Баландин С.С. Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания. 1972г. (pdf)
Главный конструктор бесшатунных двигателей Сергей Степанович Баландин.Модель бесшатунного 12-цилиндрового авиадвигателя, собранного из трех базовых 4-цилиндровых блоков.Двигатель хорошо вписывается в малый мидель скоростного транспортного средства.
Были не только модели. Строились бесшатунные авиационные двигатели огромной мощности - до 14000 л. с.В печати появились первые сообщения о двигателях С. С. Баландина.Кто возьмется проектировать такие двигатели? С.С. Баландин: 'Первые образцы могут быть разработаны за два года!'
Самолеты должны быть реактивными. Эта истина, перед войной теоретическая, примерно в середине войны превратилась в практическую, актуальную задачу. И через несколько лет почти вся истребительная авиация в сильнейших армиях мира была переведена на реактивную тягу, оснащена турбореактивными двигателями. И только 'прожорливость' первых ТРД и их недолговечность некоторое время еще мешали оснастить ими тяжелые дальние самолеты. Выход нашелся: для тяжелых машин был создан промежуточный тип двигателей, турбовинтовые (ТВД).
Для нашей авиации выход нашелся бы и без ТВД. В те годы специальным конструкторским бюро во главе с Сергеем Степановичем Баландиным были разработаны поршневые моторы, равные турбовинтовым по мощности, габаритам и весу, к тому же более экономичные. И только бесспорность предстоящего перехода всей авиации на реактивную тягу заставила тогда свернуть работы СКБ С. С. Баландина.
Но такие двигатели могли и могут найти применение не только в авиации! И приходится сожалеть, что нам, инженерам, пришлось так долго ждать книгу их главного конструктора 'Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания' (Машиностроение, 1972), в которой сконцентрировано все наиболее важное об этих необыкновенных моторах.
Приводимые в книге цифры кажутся невероятными. Но за ними стоят реальные образцы бесшатунных двигателей разной мощности, придирчиво испытанные государственными комиссиями.
В 1968 г. (ИР No.4) в статье под скромным заголовком 'Существенно новый двигатель' мы рассказали о 'бесшатунном механизме для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное' (а. с. No.164756). Его автор - севастопольский изобретатель Е. И. Лев. А через полгода стало известно о существовании авторского свидетельства No.118471, выданного в 1957 г. Сергею Степановичу Баландину на 'Двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом'. Но до поры до времени сущность этого изобретения была скрыта фразой 'без публикации'.
В обеих формулировках употреблено слово 'бесшатунный'. Что за ним скрыто? Тоже 'существенно новый двигатель'?
Без тщательных экспериментов никто этого сказать не мог. Двигатель, который сконструировал Е. Лев, пока не построен. Зато работы С. Баландина позволяют сказать, что за ключевым словом 'бесшатунный' притаилась, видимо, вся будущая история поршневого моторостроения.
Не будем здесь останавливаться на устройстве бесшатунного механизма, разработанного С. С. Баландиным,- об этом можно прочитать в книге. Скажем лишь, что в моторах Баландина (МБ) оригинальные системы разгрузки, смазки и охлаждения поршней приводят к тому, что поршни практически не изнашиваются. Износ шеек коленчатого вала также снижается в 3--4 раза, потому что на них передается всего лишь разность сил от противолежащих цилиндров, в то время как в обычных двигателях внутреннего сгорания вся сила давления газов на поршни.
Пониженные нагрузки на скользящие детали приводят к 3-4-кратному снижению потерь на трение. Механический к.п.д. моторов Баландина равен 94% (против 75-85% у обычных двигателей внутреннего сгорания). Снижаются габариты моторов А литровая мощность первых же МБ в 1,5 раза превзошла рубеж, до сих пор остающийся заветным для 'обычного' двигателестроения - 100 л.с./л.
Возможности моторов Баландина очень велики. Пока только в них удалось конструктивно просто реализовать двухсторонний рабочий процесс в цилиндрах и таким путем почти в два раза повысить мощность двигателя без существенного увеличения его габаритов (они лишь немного увеличиваются из-за удлинения штоков). Только на этих двигателях при большом мощности применимо золотниковое газораспределение, что ранее удавалось осу ществлять только на маленьких двигателях, например для гоночных мотоциклов. В результате могут быть упорядочены фазы газораспределения, нарушавшиеся в больших двигателях из-за огромных нагрузи на клапанные механизмы. Только в этих моторах может быть достигнута средняя скорость поршня - 80 м/сек, в то время как у лучших образцов шатунных двигателей она не превышает 30 м/сек (при большей скорости поршня эффективная мощность двигателя устремлялась к нулю из-за опережающего роста потерь, в основном на преодоление растущих сил трения). Бесшатунный механизм практически не реагирует на рост средней скорости поршня; эффективная мощность таких моторов в 5-6 раз (а при двойном действии в 10 раз) выше мощности шатунных двигателей тех же габаритов и веса. Об этом свидетельствует график, приведенный в книге. Он ограничен диапазоном до 100 м/сек, но кривые как бы стремятся вырваться за этот предел. Никому в мире - хотя за дело брались крупнейшие фирмы - не удалось еще создать обычный поршневой авиационный мотор мощностью более 6000 л. с. Табу накладывал все тот же кривошипно-шатунный механизм. Под руководством С.С. Баландина строился авиационный мотор мощностью 10000 л. с, весом менее 3,5 т, был разработан бесшатунный авиадизель мощностью 14000 л. с. А в принципе можно построить мотор на все двадцать тысяч л. с. И всего при 24 цилиндрах. Для сравнения: спроектированный фирмой 'Лайкоминг' (США) авиационный поршневой мотор XR-7755 мощностью 5000 л. с. имел 36 цилиндров и гораздо худшие характеристики. Но рост средней скорости - это рост оборотов, рост инерционных нагрузок, вибраций.
И здесь, оказывается, моторы Баландина вне конкуренции. Осциллограммы вибраций самых мощных образцов, снятые в трех осях, кажутся неправдоподобными. Амплитуды - всего 0,05-0,1 мм. Даже наиспокойнейшие турбины зачастую обладают менее уравновешенным характером.
