала. Если два или более чем два цилиндра двигателя расположены в ряд, что является обычным для современных двигателей с коленчатым валом, то для цилиндров с увеличенным диаметром потребуются более длинные блок цилиндров, головки цилиндров и коленчатый вал, таким образом, увеличивая размеры и вес двигателя.
Второй подход к увеличению соотношения шток-ход заключается в удлинении штоков. В этом состоит преимущество увеличения соотношения шток-ход без уменьшения рабочего объема двигателя. Удлинение штоков при оставлении всех других параметров без изменений, однако, приведет к сдвигу местоположения верхней мертвой точки поршней дальше от центральной осевой линии коленчатого вала. Т.о. увеличение на один дюйм длины шатуна приведет в результате к увеличению на один дюйм расстояния между центральной осевой линией коленчатого вала и днищем поршня, находящегося в положении верхней мертвой точки. Это потребует соответствующего увеличения цилиндров по длине для того, чтобы обеспечить достаточный рабочий объем цилиндров. И опять размеры и масса двигателя увеличиваются.
В противоположность к необходимости выбора оптимального соотношения из всего, что заложено в конструкцию традиционного двигателя с коленчатым валом, в аксиально-поршневом двигателе с наклонным диском того типа, который здесь изображен и описан, поршень может перемещаться по синусоидальной кривой, увеличивая, посредством этого, время пребывания в положении верхней мертвой точки и, следовательно, потенциал рабочих характеристик двигателя.
В дополнение к преимуществам кинематики, реализованным благодаря применению наклонного диска, перемещение поршней в цилиндрах может быть использовано для улучшения рабочих характеристик и гибкости в применении двигателя, и особенно при использовании двухтактной конфигурации, хотя конструкция ни в коем случае не ограничивается такой конфигурацией. Как может быть оценено специалистом в данной области техники, в альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения могут использоваться любые из известных в термодинамике рабочих циклов для выработки энергии, включающих, но конечно не ограниченных, например, четырехтактным циклом (Отто), циклом Дизеля, циклом Стирлинга, циклом Брайтона, циклом Карно и циклом (с 5-точками) Зейлигера.
Двигатель 100, изображенный на фиг.1-16, является двухтактным по конфигурации, имеет впускные и выпускные каналы, расположенные в боковых стенках цилиндров 112. Схема расположения блока цилиндров 102 и расположение каналов впуска и выпуска в двигателе 100 показано подробно на фиг.14-16. Блок 102 цилиндров жестко крепится к картеру 104 двигателя стяжными болтами 252. Наклонный диск 108 жестко крепится вертикально внутри картера 104 между верхним кольцом 256 подшипника и нижним кольцом 258 подшипника. Ряд направляющих 260 шатунов выполнен соответствующим по форме и размерам для принятия и направления шатунов 114 и расположен в верхней части картера 104.
Воздух и топливо поступают в каждый цилиндр 112 через ряд впускных каналов 270-274. В вариантах выполнения может использоваться, по необходимости, больше или меньше впускных каналов. В варианте выполнения, показанном на фиг.14-16, топливо вводится во всасываемую смесь через одинарный канал 290 впрыска топлива, расположенного в каждом впускном канале 270. В зависимости от применения в предпочтительных вариантах выполнения может использоваться один или более каналов впрыска топлива, расположенных в одном или большем количестве мест, или может использоваться, при необходимости, насыщение парами бензина или впрыск топлива в корпусе дроссельных заслонок. Когда головка поршня опускается во время рабочего хода в нижнем направлении, сгоревшая топливо-воздушная смесь выпускается из каждого цилиндра 112 через один или более выпускных каналов, такие как каналы 280-284.
Поступающий поток через каналы 270-274 и выпуск через каналы 280-284 регулируется в зависимости от местоположения и полярной координаты поршня 110 внутри каждого цилиндра 112. Тогда как конструкции традиционного двухтактного двигателя были известны тем, что использовали исходное положение поршня для регулирования синхронизации открытия клапана для впуска и/или закрытия клапана для выпуска, в двигателе 100 исходное положение каждого поршня 110 используется в сочетании с радиальной ориентацией каждой позиции для регулирования синхронизации времени впуска/или выпуска. Соответственно, двигатель 100 обеспечивает значительную степень дополнительной гибкости для разработчика двигателя и регулировщика по сравнению со степенью гибкости, существовавшей в предыдущих конструкциях.
Хотя это изобретение было описано со ссылкой на наглядные примеры вариантов выполнения, данное описание не предполагает быть истолкованным ограничительно. Различные изменения и комбинации наглядных примеров вариантов выполнения, также как и других вариантов выполнения изобретения, будут очевидными для специалистов в данной области техники при ссылке на описание. Следовательно, предполагается, что данное описание охватывает любые изменения или выполнения.
1. Энергетическое устройство, содержащее множество цилиндров, расположенных параллельно на определенном расстоянии друг от друга, при этом каждый цилиндр имеет центральную ось и первый и второй торцы; головку цилиндра для каждого из упомянутых цилиндров, имеющую внутреннюю поверхность и расположенную на первом торце цилиндров, соответственно; поршни, расположенные в каждом из упомянутых цилиндров и имеющие оси перемещения, параллельные центральным осям упомянутых цилиндров, соответственно, при этом поршни обращены лицевой стороной к головкам цилиндров и образуют с головками цилиндров и цилиндрами соответствующие камеры сгорания; выходной вал двигателя, расположенный между упомянутыми цилиндрами в основном центрально и имеющий центральную ось вала; наклонный диск, прикрепленный к выходному валу и имеющий плоскую несущую поверхность, расположенную под фиксированным углом по отношению к центральной оси выходного вала; части шатунов, имеющие первые концы, прикрепленные к поршням, при этом части шатунов соединены на их противоположных концах с толкателями; толкатели имеют поверхности, каждая из которых имеет нормальную ось, расположенную под фиксированным углом к центральным осям поршней, соответственно, при этом упомянутые поверхности толкателя контактируют с возможностью скольжения с упомянутой несущей поверхностью наклонного диска для осуществления вращения выходного вала в ответ на перемещение поршней в цилиндрах соответственно.
2. Устройство по п.1, в котором наклонный диск содержит, по меньшей мере, один кольцевой выступ, находящийся в зацеплении с толкателями, соответственно, для удерживания толкателей в контакте с несущей поверхностью.
3. Устройство по п.2, в котором наклонный диск содержит, по меньшей мере, два расположенных на расстоянии друг от друга кольцевых выступа, находящихся в зацеплении с толкателями для удерживания толкателей в контакте с несущей поверхностью.
4. Устройство по п.1, которое содержит переходной элемент между наклонным диском и выходным валом для придания жесткости наклонному диску и сопротивления нагрузкам, воздействующим на несущую поверхность.
5. Устройство по п.1, которое содержит расположенные на расстоянии друг от друга впускной и выпускной каналы, открывающиеся в цилиндры и расположенные в заданных местах для обеспечения впуска и нагнетания жидкости по отношению к цилиндрам в зависимости от положения в осевом направлении и полярной координаты поршней в упомянутых цилиндрах соответственно.
6. Устройство по п.1, в котором цилиндры составляют блок цилиндров, соединенный с частью картера двигателя, при этом часть картера содержит соответствующие направляющие шатунов, предназначенные для приема и направления шатунов.
7. Устройство по п.6, которое содержит расположенные на расстоянии друг от друга несущие поверхности на картере, предназначенные для взаимодействия с выходным валом.
8. Устройство по п.1, которое выполнено с возможностью функционирования в соответствии с циклом Отто, или циклом Стирлинга, или циклом Дизеля, или двойным циклом.
9. Устройство по п.1, которое содержит нагнетатель для подачи сжатого воздуха в упомянутые камеры цилиндров.
10. Устройство по п.1, в котором несущая поверхность наклонного диска расположена под углом в основном 45° по отношению к центральной оси выходного вала.
www.findpatent.ru
Изобретение относится к двигателестроению. Технический результат заключается в возможности создания аксиально-поршневого двигателя, отличающегося повышенной надежностью и малыми габаритами, в котором в процессе работы изменяется давление свежего заряда. Согласно изобретению двигатель содержит блок цилиндров с цилиндрами рабочей секции и с цилиндрами компрессорной секции. В блоке цилиндров установлен с возможностью вращения в подшипниковых опорах коленчатый вал с кривошипом. Расположенные в цилиндрах попарно поршни рабочей секции и поршни компрессорной секции для предотвращения осевого разворота имеют некруглую форму, например овальную. Поршни связаны штоками через сферические шарниры с рычагами наклонной шайбы, в которой соосно с ней выполнено отверстие, с обеих сторон которого симметрично расположены подшипниковые опоры, соединяющие наклонную шайбу с кривошипом. В корпусе на двух противоположно расположенных цапфах шарнирно установлена крестовина, а наклонная шайба выполнена с возможностью качания на двух противоположно расположенных цапфах, которые установлены шарнирно в крестовине. При этом двигатель дополнительно содержит компрессор с электроприводом от системы электрооборудования, включаемый для создания давления в ресивере перед запуском двигателя и при необходимости повышения степени сжатия. Кроме того, выход компрессорной секции и выход компрессора через воздушный ресивер подключены к входам впускных клапанов головки цилиндров рабочей секции. 2 ил. 
Изобретение относится к двигателестроению, конкретнее к аксиально-поршневым двигателям внутреннего сгорания с осями цилиндров, расположенных в одной плоскости с осью ведущего вала, и с качающейся наклонной шайбой.
Известен аксиально-поршневой двигатель, содержащий блок цилиндров, поршни с шатунами, установленные в блоке цилиндров, ведущий вал, наклонную шайбу с установленной на ней качающейся шайбой, связанной с шатунами, дополнительные в каждом цилиндре встречно расположенный поршень с шатуном, по меньшей мере один полый промежуточный вал, одну дополнительную наклонную шайбу с установленной на ней качающейся шайбой, связанной с шатунами встречно расположенных поршней, причем на каждом полом промежуточном валу установлены обе наклонные шайбы, при этом каждый промежуточный вал связан с ведущим валом через цилиндрические зубчатые передачи, а каждая качающаяся шайба связана с ведущим валом через коническую и цилиндрическую зубчатые передачи (см. описание изобретения к патенту РФ №2163682, МПК F02В 75/32, F02В 75/26, F01В 3/02, публикация 27.02.2001 г.).
Недостатком известного двигателя является невысокий КПД из-за большого количества зубчатых зацеплений.
Известен аксиально-поршневой двигатель, содержащий корпус, установленный в корпусе на подшипниках скольжения с возможностью вращения ведущий вал с первой осью симметрии и с кривошипом, блок цилиндров, оси которых параллельны первой оси ведущего вала, расположенные в цилиндрах поршни с шатунами, наклонную шайбу со второй осью и с центральной цапфой, связанной шарнирно с возможностью качания с кривошипом, при этом наклонная шайба шарнирно соединена посредством шатунов с поршнями, крестовину с двумя противоположно расположенными на третьей оси цапфами, которые установлены шарнирно в корпусе на подшипниках качения, кроме того, наклонная шайба выполнена с дополнительными двумя противоположно расположенными на четвертой оси цапфами, которые установлены шарнирно в крестовине посредством подшипников качения, при этом четвертая ось перпендикулярна третьей оси и пересекается в общей точке с первой, второй и третьей осями (см. описание полезной модели к патенту РФ №40393, МПК F01В 3/02, публикация 10.09.2004 г.).
Недостатком этого двигателя, принятого за прототип, является консольное расположение ведущего вала, что увеличивает габариты двигателя, повышает нагрузку на шарнир центральной цапфы, связанный с кривошипом, и соответственно снижает надежность двигателя в целом.
Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности, уменьшение габаритов, изменение степени сжатия в процессе работы аксиально-поршневых двигателей.
Сущность изобретения заключается в том, что аксиально-поршневой двигатель, содержит блок цилиндров с цилиндрами рабочей секции и с цилиндрами компрессорной секции, установленный в блоке цилиндров с возможностью вращения в подшипниковых опорах коленчатый вал с кривошипом и с первой осью симметрии, которая расположена в одной плоскости с осями цилиндров, расположенные в цилиндрах попарно поршни рабочей секции и поршни компрессорной секции, для предотвращения осевого разворота имеющие некруглую форму (например овальную), с штоками, наклонную шайбу с рычагами, со второй осью симметрии и с соосным с ней отверстием, с обеих сторон которого симметрично расположены подшипниковые опоры, соединяющие наклонную шайбу с кривошипом, при этом наклонная шайба скользящими по ее рычагам сферическими шарнирами соединена с штоками и поршнями, крестовину с двумя противоположно расположенными на третьей оси цапфами, которые установлены шарнирно в корпусе в подшипниковых опорах, кроме того, наклонная шайба выполнена с возможностью качания на двух противоположно расположенных на четвертой оси цапфах, которые установлены шарнирно в крестовине в подшипниковых опорах, при этом четвертая ось перпендикулярна третьей оси и пересекается в общей точке с первой, второй и третьей осями, двигатель дополнительно содержит головку цилиндров компрессорной секции, компрессор с электроприводом от системы электрооборудования, включаемый перед запуском двигателя и при необходимости повышения степени сжатия, воздушный ресивер, распределительный вал с кулачками для управления через толкатели впускными и выпускными клапанами головки цилиндров рабочей секции, который установлен на продолжении первой оси в блоке цилиндров в подшипниковой опоре, при этом выход компрессорной секции и выход компрессора через воздушный ресивер подключены к входам впускных клапанов головки цилиндров.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 показан аксиально-поршневой двигатель, общий вид в продольном разрезе;
на фиг.2 - то же, поперечный разрез А-А.
Аксиально-поршневой двигатель содержит блок цилиндров 1 с цилиндрами 2 рабочей секции и с цилиндрами 3 компрессорной секции, установленный в блоке цилиндров 1 с возможностью вращения в подшипниковых опорах 4, 5 коленчатый вал 6 с кривошипом 7 и с первой осью симметрии, которая расположена в одной плоскости с осями цилиндров 2, 3, расположенные в цилиндрах 2, 3 попарно поршни 8 рабочей секции и поршни 9 компрессорной секции, для предотвращения осевого разворота имеющие некруглую форму (например овальную), с штоками 10, наклонную шайбу 11 с рычагами 12, со второй осью симметрии и с соосным с ней отверстием, с обеих сторон которого симметрично расположены подшипниковые опоры 13, 14, соединяющие наклонную шайбу 11 с кривошипом 7, при этом наклонная шайба 11 скользящими по ее рычагам 12 шарнирами 15 и штоками 10 соединена с поршнями 8 и 9, крестовину 16 с двумя противоположно расположенными на третьей оси цапфами 17, 18, которые установлены шарнирно в блоке цилиндров 1 в подшипниковых опорах 19, 20, кроме того, наклонная шайба 11 выполнена с возможностью качания на двух противоположно расположенных на четвертой оси цапфах 21, 22, которые установлены шарнирно в крестовине 16 в подшипниковых опорах 23, 24, при этом четвертая ось перпендикулярна третьей оси и пересекается в общей точке с первой, второй и третьей осями, двигатель дополнительно содержит головку цилиндров 25 компрессорной секции, компрессор 26 с электроприводом от системы электрооборудования, воздушный ресивер 27, распределительный вал 28 с кулачками 29, 30 для управления через толкатели 31, 32 впускными 33 и выпускными 34 клапанами головки цилиндров 35 рабочей секции, который установлен на продолжении первой оси в блоке цилиндров 1 в подшипниковой опоре 36, при этом выход компрессорной секции и выход компрессора через воздушный ресивер 27 подключены к входам впускных клапанов 33 головки цилиндров 35 рабочей секции. В головке цилиндров 35 установлены форсунки 37 подачи топлива.
Аксиально-поршневой двигатель работает следующим образом. При вращении коленчатого вала 6 в подшипниковых опорах 4, 5 в цилиндрах 3 компрессорной секции поршнями 9 сжимается воздух и вытесняется в воздушный ресивер 27. Циклы впуска и сжатия. При положении поршня 8 в верхней мертвой точке цилиндра 2 блока цилиндров 1 при вращении коленчатого вала 6 закрывается выпускной клапан 34 и открывается впускной клапан 33, размещенные в головке цилиндров 35. При движении поршня 8 в направлении нижней мертвой точки рабочая полость цилиндра 2 наполняется сжатым воздухом из ресивера 27. При положении поршня 8, в котором объем надпоршневой полости равен объему камеры сгорания, закрывается впускной клапан 33 и производится впрыск топлива через форсунку 37. Начало цикла рабочего хода. При достижении поршнем 8 нижней мертвой точки (или с некоторым опережением) открывается выпускной клапан 34. Окончание рабочего хода и начало цикла выпуска. При движении поршня 8 от нижней мертвой точки к верхней происходит удаление выхлопных газов. Совершающие возвратно-поступательное движение поршни 8 через штоки 10, шарниры 15 воздействуют на рычаги 12 наклонной шайбы 11, качающейся на цапфах 21, 22 в подшипниковых опорах 23, 24 крестовины 16 относительно оси IV и совместно с крестовиной 16 в подшипниковых опорах 19, 20 блока цилиндров 1 относительно оси III. В результате наклонная шайба 11 через подшипниковые опоры 13, 14 воздействует на кривошип 7, совершающий с коленчатым валом 6 круговое движение относительно оси I в подшипниковых опорах 4, 5 и с распределительным валом 28 в подшипниковой опоре 36 с кулачками 29, 30, воздействующими через толкатели 31, 32 на соответствующие впускные 33 и выпускные 34 клапаны головки цилиндров 35 двигателя. Компрессор 26 служит для создания давления воздуха в воздушном ресивере 27 перед запуском двигателя и увеличения давления в процессе работы с целью повышения степени сжатия.
Заявленное изобретение позволит повысить надежность, уменьшить габариты, изменять степень сжатия в процессе работы аксиально-поршневых двигателей.
Аксиально-поршневой двигатель, содержащий блок цилиндров с цилиндрами рабочей секции и с цилиндрами компрессорной секции, установленный в блоке цилиндров с возможностью вращения в подшипниковых опорах коленчатый вал с кривошипом и с первой осью симметрии, которая расположена в одной плоскости с осями цилиндров, расположенные в цилиндрах попарно поршни рабочей секции и поршни компрессорной секции, для предотвращения осевого разворота имеющие некруглую форму (например, овальную), с штоками, наклонную шайбу со второй осью симметрии, крестовину с двумя противоположно расположенными на третьей оси цапфами, которые установлены шарнирно в корпусе в подшипниковых опорах, кроме того, наклонная шайба выполнена с возможностью качания на двух противоположно расположенных на четвертой оси цапфах, которые установлены шарнирно в крестовине в подшипниковых опорах, при этом четвертая ось перпендикулярна третьей оси и пересекается в общей точке с первой, второй и третьей осями, двигатель дополнительно содержит головку цилиндров компрессорной секции, воздушный ресивер, распределительный вал с кулачками для управления через толкатели впускными и выпускными клапанами головки цилиндров рабочей секции, который установлен на продолжении первой оси в блоке цилиндров в подшипниковой опоре, при этом выход компрессорной секции и выход компрессора через воздушный ресивер подключены к входам впускных клапанов головки цилиндров, отличающийся тем, что двигатель дополнительно содержит компрессор с электроприводом от системы электрооборудования, включаемый для создания давления в ресивере перед запуском двигателя и при необходимости повышения степени сжатия, а наклонная шайба имеет отверстие, с обеих сторон которого симметрично расположены подшипниковые опоры, соединяющие наклонную шайбу с кривошипом, при этом наклонная шайба скользящими по ее рычагам сферическими шарнирами соединена с штоками и поршнями.
www.freepatent.ru
Изобретение относится к двигателестроению, к аксиально-поршневым двигателям внутреннего сгорания с осями цилиндров, расположенными в одной плоскости с осью ведущего вала и с пространственно-качающейся наклонной шайбой. Аксиально-поршневой двигатель содержит блоки цилиндров рабочей (1) и компрессорной (7) секций, коренной вал (13) с наклонными дисками (14, 15), распределительный вал (16), пространственно-качающиеся шайбы (18, 19), опоры (24) с рычагами (25), головку цилиндров рабочей секции (26) с камерами сгорания изменяющегося объема (27), головку цилиндров компрессорной секции (39), впускные коллектора (43), компрессор (44), топливный насос (45) и камеры противодавления (47). Блоки цилиндров (1 и 7) содержат попарно диаметрально противоположно расположенные цилиндры (2, 8). Пространственно-качающиеся шайбы (18, 19) установлены по одной на каждую пару цилиндров (2, 8) и выполнены с цапфами (20, 21). Камеры сгорания изменяющегося объема (27) содержат обратные (28), выпускные (30) и впускные (31) клапаны. Впускные клапаны (31) выполнены с разгрузочными полостями (32). Разгрузочные полости (32) соединены с выпускными коллекторами (33) каналами (34). Головка цилиндров компрессорной секции (39) содержит обратные клапаны на входе (41) и на нагнетании воздуха (41). Клапаны на нагнетании (41) соединены трубопроводами (42) с обратными клапанами (28) на входе воздуха в камеры сгорания (27). Рычаги (25), качающиеся в опорах (24), жестко соединены с шарнирами (5, 11). Камеры противодавления (47) расположены в головке цилиндров (26) рабочей секции и соединены между собой каналами (48). Поршни (46), перемещаясь внутрь камер противодавления (47), увеличивают объем камер сгорания (27) и возвращаются в исходное положение при снижении давления в камерах сгорания (27). Технический результат заключается в снижении нагрузок на детали двигателя при сохранении мощности. 4 ил.
Изобретение относится к двигателестроению, конкретнее к аксиально-поршневым двигателям внутреннего сгорания с осями цилиндров, расположенных в одной плоскости с осью ведущего вала, и с пространственно-качающейся наклонной шайбой.
Известен аксиально-поршневой двигатель, содержащий неподвижный корпус, цилиндры с двумя встречными поршнями в каждом, коренной вал с жестко закрепленными на нем дисками, на наружной поверхности которых через подшипники установлены пространственно-качающиеся шайбы, при этом поршни шарнирно соединены с шатунами, противоположные концы которых шарнирно соединены с качающимися шайбами, а оси цилиндров выполнены параллельными оси коренного вала, двигатель снабжен кольцами, каждая шайба соединена с одним из них посредством двух цапф, расположенных друг против друга на внутренней стороне кольца, кольца соединены с корпусом двумя другими цапфами, расположенными друг против друга с внешней стороны колец, и установлены с возможностью покачивания вокруг осей наружных цапф, расположенные на внутренней и внешней сторонах, перпендикулярны между собой и лежат в одной плоскости с центром вращения дисков и центром пространственного покачивания шайб (см. описание изобретения к патенту РФ №2125162, МПК6 F01В 3/02, F02В 75/26, публикация 20.01.99).
Недостатками этого двигателя являются недостаточно эффективный способ продувки выхлопных газов и наполнения цилиндров воздухом, а также недостаточная надежность узлов крепления шатунов.
Известен аксиально-поршневой двигатель, содержащий головку цилиндров компрессорной секции с впускными клапанами и с обратными клапанами на нагнетании воздуха, блок цилиндров компрессорной секции с поршнями и жестко закрепленными на них штоками с шарнирами, блок цилиндров рабочей секции с попарно диаметрально противоположно расположенными цилиндрами с двумя встречными поршнями в каждом, с тремя группами камер сгорания, впускных, обратных и выпускных клапанов, форсунок, расположенных в середине и по краям цилиндров, впускными и выпускными каналами, ведущий вал с шестерней привода распределительных валов, с жестко закрепленными на нем двумя встречно-наклонными дисками, на наружной поверхности которых через подшипники скольжения установлены пространственно-качающиеся шайбы (по одной на каждую пару цилиндров) с цапфами и удерживающиеся от вращения рычагами, качающимися в опорах, опорные поршни с шарнирами, жестко закрепленные через штоки с поршнями и движущиеся в направляющих цилиндрах, распределительные валы, воздушные ресиверы (см. описание изобретения к патенту РФ №2335647, МПК F01В 3/2, публикация 10.10.2008).