Идеальная уравновешенность моторов Баландина сохраняется при любом числе цилиндров. Из базовых блоков по четыре цилиндра (хотя возможны одно- и двухцилиндровые двигатели) можно, как из кубиков, складывать любые композиции, не сомневаясь в их превосходном поведении. Какой мотор может похвастаться такой пластичностью?
Да еще прибавьте сюда экономичность. Удельный расход топлива у моторов Баландина в среднем на 10% ниже, чем у шатунных. Отключая подачу топлива в один или несколько рядов цилиндров, можно заставить двигатель работать с высокой и практически постоянной экономичностью на режимах от 0,25 до номинальной мощности. Режиму работы на частичных нагрузках - а это основной и, как ни странно, наименее изученный режим подавляющего большинства двигателей - в последнее время уделяется большое внимание. Ведь обычный двигатель хорош лишь в узком диапазоне мощностей и чисел оборотов. Немного в сторону - и все его характеристики ухудшаются. Кроме того, экспериментально установлено, что удельный расход топлива в моторах Баландина можно снизить еще минимум на 10% применением так называемого цикла с удлиненным расширением, т. е. с более длинным рабочим ходом поршня. Цикл этот не выгоден в обычных двигателях, так как приходится резко раздувать их габариты. В бесшатунных же двигателях требуемое увеличение габаритов ровно вдвое меньше, а с учетом их изначальной малогабаритности такой 'подарок' грех не принять.
И последнее. Производство опытных образцов моторов Баландина было в среднем в 1,6 раза дешевле производства равных по мощности обычных поршневых двигателей, причем серийных. То же самое, очевидно, будет иметь место и в новых разработках.Каждый, кто познакомится с книгой Баландина, естественно, захочет узнать, почему так долго не публиковалась эта ценнейшая работа.
В 1957 г. Баландин получил 'добро' на публикацию материалов. Но и после этого Комитет по делам изобретений и открытий, оформив за две недели соответствующее авторское свидетельство, снабдил его грифом 'без публикации'. И только один из иностранных журналов туманно сообщил, что в СССР созданы какие-то уникальные поршневые двигатели. Прошло еще десятилетие, прежде чем Сергей Степанович издал свою книгу. Дальше, видимо, откладывать было нельзя, хотя важнейшее изобретение не было запатентовано за границей. За авторским свидетельством Баландина стоят не только поршневые двигатели ближайшего будущего, но и поршневые насосы, компрессоры без смазки, пневмо- и комбинированные двигатели.Использование двигателей Баландина сулит большие выгоды народному хозяйству. Для их разработки нужна, видимо, специальная конструкторская организация. Вопрос этот как межотраслевой должен решить Государственный комитет СМ СССР по науке и технике.По мнению С.С. Баландина, первые двигатели могут быть разработаны и построены уже через два-три года после создания такой организации.
www.chipmaker.ru
Изобретение относится к машиностроению, а именно к бесшатунным поршневым двигателям внутреннего сгорания. Технический результат заключается в возможности создания надежного и долговечного в работе бесшатунного поршневого двигателя с компактными габаритами. Согласно изобретению двигатель включает в себя корпус с крышками, установленный в них выходной вал, взаимодействующий с шестернями, а также цилиндры и поршни, размещенные в одной плоскости. Поршни снабжены опорными шайбами и подпятниками, выполненными с шейками, имеющими сферические поверхности, взаимодействующие с пазами, выполненными в замыкающем кольце, размещенном между опорными шайбами и шейками подпятников. Подпятники контактируют с роликами-толкателями, размещенными в ступицах шестерен, установленных в щечках выходного вала и взаимодействующих с неподвижным зубчатым колесом. При этом корпус выполнен в виде кольца, а передаточное отношение шестерен и зубчатого колеса равно 1:2. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к машиностроению, а именно к бесшатунным поршневым двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в различных областях народного хозяйства, например на транспорте, в качестве поршневых компрессоров и насосов и др.
Известны бесшатунные двигатели внутреннего сгорания (см. книгу С.С.Баландина "Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания", М. Машиностроение, 1968 г., стр.25 рис.23, стр.39 рис.40, стр.47 рис.48) с крестообразным, Х-образным и У-образным расположением цилиндров, содержащие картер, цилиндры, поршни со штоками, ползуны или заменяющие их шестерни, коленчатые валы и др.
Наличие ползунов уменьшает габариты двигателей, но усложняет конструкцию.
Известен бесшатунный двигатель внутреннего сгорания (см. А.С. №1262074, СССР, кл. F04В 75/24, 07.10.1986 г.), включающий два поршня, жестко соединенных между собой штоком и размещенных в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного перемещения, два коленчатых вала, шейки которых через подшипники соединены со штоком, две тяги, соединяющие коленчатые валы, кривошипы, связанные с соединительным валом с помощью шестерен, два механизма газораспределения.
Такой бесшатунный двигатель внутреннего сгорания сложен в изготовлении, а наличие коленчатых валов увеличивает его габариты по длине.
Известен принятый за прототип бесшатунный двигатель внутреннего сгорания (см. пат. №2006627 RU, кл. F02В 75/32, 30.01.1994 г.), содержащий корпус с боковыми крышками, в которых с двух сторон выполнены опоры кривошипных шестерен, выходной вал с закрепленной на нем, по крайней мере, одной шестерней, цилиндры с установленными в них кинематически связанными с кривошипными шестернями при помощи пальцев поршнями со штоками, взаимодействующими с дополнительными кулисами, размещенными перпендикулярно оси соответствующих цилиндров и шарнирно соединенными посредством пальцев с двумя связанными между собой шестернями, причем кулисы выполнены с одной стороны с цилиндрическими выступами, ось которых перпендикулярна оси кулисы, а с другой стороны - с осевыми отверстиями и соединены между собой при помощи выступов и отверстий.
Недостатком такого двигателя является наличие в нем поршней со штоками, взаимодействующими с кулисами, так как при рабочем ходе поршня от силы штока посредине кулисы возникает большой изгибающий момент, а также большая сила трения, соразмерная с рабочей силой поршня, действующая в местах соединения штока поршня с кулисой, что вызывает поломки в соединении шток поршня - кулиса, вследствие чего снижается надежность и долговечность бесшатунного двигателя внутреннего сгорания.