Недостатками этого двигателя, принятого за прототип, являются высокие нагрузки на детали, надежность и прочность которых обеспечивается увеличением их габаритов.
Задачей заявляемого изобретения является снижение нагрузок на детали двигателя при сохранении мощности.
Сущность изобретения заключается в том, что аксиально-поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит:
- блок цилиндров рабочей секции с попарно диаметрально противоположно расположенными цилиндрами с поршнями, шатунами и шарнирами с шатунными шейками в каждом;
- блок цилиндров компрессорной секции с попарно диаметрально противоположно расположенными цилиндрами с поршнями, шатунами и шарнирами с шатунными шейками в каждом;
- коренной вал с жестко закрепленными на нем наклонными дисками;
- распределительный вал, продолжающий коренной вал, с кулачками;
- пространственно-качающиеся шайбы по одной на каждую пару цилиндров с цапфами, установленные через подшипники на наружной поверхности наклонных дисков;
- опоры с рычагами;
- головку цилиндров рабочей секции с камерами сгорания изменяющегося объема, с обратными клапанами, удерживаемыми в закрытом положении давлением воздуха из канала, с выпускными и впускными клапанами с разгрузочными полостями, соединенными с выпускными коллекторами каналами, с форсунками, толкателями, штангами, коромыслами;
- головку цилиндров компрессорной секции с обратными клапанами на входе и обратными клапанами на нагнетании воздуха, соединенными трубопроводами с обратными клапанами на входе воздуха в камеры сгорания;
- впускные коллектора;
- компрессор;
- топливный насос.
Двигатель дополнительно содержит расположенные в головке блока рабочей секции поршни и камеры противодавления, соединенные между собой каналами.
Рычаги жестко соединены с шарнирами, ограничивая их вращение относительно осей цапф и перемещения вдоль осей цапф.
Описание поясняется чертежами, где:
на фиг.1 показан аксиально-поршневой двигатель, общий вид в продольном разрезе;
на фиг.2 - то же, поперечный разрез А-А;
на фиг.3 - то же, поперечный разрез В-В;
на фиг.4 - то же, поперечный разрез С-С.
Аксиально-поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит:
- блок цилиндров 1 рабочей секции с попарно диаметрально противоположно расположенными цилиндрами 2 с поршнями 3, шатунами 4 и шарнирами 5 с шатунными шейками 6 в каждом;
- блок цилиндров 7 компрессорной секции с попарно диаметрально противоположно расположенными цилиндрами 8 с поршнями 9, шатунами 10 и шарнирами 11 с шатунными шейками 12 в каждом;
- коренной вал 13 с жестко закрепленными на нем наклонными дисками 14, 15;
- распределительный вал 16, продолжающий коренной вал 13, с кулачками 17;
- пространственно-качающиеся шайбы 18, 19 по одной на каждую пару цилиндров 2, 8 с цапфами 20, 21, установленные через подшипники 22, 23 на наружной поверхности наклонных дисков 14, 15;
- опоры 24 с рычагами 25;
- головку цилиндров 26 рабочей секции с камерами сгорания изменяющегося объема 27, с обратными клапанами 28, удерживаемыми в закрытом положении давлением воздуха из канала 29, с выпускными 30 и впускными 31 клапанами с разгрузочными полостями 32, соединенными с выпускными коллекторами 33 каналами 34, с форсунками 35, толкателями 36, штангами 37, коромыслами 38;
- головку цилиндров 39 компрессорной секции с обратными клапанами 40 на входе и обратными клапанами 41 на нагнетании воздуха, соединенными трубопроводами 42 с обратными клапанами 28 на входе воздуха в камеры сгорания 27;
- впускные коллектора 43;
- компрессор 44;
- топливный насос 45.
Двигатель дополнительно содержит расположенные в головке цилиндров 26 рабочей секции поршни 46 и камеры противодавления 47, соединенные между собой каналами 48.
Рычаги 25 жестко соединены с шарнирами 5, 11, ограничивая их вращение и перемещение относительно осей цапф 20, 21.
Аксиально-поршневой двигатель работает следующим образом. При движении поршней 9 в цилиндрах 8 блока цилиндров 7 от В.М.Т. к Н.М.Т. через расположенные в головке цилиндров 39 компрессорной секции впускные коллектора 43, обратные клапаны 40 происходит наполнение цилиндров 8 воздухом. Цикл впуска. При движении поршней 9 от Н.М.Т. к В.М.Т. происходит сжатие воздуха в цилиндрах 8. При достижении давления, равного давлению в трубопроводах 42, воздух вытесняется через обратные клапаны 41, трубопроводы 42, обратные клапаны 28 в расположенные в головке цилиндров 26 рабочей секции камеры сгорания 27, и при достижении поршнями 9 В.М.Т. обратные клапаны 41, обратные клапаны 28 закрываются. Обратные клапаны 28 удерживаются в закрытом положении давлением воздуха в каналах 29. На период запуска двигателя для предотвращения выпуска воздуха из трубопроводов 42 через открытые впускные клапаны 31 в цилиндры 2 давление воздуха в каналах 29 повышается. При этом открытие обратных клапанов 28 происходит после закрытия впускных клапанов 31. Через форсунки 35 топливным насосом 45 впрыскивается топливо и воспламеняется. При повышении давления в камерах сгорания 27 выше заданного поршни 46 перемещаются из исходного положения в сторону камер противодавления 47, соединенных между собой каналами 48, предотвращая повышение давления в камере сгорания 27 выше заданного. Давление в камерах противодавления 47 и каналах 29 поддерживается компрессором 44 (на чертеже не показан). Цикл сжатия. В то же время при приближении поршней 3 к В.М.Т. открываются впускные клапаны 31, начинается подача рабочего газа из камер сгорания 27 в цилиндры 2 блока цилиндров 1. Разгрузочные полости 32 с каналами 34 служат для предотвращения повышения давления с внутренней стороны впускных клапанов 31, создающего усилия, направленные на открытие впускных клапанов 31. Начало цикла рабочего хода. По мере движения поршней 3 от В.М.Т. к Н.М.Т. поршни 46 перемещаются в исходное положение, поддерживая давление в камерах сгорания 27 и рабочих цилиндрах 2 неизменным. При достижении поршнями 46 исходного положения начинается снижение давления в камерах сгорания 27 и рабочих цилиндрах 2. При выравнивании давления в камерах сгорания 27 и трубопроводах 42 начинается продувка камер сгорания 27 от выхлопных газов воздухом из трубопроводов 42 в рабочие цилиндры 2. По окончании продувки впускные клапаны 31 закрываются. При приближении поршней 3 к Н.М.Т. открываются выпускные клапаны 30. Окончание цикла рабочего хода и начало цикла выпуска. При движении поршней 3 от Н.М.Т. к В.М.Т. через выпускные клапаны 30, выпускные коллектора 33 происходит удаление выхлопных газов. При приближении поршней 3 к В.М.Т. закрываются выпускные клапаны 30. Окончание цикла выпуска. Усилие поршней 3 через шатуны 4, шатунные шейки 6, шарниры 5 передается на цапфы 20 качающихся шайб 18, которые через подшипники 22 воздействуют на сбегающую сторону наклонного диска 14, вращая его с коренным валом 13 и распределительным валом 16. Вращающийся с коренным валом 13 наклонный диск 15 через подшипники 23, качающиеся шайбы 19, цапфы 21, передает усилие на шарниры 11, шатунные шейки 12, шатуны 10, поршни 9, обеспечивая их возвратно-поступательное движение в цилиндрах 8 блока цилиндров 7. Рычаги 25, жестко соединенные с шарнирами 5, 11, качающиеся в опорах 24 препятствуют вращению качающихся шайб 18, 19. Управление впускными 31 и выпускными 30 клапанами осуществляется расположенными на распределительном валу 16 кулачками 17 через толкатели 36, штанги 37, коромысла 38.
Заявленное изобретение позволит уменьшить нагрузки на детали двигателя при сохранении мощности.
Аксиально-поршневой двигатель, содержащий: блок цилиндров рабочей секции с попарно диаметрально противоположно расположенными цилиндрами с поршнями, шатунами и шарнирами с шатунными шейками в каждом; блок цилиндров компрессорной секции с попарно диаметрально противоположно расположенными цилиндрами с поршнями, шатунами и шарнирами с шатунными шейками в каждом; коренной вал с наклонными дисками; распределительный вал с кулачками; пространственно-качающиеся шайбы по одной на каждую пару цилиндров с цапфами; опоры с рычагами; головку цилиндров рабочей секции с камерами сгорания изменяющегося объема, с обратными клапанами, удерживаемыми в закрытом состоянии давлением воздуха из канала, с выпускными и впускными клапанами с разгрузочными полостями, соединенными с выпускными коллекторами, с форсунками, толкателями, штангами, коромыслами; головку цилиндров компрессорной секции с обратными клапанами на входе и обратными клапанами на нагнетании воздуха, соединенными трубопроводами с обратными клапанами на входе воздуха в камеры сгорания; впускные коллектора; компрессор; топливный насос, отличающийся тем, что рычаги жестко соединены с шарнирами, ограничивая их вращение и перемещение относительно осей цапф, двигатель дополнительно содержит расположенные в головке цилиндров рабочей секции камеры противодавления, соединенные каналами, и поршни, перемещающиеся внутрь камер противодавления, увеличивая объем камер сгорания и предотвращая рост давления в них, и возвращающиеся в исходное положение при снижении давления в камерах сгорания.
www.findpatent.ru
Настоящее изобретение относится к двигателям и, в частности, к аксиально-поршневым двигателям внутреннего сгорания с наклонным диском. Энергетическое устройство содержит цилиндры (112), головки цилиндров (112), поршни (110), выходной вал (106), наклонный диск (108), шатуны (114). Цилиндры (112) расположены параллельно. Поршни (110) имеют оси перемещения, параллельные центральным осям цилиндров (112). Поршни (110) образуют с головками цилиндров и цилиндрами (112) камеры сгорания. Выходной вал (106) расположен между цилиндрами центрально. Наклонный диск (108) прикреплен к выходному валу (106). Наклонный диск (108) имеет плоскую несущую поверхность (118), расположенную под углом к оси выходного вала (106). Угол может составлять 45°. Шатуны (114) соединены с поршнями (110) и толкателями (116). Толкатели (116) имеют поверхности с нормальной осью, расположенной под углом к центральным осям поршней (110). Толкатели (116) контактируют с возможностью скольжения с несущей поверхностью наклонного диска (118). Наклонный диск (108) вращает выходной вал (106) при перемещении поршней (110). Наклонный диск может содержать один или два кольцевых выступа (116). Кольцевые выступы (116) удерживают толкатели (116) в контакте с несущей поверхностью (118). Для придания жесткости наклонному диску может быть установлен переходной элемент (200). Цилиндры могут составлять блок цилиндров с картером. Картер может содержать направляющие шатунов и несущие поверхности для взаимодействия с выходным валом. Устройство может содержать впускной (270-274) и выпускной (280-284) каналы, а также нагнетатель. Устройство может функционировать с различными термодинамическими циклами. Технический результат заключается в исключении «боковой нагрузки», снижении динамических нагрузок, возможности использования различных термодинамических циклов. 9 з.п. ф-лы, 16 ил. 
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в целом к двигателям и, в частности, к аксиально-поршневым двигателям внутреннего сгорания с наклонным диском.
Уровень техники
Двигатель внутреннего сгорания получает энергию в результате сжатия объема топливо-воздушной смеси с последующим синхронизированным воспламенением сжатой топливо-воздушной смеси. Изменение объема в основном происходит в результате возвратно-поступательного движения поршней в осевом направлении в соответствующих цилиндрах. В ходе каждого такта поршень будет изменять объем поступившего в цилиндр газа от минимального объема до максимального объема. В двигателе с циклом Отто, или «четырехтактном» двигателе внутреннего сгорания, при возвратно-поступательном движении каждого поршня топливо-воздушная смесь сжимается, на поршень или поршнем передается усилие, получаемое в результате воздействия расширяющихся газов, создается давление выше атмосферного для перемещения отработавших газов из выпускного канала и создается давление ниже атмосферного во впускном канале для впуска следующей порции топливо-воздушной смеси.
Современный двигатель внутреннего сгорания появился в результате скромных начинаний. В конце XVII века датский физик Кристиан Хюгенс (Christian Huygens) разработал двигатель внутреннего сгорания, заправляемый черным порохом. Предполагается, что двигатель Хюгенса так и не был полностью изготовлен. Позднее, в начале XIX века, Франсуа Исаак де Риваз (Francois Isaac de Rivaz) из Швейцарии изобрел двигатель внутреннего сгорания, работавший на водородном топливе. Сообщалось, что этот двигатель был изготовлен, но не имел коммерческого успеха.
Хотя в определенной степени некогда существовала идея начать работу по двигателю внутреннего сгорания, в действительности разработка началась в середине XIX века. Жан Жозеф Этьен Ленуар (Jean Joseph Etienne Lenoir) разработал и запатентовал двигатели внутреннего сгорания с электрическим искровым зажиганием, работающие на разных видах топлива. Двигатель Ленуара имел неудовлетворительные технические характеристики, не оправдал ожиданий в отношении надежности и потерял популярность. Сообщалось, что двигатель Ленуара испытывал трудности с системой зажигания и имел репутацию двигателя с высоким расходом топлива. Потребление составляло приблизительно 100 кубических футов каменноугольного газа в час. Несмотря на первые неудачи ряд других изобретателей, включая Альфонса Бо де Рочаса (Alphonce Beau de Rochas), Зигфрида Маркуса (Siegfried Marcus) и Джорджа Брайтона (George Brayton), продолжали вносить существенный вклад в создание двигателя внутреннего сгорания.
Изобретатель по имени Николас Аугуст Отто (Nicolaus August Otto) усовершенствовал конструкции Ленуара и Рочаса, чтобы создать двигатель с повышенным коэффициентом полезного действия. Учитывая основные недостатки двигателя Ленуара, Отто понял, что двигатель Ленуара можно усовершенствовать. С этой целью Отто попытался усовершенствовать двигатель Ленуара различными способами. В 1861 году Отто запатентовал двухтактный двигатель, который ранее работал на бензине. Двухтактный двигатель Отто получил золотую медаль на Всемирной выставке в Париже в 1867 году. Хотя двухтактный двигатель Отто был новаторским, его технические характеристики не были конкурентными с паровыми двигателями того времени. Приемлемый двухтактный двигатель не был создан вплоть до 1876 года.
В 1876 году или около того, приблизительно в то же самое время, когда изобретатель по имени Дугалд (Dougald) был занят созданием усовершенствованного двухтактного двигателя, Клаус Отто (Klaus Otto) создал считающийся первым поршневой двигатель внутреннего сгорания с четырехтактным циклом. Первый четырехтактный двигатель Отто может считаться основателем миллионов двигателей внутреннего сгорания массового производства, которые были с тех пор построены. Вклад Отто в создание двигателя внутреннего сгорания таков, что процесс воспламенения смеси топлива и воздуха в современном автомобиле известен как «цикл Отто». Отто получил на свой первый двигатель патент США № 365701.
Десять лет после того, как Клаус Отто создал свой первый четырехтактный двигатель, Готлиб Даймлер (Gottlieb Daimler) создал прототип современного бензинового двигателя. В двигателе Даймлера использовался одинарный вертикальный цилиндр с бензином, присоединяемым к поступающему воздуху с помощью карбюратора. В 1889 году Даймлер оснастил усовершенствованный четырехтактный двигатель грибообразными клапанами и двумя цилиндрами. Вильгельм Майбах (Wilhelm Maybach) создал четырехцилиндровый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания в 1890 году. Карбюраторный четырехтактный многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания стал основным транспортным средством с начала 1900-х годов до 1970-х годов, в конечном счете, вытесненный двигателями с впрыском топлива в 1980-х годах.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение представляет собой аксиально-поршневой двигатель, имеющий ряд признаков и усовершенствований, отличающих его не только от обычных двигателей с коленчатым валом, но и от предшествующих аксиально-поршневых двигателей.
Настоящее изобретение относится к энергетическому устройству, содержащему, по меньшей мере, один цилиндр, у которого есть внутренний объем, внутренняя поверхность цилиндра, центральная ось, первый торец и второй торец. По меньшей мере, одна головка цилиндра, содержащая внутреннюю поверхность головки цилиндра, располагается на первом торце цилиндра и жестко крепится к первому торцу, по меньшей мере, одного из цилиндров. По меньшей мере, один поршень, имеющий ось перемещения, параллельную центральной оси, по меньшей мере, одного из цилиндров и содержащий головку поршня, расположенную в направлении к внутренней поверхности головки цилиндра, располагается во внутреннем объеме цилиндра. Днище поршня, внутренняя поверхность цилиндра и внутренняя поверхность головки цилиндра этого цилиндра образуют вместе камеру сгорания этого цилиндра.
Кроме того, устройство содержит центральную ось, имеющую постоянную угловую зависимость с центральной осью цилиндра. Наклонный диск, содержащий первую поверхность наклонного диска, имеющую нормальную ось, составляющую первый фиксированный угол с центральной осью выходного вала, при этом диск крепится к выходному валу. По меньшей мере, один шатун, имеющий главную ось, первый конец крепится к поршню по оси в продольном направлении и относительно оси вращения, а второй конец жестко крепится, по меньшей мере, к одному поршню. По меньшей мере, один толкатель, содержащий первую поверхность толкателя, имеющую нормальную ось, расположенную под первым фиксированным утлом к главной оси шатуна, к которому он жестко крепится, при этом толкатель жестко крепится ко второму концу шатуна. Первая поверхность толкателя входит в соприкосновение и согласуется с ориентацией первой поверхности наклонного диска.
Настоящее изобретение во втором предпочтительном варианте выполнения представляет собой энергетическое устройство, которое содержит выходной вал, содержащий центральную ось, и, по меньшей мере, два цилиндра, расположенные почти симметрично центральной оси выходного вала. Центральная ось каждого цилиндра параллельна центральной оси выходного вала, при этом цилиндр имеет внутренний объем, внутреннюю поверхность цилиндра, центральную ось, первый торец и второй торец.
По меньшей мере, две головки цилиндра, содержащие, каждая, внутреннюю поверхность головки цилиндра, располагаются и жестко крепятся к первому торцу одного из цилиндров. Устройство содержит, по меньшей мере, два поршня, причем каждый поршень перемещается по оси, совпадающей с центральной осью цилиндра, расположен во внутреннем объеме цилиндра и содержит головку поршня, расположенную в направлении внутренней поверхности головки цилиндра, которая жестко крепится к этому цилиндру. Днище поршня, внутренняя поверхность цилиндра и внутренняя поверхность головки цилиндра вместе образуют камеру сгорания этого цилиндра.
Наклонный диск прикреплен к выходному валу, содержащему контактную поверхность синхронизации наклонного диска, фиксированную к ориентации выходного вала относительно центральной оси выходного вала. По меньшей мере, два шатуна, имеющие, каждый, главную ось, причем первый конец и второй конец крепятся, каждый, к поршню по оси в продольном направлении и относительно оси вращения. По меньшей мере, два толкателя, содержащие контактную поверхность синхронизации толкателя, фиксированную к ориентации шатуна относительно главной оси шатуна и ориентации контактной поверхности синхронизации наклонного диска, крепятся жестко, причем каждый, ко второму концу шатуна.
Энергетическое устройство содержит выходной вал, имеющий центральную ось, четыре цилиндра, расположенные симметрично и равноудалено относительно центральной оси выходного вала и подвижные в осевом направлении по отношению к выходному валу, четыре головки цилиндра и четыре поршня соединены с наклонным диском посредством четырех толкателей.
Четыре цилиндра расположены симметрично и равноудалено относительно центральной оси выходного вала и выполнены подвижными в осевом направлении по отношению к выходному валу. Центральная ось каждого цилиндра параллельна центральной оси выходного вала, при этом у цилиндра есть внутренний объем, внутренняя поверхность головки цилиндра, центральная ось, первый торец и второй торец. Каждая из четырех головок цилиндров имеет внутреннюю поверхность, впускной канал и выпускной канал. Каждая такая головка цилиндра расположена на первом торце цилиндра и жестко к нему крепится.
Каждый из четырех поршней имеет ось перемещения, совпадающую с центральной осью цилиндра, располагается во внутреннем объеме цилиндра и имеет головку поршня, расположенную в направлении внутренней поверхности головки цилиндра, которая жестко крепится к этому цилиндру. Днище поршня, внутренняя поверхность цилиндра и внутренняя поверхность головки цилиндра вместе образуют камеру сгорания этого цилиндра.
Предпочтительным является то, что энергетическое устройство содержит расположенные на расстоянии друг от друга несущие поверхности на картере, предназначенные для взаимодействия с выходным валом.
Энергетическое устройство выполнено с возможностью функционирования в соответствии с циклом Отто, или циклом Стирлинга, или циклом Дизеля, или двойным циклом.
Энергетическое устройство предпочтительно содержит нагнетатель для подачи сжатого воздуха в упомянутые камеры цилиндров.
Наклонный диск крепится к выходному валу и имеет по существу плоскую поверхность, имеющую нормальную ось, расположенную под углом в основном 45 градусов к центральной оси выходного вала. Четыре шатуна, имеющие, причем каждый, главную ось, первый конец прикрепленный к поршню аксиально с возможностью вращения, и второй конец, при этом шатуны соединены с наклонным диском посредством четырех толкателей, каждый из которых жестко крепится ко второму торцу шатуна. Каждый из толкателей имеет по существу плоскую поверхность толкателя, прикрепленную к шатуну, и имеет нормальную ось, расположенную под углом, в основном, 45 градусов к центральной оси выходного вала.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, на которых представлено:
фиг.1 - частичный разрез в изометрической проекции двигателя внутреннего сгорания в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2 - изометрическая проекция возвратно-поступательного устройства двигателя внутреннего сгорания, по фиг.1;
фиг.3 - фронтальная проекция возвратно-поступательного устройства двигателя внутреннего сгорания, по фиг.1;
фиг.4 - боковая проекция возвратно-поступательного устройства двигателя внутреннего сгорания, по фиг.1;
фиг.5 - вид сверху возвратно-поступательного устройства двигателя внутреннего сгорания, по фиг.1;
фиг.6 - изометрическая проекция поршня, используемого в возвратно-поступательном устройстве, по фиг.2;
фиг.7 - фронтальная проекция поршня, используемого в возвратно-поступательном устройстве, по фиг.2;
фиг.8 - боковая проекция поршня, используемого в возвратно-поступательном устройстве, по фиг.2;
фиг.9 - вид сверху поршня, используемого в возвратно-поступательном устройстве, по фиг.2;
фиг.10 - изометрическая проекция наклонного диска в возвратно-поступательном устройстве, по фиг.2;
фиг.11 - фронтальная проекция наклонного диска в возвратно-поступательном устройстве, по фиг.2;
фиг.12 - боковая проекция наклонного диска, используемого в возвратно-поступательном устройстве, по фиг.2;
фиг.13 - вид сверху наклонного диска, используемого в возвратно-поступательном устройстве, по фиг.2;
фиг.14 - боковой разрез головки цилиндра и картера двигателя, по фиг.1;
фиг.15 - головка цилиндра в изометрической проекции в разрезе по линии 15-15, по фиг.14; и
фиг.16 - головка цилиндра в изометрической проекции в разрезе по линии 16-16 по фиг.14.
Осуществление изобретения
Создание и применение различных вариантов выполнения настоящего изобретения подробно описаны ниже, следует учесть, что настоящее изобретение представляет множество изобретательских идей, которые могут осуществляться в широком диапазоне для конкретного использования. Описываемые здесь конкретные варианты выполнения являются просто иллюстрирующими частные случаи выполнения и применения изобретения и не ограничиваются объемом изобретения.
Двигатель 100 содержит блок цилиндров 102 и картер 104, расположенные рядом с выходным валом 106. Наклонный диск 108 имеет в целом плоскую несущую поверхность 118, содержащую нормальную ось, расположенную под углом к главной продольной оси выходного вала 106. Комплект из четырех цилиндрических поршней 110 расположен в четырех соответствующих цилиндрах 112 и соединен для совместной работы с наклонным диском 108 посредством шатунов 114 через толкатели 116, выполненные в виде опор шатунов, которые скользят по несущей поверхности 118 наклонного диска 108. Каждая из указанных опор шатунов в целом имеет плоскую нижнюю поверхность с главной нормальной осью, расположенной под углом к главной продольной оси шатуна 114, к которому она жестко крепится.