Техническая задача, поставленная в предполагаемом изобретении, заключается в создании такого бесшатунного поршневого двигателя, который был бы надежен и долговечен в работе при компактных радиальных и продольных габаритах.
Поставленная задача решается тем, что в известном бесшатунном двигателе внутреннего сгорания, включающем корпус с крышками, установленный в них выходной вал, взаимодействующий с шестернями, цилиндры и поршни, размещенные в одной плоскости, поршни снабжены опорными шайбами и подпятниками, выполненными с шейками, имеющими сферические поверхности, взаимодействующие с радиальным внутренним профилем пазов, выполненных в замыкающем кольце, размещенном между опорными шайбами и шейками подпятников, контактирующих с роликами-толкателями, размещенными в ступицах шестерен, установленных в щечках выходного вала и взаимодействующих с неподвижным зубчатым колесом, при этом подпятники установлены с возможностью свободного перемещения в пазах замыкающего кольца, корпус выполнен в виде кольца, а передаточное отношение шестерен и зубчатого колеса равно 1:2.
Выполнение плунжеров с опорной шайбой и подпятниками с шейками, имеющими сферические поверхности и установленными в пазах замыкающего кольца с возможностью свободного перемещения, обеспечивает скольжение шеек подпятников по радиальному внутреннему профилю пазов замыкающего кольца, что обеспечивает синхронную работу противолежащих поршней и исключает появление на поршнях поперечных сил, приводящих к износу поршни и цилиндры, и снижает силы трения между подпятниками и замыкающим кольцом, снижая тем самым износ деталей бесшатунного поршневого двигателя внутреннего сгорания, что повышает надежность и долговечность его работы, кроме того контактирование подпятников поршней с роликами-толкателями, размещенными в ступицах шестерен, установленных в щечках выходного вала и взаимодействующих с неподвижными зубчатыми колесами, обеспечивает непрерывную последовательную работу поршней, а передаточное отношение шестерен и неподвижных зубчатых колес, равное 1:2, позволяет за два оборота шестерни выполнить рабочий ход последовательно всеми поршнями, что повышает производительность двигателя. Выполнение корпуса в виде кольца уменьшает радиальные и продольные габариты бесшатунного поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечивая ему компактность.
На фиг.1 изображен бесшатунный поршневой двигатель внутреннего сгорания в разрезе по осям поршней, вид сверху;
на фиг.2 - поперечный разрез бесшатунного поршневого двигателя внутреннего сгорания, вид сбоку.
Бесшатунный поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит выполненный в виде кольца корпус 1, в котором размещено четное множество, например восемь, лежащих в одной плоскости и расположенных попарно-противоположно цилиндров 2 с закрепленными на них головками 3, в 5 которых установлены газораспределительные механизмы (не показаны), включающие впускной и выпускной клапаны 4, 5, соединенные с соответствующими кольцевыми впускным и выпускным коллекторами 6, 7.
В цилиндрах 2 установлены с возможностью возвратно-поступательного перемещения поршни 8, снабженные опорными шайбами 9, выполненными в виде тарельчатой пружины, и подпятниками 10, на которых выполнены шейки 11, имеющие сферические поверхности 12, взаимодействующие с радиальным внутренним профилем 13 пазов замыкающего кольца 14, установленного между опорными шайбами 9 и подпятниками 10, размещенными в пазах замыкающего кольца 14 с возможностью свободного перемещения и контактирования с роликами-толкателями 15, установленными на осях 16 в ступицах 17 двух шестерен 18, образующих блок 19, который установлен с возможностью вращения вокруг своей оси 20 на подшипниках 21 в щечках 22, закрепленных на выходном валу 23, установленном на подшипниках 24 в крышках 25, 26 корпуса 1.
На выходном валу 23 закреплены втулки-противовесы 27, замыкающие щечки 22 выходного вала 23.
Шестерни 18 размещены в корпусе 1 с возможностью взаимодействия с неподвижными зубчатыми колесами 28, закрепленными с помощью контрольных штифтов 29 в стаканах 30, установленных в корпусе 1 с помощью стопоров 31. Передаточное отношение шестерен 18 и неподвижного зубчатого колеса 28 равно 1:2.
Работа предлагаемого бесшатунного поршневого двигателя внутреннего сгорания осуществляется следующим образом.
Предварительно топливо поступает из впускного коллектора 6 через впускной клапан 4 в цилиндр 2, где происходит его сгорание. Под действием усилия, образующегося при расширении газов, поршень 8, двигаясь вдоль цилиндра 2, перемещает подпятник 10 с роликом-толкателем 15, передавая ему усилие рабочего хода. Ролик-толкатель 15, перемещаясь прямолинейно по траектории, проходящей через центр бесшатунного поршневого двигателя, воздействует через оси 16 ступицы 17 на блок 19 шестерен 18, который вращаясь на подшипниках 21 в щечках 22 выходного вала 23 обеспечивает зацепление шестерен 18 с неподвижными зубчатыми колесами 28 и передает вращение выходному валу 23. Одновременно поршень 8 через опорную шайбу 9 воздействует на замыкающее кольцо 14, которое передает движение противоположно расположенному поршню 8, осуществляя начальную фазу такта сжатия, завершение которого осуществляет ролик-толкатель 15, достигнув противоположного крайнего положения. Поршни 8 последовательно через ролики-толкатели 15 блока 19 шестерен 18, двигаясь по своим прямолинейным траекториям, передают вращение выходному валу 23, и за два оборота выходного вала 23 выполняются все четыре такта работы двигателя.
Замыкающее кольцо 14 при работе бесшатунного поршневого двигателя внутреннего сгорания выполняет функцию синхронизатора скоростей перемещения поршней 8 и роликов-толкателей 15, оно определяет величину хода поршней 8, равную "2Е" - двум величинам его эксцентриситета. Ролики-толкатели 15, перемещаясь каждый по своей прямой траектории, проходящей через центр бесшатунного поршневого двигателя, имеют ход, равный диаметру делительной окружности неподвижного зубчатого колеса 28, вследствие чего они не имеют постоянного контакта с подпятниками 10 поршней 8, но в момент соприкосновения подпятников 10 с роликами-толкателями 15 линейные скорости их уравнены.