Каждый поршень 110 содержит юбку 150 и головку 152 поршня. В варианте выполнения, показанном на фиг.1-9, в головке 152 поршня выполнена пара гнезд 154 и 156 клапана, хотя в других вариантах выполнения одно гнездо или оба гнезда 154 и 156 могут отсутствовать. Аналогично, тогда как гнезда 154 и 156 показаны как симметрично расположенные и имеющие специфическую конфигурацию, гнезда 154 и 156 могут иметь и другую конфигурацию в предпочтительных вариантах выполнения.
В юбке 150 поршня выполнена канавка 158 для компрессионного кольца и выполнены канавки 160, 162 для маслосъемных поршневых колец. В предпочтительных вариантах выполнения количество поршневых кольцевых канавок 158, 160, 162 различно в зависимости от конкретных требований по применению. Для специалистов в данной области техники очевидно, что в настоящем изобретении может использоваться широкое разнообразие типов поршневых колец опять же в зависимости от конкретного применения.
Шатун 114 соединяет поршень 150 с толкателем 116, выполненным в виде эллиптической опоры шатуна. Указанная эллиптическая опора шатуна имеет верхнюю поверхность 164, нижнюю поверхность 166 и наружную кромку 168. Эллиптическая опора шатуна при установке на наклонный диск 108 захватывается по внешней поверхности 164 внутренним кольцевым выступом 120 и внешним кольцевым выступом 122, тогда как нижняя поверхность 166 скользит по несущей поверхности 118 наклонного диска. Наклонный диск 108 включает переходный элемент 200, который предпочтительно выполнен коническим для придания жесткости наклонному диску 108 при моменте нагрузки на несущую поверхность 118 наклонного диска.
Для специалиста в данной области техники очевидно, что двигатель 100 заметно отличается от традиционных двигателей внутреннего сгорания. В наиболее общепринятой компоновке традиционного двигателя внутреннего сгорания поршни двигателя соединены с вращающимся коленчатым валом посредством комплекта шатунов, для того чтобы преобразовать возвратно-поступательное движение поршней в осевом направлении в непрерывное вращательное движение коленчатого вала. Хотя были разработаны и внедрены в широком множестве схемы расположения цилиндров, включая хорошо известную «V-образную» конфигурацию (как V8), рядную, оппозитную (также известную как «плоская конфигурация») и радиальную конфигурации, все эти двигатели объединяет в основе вышеописанная конфигурация коленчатого вала.
Несмотря на их преимущества энергетические установки с кривошипным шарнирным соединением и возвратно-поступательным движением имеют присущие им недостатки. Когда поршень находится в пределах своего хода, за исключением нахождения в двух отдельных точках, а именно в верхней мертвой точке и в нижней мертвой точке, то шатун в это время располагается под углом к центральной линии цилиндра, внутри которого располагается поршень. Воздействие сил на ось шатуна, следовательно, должно получать противодействие в граничном слое между поршнем и стенкой цилиндра. Нагрузка, оказываемая поршнем на стенку цилиндра, известна как «боковая нагрузка» поршня. Когда давление в цилиндре возрастает, воздействие боковой нагрузки может стать серьезной проблемой в отношении износостойкости, также как и потерь на трение. Кроме того, динамические центробежные нагрузки на детали двигателя возрастают геометрически с частотой вращения двигателя в двигателе с кривошипно-шатунным механизмом, ограничивая как выходную мощность, так и отношение мощности к весу таких двигателей с коленчатым валом.
В двигателе с коленчатым валом геометрия коленчатого вала и шатуна такова, что когда кривошип поворачивается и поршень движется в пределах своего перемещения, поршень находится около нижней мертвой точки (где энергия не вырабатывается) по времени больше, чем около верхней мертвой точки (где энергия вырабатывается). Эта присущая характеристика может учитываться до некоторой степени при использовании более длинного шатуна, но перемещение поршня относительно времени может только приблизиться, но не может соответствовать абсолютному синусоидальному перемещению. Значение этого действия имеет обратную зависимость к отношению полезной длины шатуна к длине хода шатуна, но это особенно выражается в двигателях, у которых соотношение шатун-ход соответствует или ниже 1,5:1.
Величина ускорения поршня вне положения верхней мертвой точки в двигателе, имеющем низкое соотношение шатун-ход, такова, что полезное давление в камере сгорания не может поддерживаться при более высокой частоте вращения коленчатого вала. Это происходит потому, что скорость горения топливо-воздушной смеси в камере сгорания, от чего зависит давление в камере сгорания, ограничивается скоростью реакции углеводородного топлива и кислорода. При длинном такте короткоходного двигателя с высокой частотой вращения коленчатого вала вызываемое в результате перемещения поршня увеличение объема превосходит повышение давления в результате горения. Т.е. поршень «обгоняет» расширение топливо-воздушной смеси в камере сгорания, так что давление в результате расширения смеси не приводит к ускорению движения поршня или, вследствие этого, к повышению частоты вращения коленчатого вала.
Время пребывания поршня вблизи верхней мертвой точки может быть в некоторой степени увеличено при использовании более высокого соотношения шток-ход. Большее по значению соотношение шток-ход может быть достигнуто или за счет более короткого хода, или более длинного шатуна. У каждого из двух решений есть собственные трудности. При должном уважении к использованию более короткого хода, хотя двигатель с более коротким ходом может быть меньше и легче, чем двигатель с более длинным ходом, преимущества не сводятся к линейности. Например, длина хода коленчатого вала не оказывает какого-либо влияния на размер и вес поршней, головок цилиндров, шатунов или вспомогательных агрегатов двигателя. Более короткий ход позволяет сделать коленчатый вал и блок цилиндров меньше и легче, но даже эти результаты не являются линейно зависимыми, то есть даже уменьшение наполовину длины хода коленчатого вала не позволяет уменьшить наполовину массу коленчатого вала или блока цилиндров.
При всех прочих равных показателях, относящихся к технической характеристике двигателя, более короткоходный двигатель будет иметь пропорционально меньший рабочий объем по сравнению с более длинноходным двигателем. Соответственно, более короткоходный двигатель в целом произведет меньший крутящий момент по сравнению с более длинноходным двигателем. Этот меньший крутящий момент преобразуется в меньшую мощность на выходном валу двигателя при той же самой частоте вращения коленчатого вала. Соответственно, более короткоходный двигатель должен работать с большей скоростью для того, чтобы произвести такую же мощность на выходном валу. Потеря крутящего момента в результате уменьшения рабочего объема также компенсирована увеличением коэффициента полезного действия за счет более эффективной установки фаз газораспределения, лучшей конструкции камеры сгорания или более высокой степени сжатия. Более эффективная установка фаз газораспределения и улучшение конструкции камеры сгорания, однако, в целом требуют значительного инвестирования в научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, и максимальная степень сжатия в двигателе внутреннего сгорания ограничивается характеристиками самовоспламенения топлива двигателя. Для двигателей без наддува, работающих на высококачественных марках бензина, существует предел практической степени сжатия, в основном 11:1, диктуемый характеристиками самовоспламенения топливо-воздушной смеси двигателя, таким образом, ограничивая повышение эффективности благодаря увеличению одной лишь степени сжатия.
Потеря мощности из-за укорачивания хода двигателя может быть компенсирована посредством увеличения расточенного диаметра цилиндров двигателя, увеличивая посредством этого рабочий объем двигателя. В то время как рабочий объем двигателя является линейно пропорциональным длине хода, он является геометрически пропорциональным расточенному отверстию диаметра цилиндра. Соответственно, уменьшение на 10% длины хода может быть более чем компенсировано увеличением на 5% расточенного отверстия диаметра цилиндра. При всех прочих равных факторах увеличение диаметра расточенного отверстия цилиндра требует увеличения массы поршня, что требует соответствующего повышения прочности шатуна и уравновешивающей массы коленчатого вала. Если два или более чем два цилиндра двигателя расположены в ряд, что является обычным для современных двигателей с коленчатым валом, то для цилиндров с увеличенным диаметром потребуются более длинные блок цилиндров, головки цилиндров и коленчатый вал, таким образом, увеличивая размеры и вес двигателя.
Второй подход к увеличению соотношения шток-ход заключается в удлинении штоков. В этом состоит преимущество увеличения соотношения шток-ход без уменьшения рабочего объема двигателя. Удлинение штоков при оставлении всех других параметров без изменений, однако, приведет к сдвигу местоположения верхней мертвой точки поршней дальше от центральной осевой линии коленчатого вала. Т.о. увеличение на один дюйм длины шатуна приведет в результате к увеличению на один дюйм расстояния между центральной осевой линией коленчатого вала и днищем поршня, находящегося в положении верхней мертвой точки. Это потребует соответствующего увеличения цилиндров по длине для того, чтобы обеспечить достаточный рабочий объем цилиндров. И опять размеры и масса двигателя увеличиваются.
В противоположность к необходимости выбора оптимального соотношения из всего, что заложено в конструкцию традиционного двигателя с коленчатым валом, в аксиально-поршневом двигателе с наклонным диском того типа, который здесь изображен и описан, поршень может перемещаться по синусоидальной кривой, увеличивая, посредством этого, время пребывания в положении верхней мертвой точки и, следовательно, потенциал рабочих характеристик двигателя.
В дополнение к преимуществам кинематики, реализованным благодаря применению наклонного диска, перемещение поршней в цилиндрах может быть использовано для улучшения рабочих характеристик и гибкости в применении двигателя, и особенно при использовании двухтактной конфигурации, хотя конструкция ни в коем случае не ограничивается такой конфигурацией. Как может быть оценено специалистом в данной области техники, в альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения могут использоваться любые из известных в термодинамике рабочих циклов для выработки энергии, включающих, но конечно не ограниченных, например, четырехтактным циклом (Отто), циклом Дизеля, циклом Стирлинга, циклом Брайтона, циклом Карно и циклом (с 5-точками) Зейлигера.
Двигатель 100, изображенный на фиг.1-16, является двухтактным по конфигурации, имеет впускные и выпускные каналы, расположенные в боковых стенках цилиндров 112. Схема расположения блока цилиндров 102 и расположение каналов впуска и выпуска в двигателе 100 показано подробно на фиг.14-16. Блок 102 цилиндров жестко крепится к картеру 104 двигателя стяжными болтами 252. Наклонный диск 108 жестко крепится вертикально внутри картера 104 между верхним кольцом 256 подшипника и нижним кольцом 258 подшипника. Ряд направляющих 260 шатунов выполнен соответствующим по форме и размерам для принятия и направления шатунов 114 и расположен в верхней части картера 104.
Воздух и топливо поступают в каждый цилиндр 112 через ряд впускных каналов 270-274. В вариантах выполнения может использоваться, по необходимости, больше или меньше впускных каналов. В варианте выполнения, показанном на фиг.14-16, топливо вводится во всасываемую смесь через одинарный канал 290 впрыска топлива, расположенного в каждом впускном канале 270. В зависимости от применения в предпочтительных вариантах выполнения может использоваться один или более каналов впрыска топлива, расположенных в одном или большем количестве мест, или может использоваться, при необходимости, насыщение парами бензина или впрыск топлива в корпусе дроссельных заслонок. Когда головка поршня опускается во время рабочего хода в нижнем направлении, сгоревшая топливо-воздушная смесь выпускается из каждого цилиндра 112 через один или более выпускных каналов, такие как каналы 280-284.
Поступающий поток через каналы 270-274 и выпуск через каналы 280-284 регулируется в зависимости от местоположения и полярной координаты поршня 110 внутри каждого цилиндра 112. Тогда как конструкции традиционного двухтактного двигателя были известны тем, что использовали исходное положение поршня для регулирования синхронизации открытия клапана для впуска и/или закрытия клапана для выпуска, в двигателе 100 исходное положение каждого поршня 110 используется в сочетании с радиальной ориентацией каждой позиции для регулирования синхронизации времени впуска/или выпуска. Соответственно, двигатель 100 обеспечивает значительную степень дополнительной гибкости для разработчика двигателя и регулировщика по сравнению со степенью гибкости, существовавшей в предыдущих конструкциях.