Выполнение плунжеров с опорной шайбой и подпятниками с шейками, имеющими сферические поверхности и установленными в пазах замыкающего кольца с возможностью свободного перемещения, обеспечивает скольжение шеек подпятников по радиальному внутреннему профилю пазов замыкающего кольца, что обеспечивает синхронную работу противолежащих поршней и исключает появление на поршнях поперечных сил, приводящих к износу поршни и цилиндры, и снижает силы трения между подпятниками и замыкающим кольцом, снижая тем самым износ деталей бесшатунного поршневого двигателя внутреннего сгорания, что повышает надежность и долговечность его работы, кроме того контактирование подпятников поршней с роликами-толкателями, размещенными в ступицах шестерен, установленных в щечках выходного вала и взаимодействующих с неподвижными зубчатыми колесами, обеспечивает непрерывную последовательную работу поршней, а передаточное отношение шестерен и неподвижных зубчатых колес, равное 1:2, позволяет за два оборота шестерни выполнить рабочий ход последовательно всеми поршнями, что повышает производительность двигателя. Выполнение корпуса в виде кольца уменьшает радиальные и продольные габариты бесшатунного поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечивая ему компактность.
1. Бесшатунный поршневой двигатель внутреннего сгорания, включающий корпус с крышками, установленный в них выходной вал, взаимодействующий с шестернями, цилиндры и поршни, размещенные в одной плоскости, отличающийся тем, что поршни снабжены опорными шайбами и подпятниками, выполненными с шейками, имеющими сферические поверхности, взаимодействующие с радиальными внутренними профилями пазов, выполненных в замыкающем кольце, размещенном между опорными шайбами и шейками подпятников, контактирующих с роликами-толкателями, размещенными в ступицах шестерен, установленных в щечках выходного вала и взаимодействующих с неподвижным зубчатым колесом.
2. Бесшатунный поршневой двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что подпятники поршней установлены в пазах замыкающего кольца с возможностью свободного перемещения.
3. Бесшатунный поршневой двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде кольца.
4. Бесшатунный поршневой двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что передаточное отношение шестерен и неподвижного зубчатого колеса равно 1:2.
www.findpatent.ru
Использование: в машиностроении при проектировании поршневых бесшатунных ДВС. Сущность изобретения: двигатель содержит цилиндр с керамическими гильзами, в котором находятся два поршня, жестко связанных между собой зубчатой рейкой, находящейся в зацеплении с двумя шестернями, которые посредством муфт свободного хода передают крутящийся момент валам отбора мощности, а те, в свою очередь, - шестерне выходного вала. Цилиндр имеет каналы для подачи турбокомпрессором воздуха в двигатель, клапаны выпуска отработанных газов, топливную и водяную форсунки, датчики давления в цилиндре и закрыт с двух сторон крышками с внутренним теплоизолирующим покрытием. Рабочая сторона каждого поршня имеет теплоизолирующее покрытие, поверх которого находится пористое покрытие из материала с высокой теплопроводностью и теплоемкостью. На крайних боковых поверхностях цилиндра расположены датчики положения поршней в цилиндре и датчик скорости движения поршней в цилиндре. Двигатель имеет электронный блок, по сигналам датчиков в управляющий впрыском в цилиндры двигателя топлива и воды. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к машиностроению, касается усовершенствования поршневых бесшатунных двигателей внутреннего сгорания и может быть использовано на транспорте.
Известен бесшатунный двигатель, содержащий, по меньшей мере, один цилиндр, закрытый с обеих сторон крышками с уплотнительными элементами и имеющий две камеры сгорания, размещенный в цилиндре поршень двухстороннего действия с уплотнительными элементами, внутри которого на выходном валу, проходящем через него и пазы в цилиндре, установлены две муфты свободного хода, щеки которых через отверстия в боковинах поршня введены в вырезы цилиндра, где скреплены пальцами, каналы для подачи воздуха или горючей смеси и каналы для выпуска отработанных газов (SU, авторское свидетельство N1038487, кл.6 F 01 B 9/08, 1983). Двигатель имеет следующие недостатки. Работает по двухтактному циклу с прямоточной продувкой, что определяет низкую экономичность, имеет большое число уплотнений, муфты находятся в горячей зоне и ограничены в размерах поршнем, за один рабочий ход вал двигателя поворачивается на небольшой угол, имеет потери на боковое трение поршня в цилиндре, давление в цилиндре резко снижается в течение рабочего хода. Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются: уменьшение потерь на трение в двигателе, повышение его экономичности, обеспечение высокого крутящего момента в широком диапазоне изменения скорости вращения вала двигателя, увеличение удельной мощности. Для решения этих задач предлагается выполнить двигатель с реечно-шестеренчатым преобразователем возвратно-поступательного движения во вращательное и системой управления давлением в цилиндрах, скоростью движения поршня и т.д. на основании этих данных управляющей процессами, протекающими в цилиндрах двигателя. Изобретение поясняется чертежом. Двигатель содержит цилиндр 1 с керамическими гильзами 2, закрытый с двух сторон крышками 3 с теплоизолирующим покрытием 4. Внутри цилиндра 1 находятся двухсторонний поршень 5 с уплотнительными элементами 6. Рабочие стороны поршня имеют теплоизолирующее покрытие 7, поверх которого находится пористое покрытие 8 из материала с высокой теплопроводностью и теплоемкостью. Поршень снабжен зубчатой рейкой 9, находящейся в зацеплении с шестернями 10, передающими вращение валам 11 отбора мощности с помощью муфт свободного хода, состоящих из роликов 12, подпружиненных пружинами 13. Каждый вал отбора мощности передает свое вращение посредством шестерни 14 шестерне 15 выходного вала 16 двигателя. Воздух в двигателе подается по каналам 17, а отработанные газы через клапаны 18 выходят наружу. Кроме клапанов 18 в каждой крышке 3 имеется топливная форсунка 19, форсунка впрыска воды 20 и датчик 21 давления в цилиндре двигателя. На боковой стенке цилиндра 1 расположены датчики 22 положения поршня в цилиндре, управляющие моментом впрыска топлива, а датчик 23 скорости давления поршня в цилиндре, управляющий длительностью впрыска топлива и воды, расположен возле зубчатой рейки 9. Двигатель рассчитан на работу с турбонаддувом, поэтому отходящие через клапан 18 отработанные газы подаются на турбину, вращающую компрессор наддува, который, подавая воздух через каналы 17 под избыточным давлением, осуществляет продольную клапанно-щелевую продувку цилиндров двигателя, которая несмотря на большую сложность обеспечивает более высокое качество продувки, чем прямоточная щелевая и увеличивает мощность и экономичность двигателя. Двигатель работает следующим образом. Пусковым устройством (условно не показано) резко переводят поршень 5 в цилиндре 1 из одного крайнего положения в другое. При этом воздух, находящийся в цилиндре, сожмется и сильно нагреется. Когда уплотнительный элемент 6 поршня 5 пересечет линию датчика 22 положения поршня в цилиндре, он выдаст сигнал на впрыск топлива форсунке 19. Впрыснутое топливо воспламеняется, давление в цилиндре растет и поршень 5 движется в противоположную сторону. В своем конце рабочего хода, перед открытием впускных каналов 17, открывается клапан 18 и отработанные газы выходят из цилиндра, поступая на турбину компрессора. Чуть позже каналы 17 открываются и воздух, подаваемый компрессором, продувает цилиндр. Клапан 18 закрывается, а в это время поршень достигает в противоположной стороне положения, когда форсунка впрыскивает топливо, и цикл повторяется. Для обеспечения высокого крутящего момента работой двигателя управляет электронный блок, получающий информацию от датчиков о положении поршня в цилиндре, скорости движения его, давлении в цилиндре во время рабочего хода и сжатия. Мощность двигателя изменяют подачей на один их входов электронного блока опорного сигнала. На остальные его входы подают сигналы от датчиков 21 давления в цилиндре, датчиков 22 положения поршня в цилиндре, датчика 23 скорости движения поршня в цилиндре. По сигналам датчиков 22 электронный блок управляет моментом впрыска топлива форсунками 19, сигнал датчика 23 управляет опережением впрыска топлива, длительностью впрыска топлива и воды, а сигналы датчиков 21 определяют количество топлива и воды, впрыснутых форсунками 19 и 20 за один рабочий ход поршня. Чем выше скорость движения поршня в цилиндре, тем меньше задержка начала впрыска топлива форсункой 19 после получения электронным блоком сигнала на впрыск от датчика 22, и наоборот, что позволяет поддерживать степень сжатия двигателя постоянной и делает его работу более мягкой. Одновременно изменяется и длительность впрыска топлива и воды. Т.к. с ростом скорости движения поршня в цилиндре увеличивается во второй степени запасаемая ими и всеми движущимися деталями двигателя кинетическая энергия, электронный блок учитывает это, осуществляя впрыск топлива и воды не только меньший период времени, соответственно увеличению скорости движения поршня в цилиндре, но и в течение меньшего пути, проходимого поршнем за рабочий ход. Если при низкой скорости движения поршня в цилиндре впрыск топлива и воды заканчивается при прохождении поршнем почти всего рабочего хода и по инерции поршень почти не движется, то с увеличением скорости его движения увеличивается и путь, проходимый им по инерции, т.к. расширяющиеся газы очень быстро теряют давление, а впрыск топлива и воды заканчивается раньше относительно проходимой поршнем части рабочего хода. Электронный блок сравнивает сигнал от датчика скорости движения поршня в цилиндре 23, умноженный на разность сигналов датчиков 21 давления в цилиндре, с опорным сигналом. Датчик 23 непрерывно посылает информацию о скорости движения поршней в электронный блок, который на основе этих данных устанавливает момент опережения впрыска топлива и длительность впрыска топлива форсункой 19, когда датчик положения поршня в цилиндре 22 подаст сигнал на впрыск топлива и длительность впрыска воды форсункой 20, после отсечки впрыска топлива. Впрыскиваемое топливо воспламеняется, давление в цилиндре растет, датчик давления в цилиндре 21 подаст сигнал в электронный блок, который вычтет из него сигнал датчика 21 противоположной части цилиндра, где в это время идет продувка, и умножит на сигнал датчика скорости движения поршня в цилиндре 23. Когда произведение сигналов этих датчиков сравняется с опорным сигналом, электронный блок уменьшит количество топлива, впрыскиваемого форсункой 19. Но под давлением горячих газов поршень перемещается в противоположную сторону и сжимает там воздух, что ведет к резкому росту давления, и датчик 21 этой стороны цилиндра вычтет больший сигнал из сигнала датчика 21 в части цилиндра, где осуществляется рабочий ход, их производная становится меньше опорного сигнала, и электронный блок вновь увеличит количество топлива, впрыскиваемого форсункой 19. По достижении заданной длительности впрыска топлива происходит отсечка и давление в цилиндре падает, но форсунка 20 впрыска воды по сигналу электронного блока начинает впрыскивать воду, которая, испаряясь на пористом покрытии 8 поршня, вновь поднимает давление в цилиндре, которое регулируется количеством впрыскиваемой воды. Отсечка впрыска воды происходит, когда заданная длительность впрыска достигнута. При небольшой скорости движения поршня в цилиндре это происходит непосредственно перед открытием клапана 18 для выпуска. Отработанные газы вращают турбину компрессора, нагнетающего воздух через впускные каналы 17. При увеличении нагрузки на двигатель без увеличения опорного сигнала скорость движения поршня 5 в цилиндре уменьшится, датчик 23 скорости движения поршней в цилиндре подаст соответствующий сигнал в электронный блок, который увеличит и время впрыска топлива и воды и их количество, т.