Хотя это изобретение было описано со ссылкой на наглядные примеры вариантов выполнения, данное описание не предполагает быть истолкованным ограничительно. Различные изменения и комбинации наглядных примеров вариантов выполнения, также как и других вариантов выполнения изобретения, будут очевидными для специалистов в данной области техники при ссылке на описание. Следовательно, предполагается, что данное описание охватывает любые изменения или выполнения.
1. Энергетическое устройство, содержащее множество цилиндров, расположенных параллельно на определенном расстоянии друг от друга, при этом каждый цилиндр имеет центральную ось и первый и второй торцы; головку цилиндра для каждого из упомянутых цилиндров, имеющую внутреннюю поверхность и расположенную на первом торце цилиндров, соответственно; поршни, расположенные в каждом из упомянутых цилиндров и имеющие оси перемещения, параллельные центральным осям упомянутых цилиндров, соответственно, при этом поршни обращены лицевой стороной к головкам цилиндров и образуют с головками цилиндров и цилиндрами соответствующие камеры сгорания; выходной вал двигателя, расположенный между упомянутыми цилиндрами в основном центрально и имеющий центральную ось вала; наклонный диск, прикрепленный к выходному валу и имеющий плоскую несущую поверхность, расположенную под фиксированным углом по отношению к центральной оси выходного вала; части шатунов, имеющие первые концы, прикрепленные к поршням, при этом части шатунов соединены на их противоположных концах с толкателями; толкатели имеют поверхности, каждая из которых имеет нормальную ось, расположенную под фиксированным углом к центральным осям поршней, соответственно, при этом упомянутые поверхности толкателя контактируют с возможностью скольжения с упомянутой несущей поверхностью наклонного диска для осуществления вращения выходного вала в ответ на перемещение поршней в цилиндрах соответственно.
2. Устройство по п.1, в котором наклонный диск содержит, по меньшей мере, один кольцевой выступ, находящийся в зацеплении с толкателями, соответственно, для удерживания толкателей в контакте с несущей поверхностью.
3. Устройство по п.2, в котором наклонный диск содержит, по меньшей мере, два расположенных на расстоянии друг от друга кольцевых выступа, находящихся в зацеплении с толкателями для удерживания толкателей в контакте с несущей поверхностью.
4. Устройство по п.1, которое содержит переходной элемент между наклонным диском и выходным валом для придания жесткости наклонному диску и сопротивления нагрузкам, воздействующим на несущую поверхность.
5. Устройство по п.1, которое содержит расположенные на расстоянии друг от друга впускной и выпускной каналы, открывающиеся в цилиндры и расположенные в заданных местах для обеспечения впуска и нагнетания жидкости по отношению к цилиндрам в зависимости от положения в осевом направлении и полярной координаты поршней в упомянутых цилиндрах соответственно.
6. Устройство по п.1, в котором цилиндры составляют блок цилиндров, соединенный с частью картера двигателя, при этом часть картера содержит соответствующие направляющие шатунов, предназначенные для приема и направления шатунов.
7. Устройство по п.6, которое содержит расположенные на расстоянии друг от друга несущие поверхности на картере, предназначенные для взаимодействия с выходным валом.
8. Устройство по п.1, которое выполнено с возможностью функционирования в соответствии с циклом Отто, или циклом Стирлинга, или циклом Дизеля, или двойным циклом.
9. Устройство по п.1, которое содержит нагнетатель для подачи сжатого воздуха в упомянутые камеры цилиндров.
10. Устройство по п.1, в котором несущая поверхность наклонного диска расположена под углом в основном 45° по отношению к центральной оси выходного вала.
www.freepatent.ru
Двигатель предназначен для использования в энергетике. Двигатель содержит корпус, попарно диаметрально противоположно расположенные цилиндры с двумя встречными поршнями в каждом, коренной вал с жестко закрепленными на нем двумя встречно-наклонными дисками, на наружной поверхности которых через подшипники установлены пространственно-качающиеся шайбы (по одной на каждую пару цилиндров с цапфами), головки цилиндров с впускными и обратными клапанами, ресивер-маслоотделитель, компрессор для предпускового наполнения ресивера, впускные и выпускные клапаны рабочей части цилиндров, форсунки. На штоках закреплены опорные поршни, движущиеся в направляющих цилиндрах и через шарниры шайб передающие усилие на диски и коренной вал. Реализация изобретения позволит повысить надежность и КПД и изменять степень сжатия в процессе работы. 3 ил. 
Изобретение относится к двигателестроению, конкретнее к аксиально-поршневым двигателям внутреннего сгорания с осями цилиндров, расположенных в одной плоскости с осью ведущего вала, и с пространственно-качающейся наклонной шайбой.
Известен аксиально-поршневой двигатель, содержащий блок цилиндров, поршни с шатунами, установленные в блоке цилиндров, ведущий вал, наклонную шайбу с установленной на ней качающейся шайбой, связанной с шатунами, дополнительные в каждом цилиндре встречно расположенный поршень с шатуном, по меньшей мере один полый промежуточный вал, одну дополнительную наклонную шайбу с установленной на ней качающейся шайбой, связанной с шатунами встречно расположенных поршней, причем на каждом полом промежуточном валу установлены обе наклонные шайбы, при этом каждый промежуточный вал связан с ведущим валом через цилиндрические зубчатые передачи, а каждая качающаяся шайба связана с ведущим валом через коническую и цилиндрическую зубчатые передачи (см. описание изобретения к патенту РФ №2163682, МПК F02В 75/32, F02В 75/26, F01В 3/02, публикация 27.02.2001 г.).
Недостатком известного двигателя является невысокий КПД из-за большого количества зубчатых зацеплений.
Известен аксиально-поршневой двигатель, содержащий неподвижный корпус, цилиндры с двумя встречными поршнями в каждом, коренной вал с жестко закрепленными на нем дисками, на наружной поверхности которых через подшипники установлены пространственно-качающиеся шайбы, при этом поршни шарнирно соединены с шатунами, противоположные концы которых шарнирно соединены с качающимися шайбами, а оси цилиндров выполнены параллельными оси коренного вала, двигатель снабжен кольцами, каждая шайба соединена с одним из них посредством двух цапф, расположенных друг против друга на внутренней стороне кольца, кольца соединены с корпусом двумя другими цапфами, расположенными друг против друга с внешней стороны колец, и установлены с возможностью покачивания вокруг осей наружных цапф, расположенных на внутренней и внешней сторонах, перпендикулярны между собой и лежат в одной плоскости с центром вращения дисков и центром пространственного покачивания шайб (см. описание изобретения к патенту РФ №2125162, МПК 6 F01В 3/02, F02В 75/26, публикация 20.01.99).
Недостатками этого двигателя, принятого за прототип, являются недостаточно эффективный способ продувки выхлопных газов и наполнение цилиндров воздухом, а также недостаточная надежность узлов крепления шатунов.
Задачей заявляемого изобретения является повышение КПД и повышение надежности аксиально-поршневых двигателей.
Сущность изобретения заключается в том, что аксиально-поршневой двигатель содержит корпус, попарно диаметрально противоположно расположенные цилиндры с двумя встречными поршнями в каждом, коренной вал с жестко закрепленными на нем двумя встречно-наклонными дисками, на наружной поверхности которых через подшипники установлены пространственно-качающиеся шайбы, головки цилиндров с впускными клапанами и с обратными клапанами на нагнетании воздуха, воздушный ресивер-маслоотделитель, компрессор, впускные и выпускные клапаны (возможен вариант с пневмоэлектрическим приводом) рабочей части цилиндров, форсунки. Пространственно-качающиеся шайбы выполнены по одной на каждую пару цилиндров с цапфами. Поршни выполнены с жестко закрепленными на них штоками с опорными поршнями, движущимися в направляющих цилиндрах и, через опирающиеся на цапфы пространственно-качающихся шайб шарниры, передающие усилие на встречно-наклонные диски и коренной вал. Компрессор предназначен для предпускового наполнения ресивера-маслоотделителя сжатым воздухом и повышения давления в процессе работы, что позволяет изменять степень сжатия, и соответственно мощность двигателя.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг.1 показан аксиально-поршневой двигатель, общий вид в продольном разрезе;
на фиг.2 - то же, поперечный разрез А-А;
на фиг.3 - то же, поперечный разрез В-В.
Аксиально-поршневой двигатель содержит корпус 1, попарно диаметрально противоположно расположенные цилиндры 2 с двумя встречными поршнями 3 в каждом, коренной вал 4 с жестко закрепленными на нем двумя встречно-наклонными дисками 5, на наружной поверхности которых через подшипники 6 установлены пространственно-качающиеся шайбы 7, головки цилиндров 8 с впускными клапанами 9, с обратными клапанами 10 на нагнетании воздуха, воздушный ресивер-маслоотделитель 11, компрессор 12, впускные 13 и выпускные 14 клапаны рабочей части цилиндров, форсунки 15. Пространственно-качающиеся шайбы 7 выполнены по одной на каждую пару цилиндров 2 с цапфами 16 и удерживаются от вращения рычагами 17, качающимися в опорах 18. Поршни 3 выполнены с жестко закрепленными на них штоками 19 с опорными поршнями 20, движущимися в направляющих цилиндрах 21 и, через опирающиеся на цапфы 16 пространственно-качающихся шайб 7 шарниры 22, передающие усилие на встречно-наклонные диски 7 и коренной вал 4.
Аксиально-поршневой двигатель работает следующим образом. При движении поршней 3 к центру цилиндров 2 через впускные клапаны 9, размещенные в головке цилиндров 8, происходит наполнение цилиндров 2 воздухом. Цикл впуска. При движении поршней 3 от В.М.Т. к Н.М.Т. происходит сжатие воздуха и вытеснение его через обратные клапаны 10 в ресивер-маслоотделитель 11. Цикл сжатия. Одновременно с циклом сжатия при движении поршней 3 от В.М.Т. к Н.М.Т в цилиндрах 2 открываются впускные клапаны 13 и начинается подача воздуха из ресивера-маслоотделителя 11 в цилиндры 2. Начало цикла впуска. Когда надпоршневой объем цилиндров 2 равен объему камеры сгорания, закрываются впускные клапаны 13 и происходит впрыск топлива через форсунки 15. Окончание цикла впуска и начало рабочего хода. При достижении поршнями 3 Н.М.Т. открываются выпускные клапаны 14. Окончание цикла рабочего хода и начало цикла выпуска. При движении поршней 3 от Н.М.Т. к В.М.Т. через выпускные клапаны 14 происходит удаление выхлопных газов. При достижении поршнями 3 В.М.Т. закрываются выпускные клапаны 14. Окончание цикла выпуска. Усилие поршней 3 через штоки 19, опорные поршни 20, шарниры 22 передаются на цапфы 16 качающихся шайб 7, которые через подшипники 6 воздействуют на сбегающую сторону встречно-наклонных дисков 5, заставляя их вращаться заодно с коренным валом 4 в корпусе 1. Рычаги 17, качающиеся в опорах 18, препятствуют вращению качающихся шайб 7. Направляющие цилиндры 21 обеспечивают возвратно-поступательное движение опорных поршней 20 со штоком 19. Компрессор 12 предназначен для предпускового наполнения ресивера-маслоотделителя 11 сжатым воздухом и повышения давления в процессе работы, что позволяет изменять степень сжатия и соответственно мощность двигателя.
Заявленное изобретение позволит повысить К.П.Д. и повысить надежность аксиально-поршневых двигателей.
Аксиально-поршневой двигатель, содержащий корпус, попарно диаметрально противоположно расположенные цилиндры с двумя встречными поршнями в каждом, коренной вал с жестко закрепленными на нем двумя встречно-наклонными дисками, на наружной поверхности которых через подшипники установлены пространственно-качающиеся шайбы, головки цилиндров с впускными клапанами и с обратными клапанами на нагнетании воздуха, воздушный ресивер-маслоотделитель, компрессор, впускные и выпускные клапаны рабочей части цилиндров, форсунки, отличающийся тем, что пространственно-качающиеся шайбы выполнены по одной на каждую пару цилиндров с цапфами, поршни выполнены с жестко закрепленными на них штоками с опорными поршнями, движущимися в направляющих цилиндрах и через опирающиеся на цапфы пространственно-качающихся шайб шарниры передающие усилие на встречно-наклонные диски и коренной вал.
www.freepatent.ru
Устройство предназначено для использования в области двигателестроения. Цапфы качающихся шайб в двигателе введены внутрь поршней, а шатуны-поводки размещены внутри поршней, которые имеют уплотнения по обоим торцам. Качающиеся шайбы имеют стабилизаторы движения в виде цапф с роликами, опирающимися на направляющие поверхности в корпусе. Рабочие процессы происходят в объеме между поршнями с одной стороны, так и между торцовыми крышками и поршнями с другой, что улучшает весогабаритные показатели, повышается КПД аксиально-поршневых двигателей с противоположно-движущимися поршнями. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к двигателестроению.
Известны двигатели внутреннего сгорания двойного действия, в которых термодинамические процессы совершаются с двух сторон поршня, что позволяет увеличить мощность двигателя в 1,5-1,8 раза. Однако из-за тяжелых условий работы поршневой группы, штока и других деталей, а также из-за трудности обеспечения термодинамического процесса в полости цилиндра, где проходит шток, двигатели двойного действия не выпускаются (см. книгу "Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей". Под редакцией А.С.Орлина, М.Г. Круглова. Москва. "Машиностроение", 1984 г., стр.13).
Известны также аксиально-поршневые двигатели с противоположно движущимися поршнями, например двигатель Жиродена (см. журнал "Судостроение" № 1 за 1972 г., стр.27).
В этом двигателе цилиндры расположены вокруг вала и параллельно его оси. Штоки поршней шарнирно связаны с качающимися конусами, посаженными на косую шейку вала и опирающимися на сферический подшипник, а рабочие процессы совершаются только между сходящимися поршнями. При этом в механизме преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала силы инерции при расхождении поршней не гасятся силами давления газов, как и у двигателей с кривошипно-шатунным механизмом. Эти силы, действующие в сочленениях механизма преобразования движения, снижают механический КПД двигателя. Кроме того, стабилизация движения качающихся конусов в этом двигателе осуществляется через зубчатое зацепление, в котором также имеются значительные потери на трение.
Такое исполнение двигателей позволяет получить весогабаритные показатели на уровне звездообразных двигателей с обычным кривошипно-шатунным механизмом преобразования движения (см. журнал Судостроение №1 1972 г., стр. 26,27).
Известен аксиально-поршневой двигатель с противоположно движущимися поршнями, содержащий корпус, вал, цилиндры, расположенные вокруг и параллельно оси вала, по два поршня с уплотнениями с обоих торцов в каждом цилиндре, неподвижно закрепленные на валу две косые втулки и две качающиеся шайбы с радиальными цапфами, связанными с поршнями через шатуны-поводки, в котором рабочие процессы совершаются как в объеме между поршнями с одной стороны, так и между торцовыми крышками и поршнями с другой стороны ( SU 1694934 A1, 30.11.1991).
Это техническое решение является наиболее близким аналогом.
Технической задачей, поставленной в настоящем изобретении, является улучшение весогабаритных показателей и механического КПД двигателя путем гашения сил инерции силами давления газов вблизи обеих мертвых точек.
Эта задача достигается тем, что в аксиально-поршневом двигателе с противоположно движущимися поршнями, содержащем корпус, вал, цилиндры, расположенные вокруг и параллельно оси вала, по два поршня с уплотнениями с обоих торцов в каждом цилиндре, неподвижно закрепленные на валу две косые втулки и две качающиеся шайбы с радиальными цапфами, связанными с поршнями через шатуны-поводки, при этом рабочие процессы совершаются как в объеме между поршнями с одной стороны, так и между торцовыми крышками и поршнями с другой стороны, цапфы качающихся шайб введены внутрь поршней сбоку, шатуны-поводки размещены внутри поршней, а качающиеся шайбы имеют стабилизаторы движения в виде цапф с роликами, опирающимися на направляющие поверхности в корпусе.
Кроме того, двигатель отличается от известных тем, что для повышения механического КПД путем снижения давления поршней на стенки цилиндров, возникающего от крутящего момента на валу, ролики стабилизаторов качающихся шайб имеют сфероидальную форму.
Возможно исполнение двигателя, в котором ролики стабилизаторов установлены на цапфах качающихся шайб, связанных с поршнями.
Кроме того, в описанном двигателе объемы между торцовыми крышками цилиндров и поршнями могут быть использованы для сжатия воздуха при продувке двигателя или в качестве компрессора.
На фиг.1 изображен описываемый аксиально-поршневой двигатель; на фиг.2 - разрез по А-А.
Двигатель содержит корпус 1, цилиндры 2, в каждом из которых размещены и могут двигаться по два поршня 3, имеющих уплотнения с обоих торцов, вал 4 на подшипниках с закрепленными на нем неподвижно двумя косыми втулками 5. На косых втулках через подшипники установлены две качающиеся шайбы 6 с радиальными цапфами, входящими внутрь поршней и связанными шарнирно с поршнями через шатуны-поводки 7.
Качающиеся шайбы 6 имеют специальные цапфы с роликами 8 сфероидальной формы, опирающимися на направляющие поверхности в корпусе.
Аксиально-поршневой двигатель работает следующим образом.
При вращении вала 4 косые втулки 5 через подшипники придают колебательное движение качающимся шайбам 6, радиальные цапфы которых через шатуны-поводки 7 приводят в возвратно-поступательное движение поршни 3. При этом в меняющихся объемах между поршнями с одной стороны и между поршнями и крышками цилиндров с другой совершаются термодинамические циклы двигателя внутреннего сгорания.
Механизм связи поршней с валом обладает свойством обратимости и поэтому силы давления газов на поршни преобразуются в крутящий момент на валу двигателя. Возникающий при этом реактивный крутящий момент на качающихся шайбах 6 воспринимается сфероидальными роликами 8 стабилизаторов и передается корпусу, тем самым разгружая поршни от бокового давления на стенки цилиндров.
Кроме того, возникающие при работе двигателя силы инерции поступательно движущихся масс в двигателе гасятся силами давления газов в обеих мертвых точках, что разгружает механизм преобразования движения от значительных сил.
В заявке описан двигатель с двумя цилиндрами. По изобретению могут быть выполнены одноцилиндровый и многоцилиндровый двигатели.
Таким образом, изобретение повышает весогабаритные показатели и КПД аксиально-поршневых двигателей с противоположно движущимися поршнями.
1. Аксиально-поршневой двигатель с противоположно движущимися поршнями, содержащий корпус, вал, цилиндры, расположенные вокруг и параллельно оси вала, по два поршня с уплотнениями с обоих торцов в каждом цилиндре, неподвижно закрепленные на валу две косые втулки и две качающиеся шайбы с радиальными цапфами, связанными с поршнями через шатуны-поводки, в котором рабочие процессы совершаются как в объеме между поршнями с одной стороны, так и между торцовыми крышками и поршнями с другой стороны, отличающийся тем, что цапфы качающихся шайб введены внутрь поршней сбоку, шатуны-поводки размещены внутри поршней, а качающиеся шайбы имеют стабилизаторы движения в виде цапф с роликами, опирающимися на направляющие поверхности в корпусе.
2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что ролики стабилизаторов качающихся шайб имеют сфероидальную форму.
3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что ролики стабилизаторов установлены на цапфах качающихся шайб, связанных с поршнями.
www.findpatent.ru
Изобретение относится к двигателестроению, а именно к двухтактным аксиально-поршневым двигателям внутреннего сгорания с осями цилиндров, расположенными параллельно оси ведущего вала, и с качающейся наклонной шайбой. Технический результат заключается в упрощении конструкции привода механизма газораспределения и в увеличении мощности двигателя без снижения его КПД. Заявленный технический результат обеспечивается в аксиально-поршневом двигателе, содержащем корпус, в котором с возможностью вращения в подшипниковых опорах установлен ведущий вал с кривошипом, блок цилиндров, оси которых расположены параллельно оси ведущего вала, и наклонную шайбу, которая шарнирно соединена с шатунами расположенных в цилиндрах поршней и посредством центральной цапфы шарнирно связана с кривошипом ведущего вала. Двигатель также содержит крестовину с двумя противоположно расположенными цапфами, на которых она шарнирно установлена в корпусе. При этом наклонная шайба имеет две противоположно расположенные цапфы, с помощью которых ей обеспечена возможность качания и которые шарнирно установлены в крестовине. Согласно изобретению двигатель дополнительно содержит сепаратор-ресивер, распределитель, компрессорную секцию, воздушный ресивер и распределительный вал с кривошипом. Распределительный вал установлен с возможностью вращения в блоке и головке цилиндров на продолжении оси ведущего вала. Наклонная шайба имеет дополнительную центральную цапфу, которая выполнена соосно к центральной цапфе, связывающей наклонную шайбу с кривошипом ведущего вала. Дополнительная центральная цапфа шарнирно связана с кривошипом распределительного вала, на втором конце которого жестко закреплены кулачки для управления через толкатели и коромысла впускными и выпускными клапанами головки цилиндров. В цилиндрах выполнены выпускные окна для отвода выхлопных газов через обратный клапан в сепаратор-ресивер, выход которого через распределитель соединен с входом подпоршневой полости компрессорной секции. При этом выход компрессорной секции через воздушный ресивер подключен к входам впускных клапанов головки цилиндров. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к двигателестроению, конкретнее к двухтактным аксиально-поршневым двигателям внутреннего сгорания с осями цилиндров, параллельными оси ведущего вала, и с качающейся наклонной шайбой.
Известен аксиально-поршневой двигатель, содержащий блок цилиндров, поршни с шатунами, установленные в блоке цилиндров, ведущий вал, наклонную шайбу с установленной на ней качающейся шайбой, связанной с шатунами, дополнительные в каждом цилиндре встречно расположенный поршень с шатуном, по меньшей мере один полый промежуточный вал, одну дополнительную наклонную шайбу с установленной на ней качающейся шайбой, связанной с шатунами встречно расположенных поршней, причем на каждом полом промежуточном валу установлены обе наклонные шайбы, при этом каждый промежуточный вал связан с ведущим валом через цилиндрические зубчатые передачи, а каждая качающаяся шайба связана с ведущим валом через коническую и цилиндрическую зубчатые передачи (см. описание изобретения к патенту РФ №2163682, МПК F 02 В 75/32, F 02 В 75/26, F 01 В 3/02, публикация 27.02.2001 г.).
Недостатком известного двигателя является невысокий КПД из-за большого количества зубчатых зацеплений.
Известен аксиально-поршневой двигатель, содержащий корпус, установленный в корпусе на подшипниках скольжения с возможностью вращения ведущий вал с первой осью симметрии и с кривошипом, блок цилиндров, оси которых параллельны первой оси ведущего вала, расположенные в цилиндрах поршни с шатунами, наклонную шайбу с второй осью и с центральной цапфой, связанной шарнирно с возможностью качания с кривошипом, при этом наклонная шайба шарнирно соединена посредством шатунов с поршнями, крестовину с двумя противоположно расположенными на третьей оси цапфами, которые установлены шарнирно в корпусе на подшипниках качения, кроме того, наклонная шайба выполнена с дополнительными двумя противоположно расположенными на четвертой оси цапфами, которые установлены шарнирно в крестовине посредством подшипников качения, при этом четвертая ось перпендикулярна третьей оси и пересекается в общей точке с первой, второй и третьей осями (см. описание полезной модели к патенту РФ №40393, МПК F 01 В 3/02, публикация 10.09.2004 г.).
Недостатком этого известного двигателя, принятого за прототип, является сложность выполнения конструкции привода механизма газораспределения и четырехтактный способ осуществления рабочего цикла, что ведет к потере мощности двигателя.
Задачей заявляемого изобретения является упрощение конструкции привода механизма газораспределения и увеличение мощности при заданных параметрах двигателя (диаметре, ходе поршня, числе цилиндров) без снижения КПД двигателя.