к. сигнал датчика 23 уменьшится, соответственно уменьшится и производная сигнала датчика 23 с разницей сигналов датчиков 21 давления, поэтому электронный блок увеличит давление в цилиндре, увеличив подачу топлива и воды, что увеличит крутящий момент двигателя. При этом электронный блок устроен так, что не может подать топлива больше, чем возможно по условиям полного сгорания. Благодаря электронному блоку и впрыску воды двигатель имеет восходящую характеристику крутящего момента, занимая промежуточное положение между паровой машиной и дизельным двигателем. Двигатель может работать при 150-200 тактах в минуту и меньше. С увеличением нагрузки его обороты падают, растет крутящий момент и наоборот. Двигатель может использоваться для приведения в движение транспортных средств без коробки передач. Для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное выходного вала с минимальными потерями на трение использован реечно-шестеренчатый механизм с муфтами свободного хода. При движении поршня 5 из одного крайнего положения в другое, зубчатая рейка 9, находящаяся в постоянном зацеплении с шестернями 10, также движется и заставляет вращаться эти шестерни в разные стороны относительно друг друга. Шестерни 10 сидят на валах 11 отбора мощности и благодаря муфтам при вращении в одну сторону передают им вращение, а в другую проскальзывают. Например, поршень движется влево. При этом верхняя (по чертежу) шестерня 10 вращается по часовой стрелке, ролик 12, подпружиненный пружиной 13, заклинит вал 11 отбора мощности относительно шестерни 10 и повернет на некоторый угол. Нижняя шестерня 10 при этом вращается против часовой стрелки, ее ролики 12 отжимают пружину 13, и проскальзывает относительно вала отбора мощности 11. При движении поршня 5 вправо верхняя шестерня 10 будет проскальзывать, а нижняя повернет свой вал отбора мощности. Каждый вал отбора мощности имеет шестерню 14 и обе они находятся в зацеплении с шестерней 15 выходного вала 16 двигателя таким образом, что при движении поршней влево выходной вал двигателя вращает один вал отбора мощности, а вправо другой, причем в одну сторону, что обеспечивает непрерывное и равномерное вращение выходного вала 16 двигателя. Применив зацепление с круговой линией зуба можно значительно повысить надежность данного механизма, уменьшить размеры шестерен. В описанной конструкции практически полностью отсутствует боковое давление на поршни, т.к. газы давят на поршни преимущественно вдоль их боковой линии. Использование керамических гильз и теплоизолирующих покрытий обеспечивает высокую рабочую температуру в цилиндре двигателя, что совместно с пористым покрытием рабочих сторон поршня позволяет впрыскивать и испарять большие количества воды, повышающей рабочее давление в цилиндре. Поршень может быть выполнен из керамики с закладными элементами крепления зубчатой рейки или алюминиевыми с покрытием из окиси алюминия. Зубчатая рейка имеет прямоугольное или круглое сечение, что обеспечивает высокую жесткость и малый вес, каждому валу отбора мощности могут передавать крутящий момент несколько параллельно работающих муфт, присоединенных к шестерням, что позволит увеличить крутящий момент, передаваемый ими.Формула изобретения
1. Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания содержащий по меньшей мере один цилиндр, закрытый с обеих сторон крышками с уплотнительными элементами и имеющий две камеры сгорания, размещенный в цилиндре поршень двустороннего действия с уплотнительными элементами, внутри которого на выходном валу, проходящем через него, и пазы в цилиндре установлены две муфты свободного хода, щеки которых через отверстия в боковинах поршня введены в вырезы цилиндра, где скреплены пальцами каналы для подачи воздуха или горючей смеси и каналы для выпуска отработанных газов, отличающийся тем, что двигатель снабжен электронным блоком и датчиком скорости движения поршня, цилиндр снабжен керамической гильзой и датчиками положения поршня, расположенными на боковой поверхности последнего, крышки снабжены теплоизолирующим покрытием и в них размещены клапаны для выпуска, форсунки впрыска топлива и воды и датчики давления в цилиндре, рабочие стороны поршня снабжены теплоизолирующим покрытием из материала с высокой теплопроводностью и теплоемкостью, причем поршень снабжен зубчатой рейкой, установленной с образованием постоянного зацепления по меньшей мере с двумя шестернями, каждая из которых посредством муфт свободного хода связана со своим валом отбора мощности, а последние с шестерней выходного вала, датчик скорости движения поршня в цилиндре установлен вблизи рейки и подключен к электронному блоку совместно с упомянутыми датчиками, с образованием системы управления впрыском топлива и воды. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что устройство для подачи воздуха в камеры сгорания содержит отдельный компрессор, сообщенный с одноименными каналами цилиндра и приводимый энергией отработанных газов. 3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что поршень выполнен из керамики и в нем закреплены закладные элементы крепления рейки. 4. Двигатель по пп.1 3, отличающийся тем, что муфты свободного хода расположены сбоку от шестерен валов отбора мощности. 5. Двигатель по пп.1 4, отличающийся тем, что снабжен дополнительными муфтами свободного хода, причем на каждом валу отбора мощности расположены несколько муфт, соединенных параллельно. 6. Двигатель по пп.1, 2, 4 и 5, отличающийся тем, что поршень выполнен из алюминия, а его покрытие из окиси алюминия. 7. Двигатель по пп.1 6, отличающийся тем, что зубчатая рейка с шестернями образуют зацепление с круговой линией зуба.РИСУНКИ
Рисунок 1www.findpatent.ru
Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и позволяет повысить надежность работы двигателя при высоких динамических нагрузках, возможность форсировки (увеличения мощности) двигателя за счет изменения (увеличения) рабочего хода и устойчивости поршня, исключая возможность его перекоса и заклинивания. В процессах сгорания и расширения газы принуждают поршня 3 к поступательному движению, которое воспринимается сферическими телами (шарами) 6, расположенными в выполненных полусферических гнездах 5 на поршне и в цилиндре. Сферические тела, находясь в сочленении с пазами 2, выполненными в цилиндре 1, и с пазами 4, выполненными на поршнях 3, вынуждены катиться по криволинейным бесконечным профилям этих пазов, преобразуя тем самым поступательное движение поршня во вращательное, которое передается от сферических тел (шаров) на поршни. Вращательное движение от поршней передается на выходной вал 7 с помощью шестерен 8, через шлицевые втулки 10, связанные с поршнями, и шлицевых валов 9, на которых также установлены шестерни 8. Причем шлицевые вал и втулка в совокупности выполняют функцию передаточного механизма. 2 ил.
Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению.
Известны конструкции бесшатунных двигателей внутреннего сгорания, например двигатель Баландина, двигатель Ванкеля. Двигатель Баландина (см. Баландин С.С. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. - М: Машиностроение, 1972) содержит по меньшей мере цилиндр, поршень, шток, камеру сгорания, коленчатый вал. В двигателе Баландина преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное осуществляется при помощи коленчатого вала специальной конструкции. Двигатель Ванкеля (см. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигаталей. Под редакцией Орлина А.С. и др. -М. : Машиностроение, 1980, с.253) содержит корпус, ротор, камеру сгорания, источник воспламенения, выходной вал. В этом двигателе усилие от давления газов передается непосредственно вращающемуся ротору, а от ротора выходному валу. Наиболее близким к предлагаемому двигателю является бесшатунный двигатель (см. заявку ФРГ N 3831451, кл. F 02 B 75/32, 1990). Он содержит цилиндр с криволинейными бесконечными пазами на его внутренней поверхности, поршень, выходной вал, шестерни, камеру сгорания, топливную систему, механизм газораспределения и передаточный механизм. В этом двигателе поршень связан с цилиндром при помощи сферических тел, а с выходным валом через шестерни и шлицевой вал. Недостатком данного двигателя является ограниченная надежность, то есть плохая приспособляемость к восприятию высоких динамических нагрузок. Это связано с плохой устойчивостью поршня при перемещении его между крайними мертвыми точками, что может вызвать перекос поршня и его клинение в цилиндре. Изобретение решает задачу повышения надежности работы двигателя при высоких динамических нагрузках, повышения возможности форсировки (увеличения мощности) двигателя за счет изменения (увеличения) рабочего хода и повышения устойчивости поршня, тем самым исключая возможность его перекоса и клинения. Указанная задача решается тем, что в бесшатунном двигателе внутреннего сгорания, содержащем цилиндр с криволинейными бесконечными пазами на его внутренней поверхности, поршень, выходной вал, камеру сгорания, форсунку, механизм газораспределения, передаточный механизм, согласно изобретению на боковой поверхности поршня выполнен бесконечный криволинейный паз, соответствующий по форме и амплитуде упомянутому выше пазу цилиндра, кроме того двигатель снабжен по крайней мере одной дополнительной парой сферических тел, при этом все сферические тела расположены попарно диаметрально противоположно. Наличие дополнительного паза, выполненного на боковой поверхности поршня, и дополнительных сферических тел (шаров) позволяет получить дополнительную связь поршня с цилиндром, тем самым повышается поверхность опоры поршня. То есть вместо двух диаметрально противоположных точек опоры поршня, как у прототипа, в данном изобретении этих точек четыре, и они так же диаметрально противоположны при любом положении поршня при его движении от крайних мертвых точек. Совокупность заявленных признаков позволяет в значительной мере повысить надежность работы двигателя при высоких динамических нагрузках, повысить устойчивость поршня, тем самым исключить возможность перекоса и возможность клинения поршня в цилиндре. На фиг.1 изображен разрез двигателя; на фиг.2 - сечение А-А. Двигатель включает цилиндр 1 с выполненными на части длины его внутренней поверхности бесконечными криволинейными пазами 2, поршень 3 с выполненными на его боковой поверхности криволинейными бесконечными пазами 4, имеет, как и цилиндр, по паре полусферических гнезд 5, куда установлены сферические тела 6 (шары), которые входят в сочленение с соответствующими пазами на цилиндре и поршне. Поршни связаны с выходным валом 7 через шестерни 8 и шлицевые валы 9, которые посредством шлицов находятся в сочленении со шлицевыми втулками 10, закрепленными на поршнях. Поршни при схождении в совокупности с цилиндром образуют камеру сгорания 11. В поршне цилиндра установлены форсунки 12, выполнены продувочный 13 и выпускной 14 ресиверы. Выходной вал установлен в подшипниках 15. Двигатель работает как двигатель с прямоточной схемой газообмена с противоположно движущимися поршнями следующим образом. В процессах сгорания и расширения газы принуждают поршни 3 к поступательному движению, которое воспринимается сферическими телами 6 (шарами), расположенными в выполненных полусферических гнездах 5 на поршне и в цилиндре. Сферические тела, находясь в сочленении с пазами 2, выполненными в цилиндре 1, и с пазами 4, выполненными на поршнях 3, вынуждены катиться по криволинейным бесконечным профилям этих пазов, преобразуя тем самым поступательное движение поршня во вращательное, которое передается от сферических тел (шаров) на поршни. Вращательное движение от поршней передается на выходной вал 7 с помощью шестерен 8 через шлицевые втулки 10, связанные с поршнями, и шлицевых валов 9, на которых также установлены шестерни 8. Причем шлицевые вал и втулка в совокупности выполняют функцию передаточного механизма. Перемещение поршней от НМТ к ВМТ обеспечивается установленным на выходном валу маховиком (не показан). Таким образом, выполненный на поверхности поршня бесконечный криволинейный паз и наличие пар сферических (шаров) как в поршне, так и в цилиндре, позволяет повысить устойчивость поршня, тем самым исключая возможность его перекосов и клинения, так как поршень опирается в четырех диаметрально противоположных точках, а также повысить надежность двигателя при высоких динамических нагрузках. Предлагаемый двигатель может использоваться в личном, фермерском хозяйстве, а также на приусадебном участке как многофункциональный двигатель. А именно в качестве источника механической энергии на минитракторах, мотоблоках, мотокультиваторах, для привода компактных генераторов электрической энергии, гидронасосов и других целей. Кроме простоты конструкции, малой массы и габаритов, а также полной уравновешенности, этот двигатель удобен еще и тем, что отбор мощности можно осуществлять с обоих концов выходного вала, что удобно при работе с двигателем.Формула изобретения
Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания с вращающимися поршнями, содержащий цилиндр с криволинейными бесконечными пазами на его внутренней поверхности, поршень, связанный с цилиндром при помощи сферических тел и взаимодействующий через шестерни с выходным валом, камеру сгорания, топливную систему, механизм газораспределения, передаточный механизм, отличающийся тем, что на боковой поверхности поршня выполнен бесконечный криволинейный паз, соответствующий по форме и амплитуде упомянутому пазу цилиндра, кроме того, двигатель снабжен по крайней мере одной дополнительной парой сферических тел, при этом все сферические тела расположены попарно диаметрально противоположно.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2www.findpatent.ru
Изобретение относится к двигателестроению, а именно к бесшатунным двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение экономичности и удельных массогабаритных параметров двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит поршни, цилиндр с пазами на его цилиндрической поверхности, передаточный механизм с роликами, камеру сгорания, форсунку, механизм газораспределения и выходной вал. Согласно изобретению каждый поршень снабжен подвижным соединением, включающим вал с площадками, ходовые ролики, опирающиеся с двух сторон на указанные площадки и установленные на траверсе, на противоположных концах которой расположены ролики преобразующего механизма. При этом конфигурация продольного профиля паза цилиндра представляет собой замкнутую, многопериодную, несимметричную в направлении, перпендикулярном к развертке, с несколькими экстремумами объемную канавку. В варианте выполнения двигателя ролики установлены в корпусе двигателя, а канавка - на боковой поверхности поршня. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к области машиностроения и, в частности, к двигателестроению и может быть использовано в качестве источника механической энергии в машинах и механизмах наземного, водного и воздушного транспорта, а также в мобильных и стационарных энергетических установках различного назначения.