Сущность изобретения заключается в том, что в аксиально-поршневом двигателе, содержащем корпус, установленный в корпусе с возможностью вращения в подшипниковых опорах ведущий вал с первой осью симметрии и с кривошипом, блок цилиндров, оси которых параллельны первой оси ведущего вала, расположенные в цилиндрах поршни с шатунами, наклонную шайбу с второй осью и с центральной цапфой, связанной шарнирно с кривошипом, при этом наклонная шайба шарнирно соединена посредством шатунов с поршнями, крестовину с двумя противоположно расположенными на третьей оси цапфами, которые установлены шарнирно в корпусе в подшипниковых опорах, кроме того, наклонная шайба выполнена с возможностью качания на двух противоположно расположенных на четвертой оси цапфах, которые установлены шарнирно в крестовине в подшипниковых опорах, при этом четвертая ось перпендикулярна третьей оси и пересекается в общей точке с первой, второй и третьей осями, двигатель дополнительно содержит сепаратор-ресивер, распределитель, компрессорную секцию, воздушный ресивер и распределительный вал с кривошипом, который установлен на продолжении первой оси в блоке цилиндров и в головке цилиндров в подшипниковых опорах, наклонная шайба выполнена на второй оси с дополнительной центральной цапфой, связанной шарнирно с кривошипом распределительного вала, на втором конусном конце которого жестко закреплены кулачки для управления через толкатели и коромысла впускными и выпускными клапанами головки цилиндров, в цилиндрах выполнены выпускные окна для отвода выхлопных газов через обратный клапан в сепаратор-ресивер, выход которого через распределитель соединен с входом подпоршневой полости компрессорной секции, при этом выход компрессорной секции через воздушный ресивер подключен к входам впускных клапанов головки цилиндров.
Кроме того, компрессорная секция содержит цилиндрический ротор с профилированной поверхностью и с как минимум двумя симметрично относительно оси расположенными перегородками, выполненный как одно целое с ведущим валом, соответствующие перегородкам расположенные в корпусе седла с подпружиненными поршнями-выступами, профилированная поверхность которых сопряжена с профилированной поверхностью ротора, и которые имеют возможность радиального перемещения в седлах, рядом с седлами в корпусе выполнены впускные окна для впуска воздуха, перепускные каналы и каналы нагнетания сжатого воздуха в воздушный ресивер с установленными в них обратными клапанами, при этом сепаратор-ресивер соединен через распределитель и каналы в седлах с подпоршневыми полостями для управления поршнями-выступами, корпус содержит в пазах с двух сторон ротора по два уплотнительных кольца, разъемы которых установлены диаметрально противоположно относительно друг друга.
Это позволяет упростить конструкцию газораспределительного механизма, имея по 1 кулачку на все впускные и по 1 кулачку на все выпускные клапаны. Также это позволит иметь высокий КПД при 2-тактном цикле работы двигателя за счет качественного газообмена путем полного удаления выхлопных газов при обратном ходе поршня и наполнения воздухом цилиндров путем сжатия в компрессорной секции.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 показан аксиально-поршневой двигатель, общий вид в продольном разрезе;
на фиг.2 - то же, поперечный разрез А-А;
на фиг.3 - то же, поперечный разрез Б-Б.
Аксиально-поршневой двигатель содержит корпус 1, установленный в корпусе 1 с возможностью вращения в подшипниковых опорах 2 и 3 ведущий вал 4 с первой осью I симметрии и с кривошипом 5, блок 6 цилиндров 7, оси которых параллельны первой оси ведущего вала 4, расположенные в цилиндрах 7 поршни 8 с шатунами 9, наклонную шайбу 10 с второй осью II и с центральной цапфой 11, связанной шарнирно с кривошипом 5, при этом наклонная шайба 10 шарнирно соединена посредством шатунов 9 с поршнями 8, крестовину 12 с двумя противоположно расположенными на третьей оси III цапфами 13, которые установлены шарнирно в корпусе 1 в подшипниковых опорах 14 и 15. Кроме того, наклонная шайба 10 выполнена с возможностью качания на двух противоположно расположенных на четвертой оси IV цапфах 16, которые установлены шарнирно в крестовине 12 в подшипниковых опорах 17 и 18. При этом четвертая ось IV перпендикулярна третьей III оси и пересекается в общей точке с первой, второй и третьей осями I, II и III. Двигатель дополнительно содержит сепаратор-ресивер 19, распределитель 20, компрессорную секцию 21, воздушный ресивер 22 и распределительный вал 23 с кривошипом 24. Распределительный вал 23 установлен на продолжении первой оси I в блоке 6 цилиндров 7 и в головке 25 цилиндров 7 с возможностью вращения в подшипниковых опорах 26 и 27. Наклонная шайба 10 выполнена на второй оси II с дополнительной центральной цапфой 28, связанной шарнирно с кривошипом 24 распределительного вала 23. На втором конусном конце распределительного вала 23 жестко закреплены кулачки 29 для управления через толкатели 30 и коромысла 31 впускными 32 и выпускными клапанами 33 головки 25 цилиндров 7. В цилиндрах 7 выполнены выпускные окна 34 для отвода выхлопных газов через обратный клапан 35 в сепаратор-ресивер 19, выход которого через распределитель 20 соединен с входом подпоршневой полости компрессорной секции 21. При этом выход компрессорной секции 21 через воздушный ресивер 22 подключен к входам впускных клапанов 32 головки 25 цилиндров 7.
Компрессорная секция 21 содержит цилиндрический ротор 36 с профилированной поверхностью и с как минимум двумя симметрично относительно оси I расположенными перегородками 37, выполненный как одно целое с ведущим валом 4, соответствующие перегородкам расположенные в корпусе 1 седла 38 с подпружиненными поршнями-выступами 39, профилированная поверхность которых сопряжена с профилированной поверхностью ротора 36, и которые имеют возможность радиального перемещения в седлах 38. Рядом с седлами 38 в корпусе 1 выполнены впускные окна 40 для впуска воздуха, перепускные каналы 41 и каналы 42 нагнетания сжатого воздуха в воздушный ресивер 22 с установленными в них обратными клапанами 43. При этом сепаратор-ресивер 19 соединен через распределитель 20 и каналы 44 в седлах 38 с подпоршневыми полостями 45 для управления поршнями-выступами 39. Корпус 1 содержит в пазах с двух сторон ротора 36 по два уплотнительные кольца 46, разъемы которых установлены диаметрально противоположно относительно друг друга.
В головке 25 цилиндров 7 установлены форсунки 47 подачи топлива.
Аксиально-поршневой двигатель работает следующим образом. При вращении ведущего вала 4, совмещенного с ротором 36 компрессорной секции 21 через впускные окна 40 поступает воздух в полость, образованную профилированной поверхностью ротора 36, перегородкой ротора 37, поршнем-выступом 39 и поверхностью корпуса 1 компрессорной секции 21. По краям профилированной поверхности размещены уплотнительные кольца 46, разъемы которых развернуты диаметрально друг от друга и размещены в пазах компрессорной секции. Цикл впуска. Далее, после прохождения перегородкой 37 ротора 36 впускного окна 40 начинается сжатие воздуха в вышеуказанной полости и вытеснение его через обратный клапан 43, канал нагнетания сжатого воздуха 42 в ресивер 22. Цикл сжатия. При приближении перегородки 37 к поршню-выступу 39 происходит уравнивание давлений с обеих сторон поршня-выступа за счет перепускного канала 41. Через распределитель 20 и канал 44 поступают сжатые отработанные газы в подпоршневую полость 45 поршня-выступа 39, в результате чего он перемещается в седле 38 в положение "открыто", освобождая путь перегородке ротора. После прохождения перегородки 37 распределитель 20 перекрывает подачу выхлопных газов в подпоршневую полость 45 и сообщает ее с атмосферой. Подпружиненный поршень-выступ возвращается в положение "закрыто".
При положении поршня 8 в верхней мертвой точке блока 6 цилиндров 7 закрывается выпускной клапан 33 и открывается впускной клапан 32, размещенные в головке 25 цилиндров 7. При движении поршня в направлении нижней мертвой точки рабочая полость цилиндра 7 наполняется сжатым в компрессорной секции 21 воздухом из ресивера 22. При положении поршня, в котором объем надпоршневой полости равен объему камеры сгорания, закрывается впускной клапан 32 и производится впрыск топлива через форсунку 47. Начало цикла рабочего хода. После прохождения поршнем выпускного окна 34 выхлопные газы поступают через обратный клапан 35 в сепаратор-ресивер 19. При достижении поршнем нижней мертвой точки (или с некоторым опережением) открывается выпускной клапан 33. Окончание рабочего хода и начало цикла выпуска. При движении поршня от нижней мертвой точки к верхней происходит удаление выхлопных газов. Совершающие возвратно-поступательное движение поршни 8 через шатуны 9 воздействуют на наклонную шайбу 10, качающуюся в подшипниковых опорах 17, 18 крестовины 12 относительно оси IV и совместно с крестовиной 12 в подшипниковых опорах 14, 15 корпуса 1 относительно оси III. В результате кривошипы 5, 24 совершают круговое движение относительно оси I, вращая в свою очередь ведущий вал 4 в подшипниковых опорах 2, 3 и распределительный вал 23 в подшипниковых опорах 26, 27 с двумя кулачками 29, воздействующими через толкатели 30 и коромысла 31 на соответствующие впускные 32 и выпускные 33 клапаны головки 25 цилиндров 7 двигателя.
Заявленное изобретение позволит повысить мощность двигателя при заданных диаметре, ходе поршня, числе цилиндров без снижения КПД за счет двухтактного способа осуществления рабочего цикла и качественного газообмена, что стало возможным при осуществлении цикла сжатия воздуха в отдельной компрессорной секции.
1. Аксиально-поршневой двигатель, содержащий корпус, установленный в корпусе с возможностью вращения в подшипниковых опорах ведущий вал с первой осью симметрии и с кривошипом, блок цилиндров, оси которых параллельны первой оси ведущего вала, расположенные в цилиндрах поршни с шатунами, наклонную шайбу со второй осью и с центральной цапфой, связанной шарнирно с кривошипом, при этом наклонная шайба шарнирно соединена посредством шатунов с поршнями, крестовину с двумя противоположно расположенными на третьей оси цапфами, которые установлены шарнирно в корпусе в подшипниковых опорах, кроме того, наклонная шайба выполнена с возможностью качания на двух противоположно расположенных на четвертой оси цапфах, которые установлены шарнирно в крестовине в подшипниковых опорах, при этом четвертая ось перпендикулярна третьей оси и пересекается в общей точке с первой, второй и третьей осями, двигатель дополнительно содержит сепаратор-ресивер, распределитель, компрессорную секцию, воздушный ресивер и распределительный вал с кривошипом, который установлен на продолжении первой оси в блоке цилиндров и в головке цилиндров в подшипниковых опорах с возможностью вращения, наклонная шайба выполнена на второй оси с дополнительной центральной цапфой, связанной шарнирно с кривошипом распределительного вала, на втором конусном конце которого жестко закреплены кулачки для управления через толкатели и коромысла впускными и выпускными клапанами головки цилиндров, в цилиндрах выполнены выпускные окна для отвода выхлопных газов через обратный клапан в сепаратор-ресивер, выход которого через распределитель соединен со входом подпоршневой полости компрессорной секции, при этом выход компрессорной секции через воздушный ресивер подключен к входам впускных клапанов головки цилиндров.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что компрессорная секция содержит цилиндрический ротор с профилированной поверхностью и с как минимум двумя симметрично относительно оси расположенными перегородками, выполненный как одно целое с ведущим валом, соответствующие перегородкам расположенные в корпусе седла с подпружиненными поршнями-выступами, профилированная поверхность которых сопряжена с профилированной поверхностью ротора и которые имеют возможность радиального перемещения в седлах, рядом с седлами в корпусе выполнены впускные окна для впуска воздуха, перепускные каналы и каналы нагнетания сжатого воздуха в воздушный ресивер с установленными в них обратными клапанами, при этом сепаратор-ресивер соединен через распределитель и каналы в седлах с подпоршневыми полостями для управления поршнями-выступами, корпус содержит в пазах с двух сторон ротора по два уплотнительных кольца, разъемы которых установлены диаметрально противоположно относительно друг друга.
www.findpatent.ru