Известны конструкции бесшатунных двигателей внутреннего сгорания, такие как, например, двигатель Баландина, поршневая машина Лапидуса. Двигатель Баландина (см.: Баландин С.С. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1972) содержит корпус, цилиндры, поршни, штоки, соединительные звенья, коленчатый вал. В двигателе Баландина преобразование возвратно-поступательного движения поршней, попарно жестко связанных со штоками, во вращательное осуществляется при помощи соединительных звеньев и коленчатого вала. Поршневая машина Лапидуса (А. С. 1038487, F 01 В 9/08, опубл. 1983), которая может быть использована в качестве двигателя внутреннего сгорания, содержит корпус, цилиндр, поршень и выходной вал, связанный с поршнем и цилиндром посредством рычагов, укрепленных на обгонных муфтах. Наиболее близкой к предлагаемому двигателю является конструкция бесшатунного двигателя внутреннего сгорания с вращающимися поршнями согласно патенту РФ 2057948, МПК 6 F 01 В 9/08. Этот бесшатунный двигатель содержит корпус, гильзу цилиндра с криволинейным замкнутым пазом, выполненным в ее нижней (по отношению к камере сжатия и сгорания) части, поршни, механизмы преобразования, которые представляют собой ролики, установленные на пальцах, находящихся в поршнях, и штоки, закрепленные на поршнях и связанные с шестернями выходного вала посредством роликов, находящихся в прямолинейных пазах ступиц шестерен. Основными недостатками такого двигателя являются следующие: - невозможность такой организации рабочего цикла, при которой степень расширения рабочего тела в такте рабочего хода превышала бы степень предварительного сжатия рабочего тела в такте сжатия; - заниженная возможность, вследствие названной причины, преобразования внутренней энергии рабочего тела при его расширении в механическую работу; - повышенное содержание вредных веществ в выпускных газах двигателя и, как следствие, относительно высокая токсичность отработавших газов, а также значительный уровень шума, излучаемого двигателем в окружающую среду, обусловливаемые недостаточной степенью расширения рабочего тела; - увеличение, вследствие названных причин, механических потерь и, в частности, потерь на трение в основных элементах кинематической цепи механизма преобразования движения, что приводит к повышенному износу и нарушению работоспособности основных деталей двигателя; - относительно высокие температуры выпускных газов, что ведет к перегреву деталей такого ДВС. В основу изобретения положено значительное улучшение мощностных, экономических, массогабаритных, эксплуатационных и экологических параметров и характеристик бесшатунного двигателя внутреннего сгорания с вращающимися поршнями посредством повышения степени расширения рабочего тела в такте рабочего хода, т.е. введением продолженного расширения. Решение технической задачи достигается тем, что в бесшатунном двигателе внутреннего сгорания, содержащем поршни, цилиндр с пазами на его цилиндрической поверхности, передаточный механизм с роликами, камеру сгорания, форсунку, механизм газораспределения, выходной вал, согласно изобретению каждый поршень снабжен подвижным соединением, включающим вал с площадками, ходовые ролики, опирающиеся с двух сторон на указанные площадки и установленные на траверсе, на противоположных концах которой расположены ролики преобразующего механизма, при этом конфигурация продольного профиля паза цилиндра представляет собой замкнутую, многопериодную, несимметричную в направлении, перпендикулярном к развертке, с несколькими экстремумами объемную канавку. При этом участки канавки могут быть выполнены синусоидальной формы, или прямолинейной формы в сочетании с круговой, или синусоидальной формы в комбинации с элементами прямолинейной и круговой форм, а экстремумы канавки находятся на разной высоте (через один). В другом варианте бесшатунного двигателя внутреннего сгорания, содержащем поршни, цилиндр, передаточный механизм с роликами, камеру сгорания, форсунку, механизм газораспределения, выходной вал, согласно изобретению ролики передаточного механизма установлены в корпусе двигателя и размещены в пазах, выполненных на боковой поверхности поршня, причем каждый поршень снабжен подвижным соединением, включающим вал с площадками и ходовые ролики, опирающиеся с двух сторон на указанные площадки и установленные на траверсе, при этом конфигурация продольного профиля паза поршня представляет собой замкнутую, многопериодную, несимметричную в направлении, перпендикулярном к развертке, с несколькими экстремумами объемную канавку. При этом участки канавки могут быть выполнены синусоидальной формы, или прямолинейной формы в сочетании с круговой, или синусоидальной формы в комбинации с элементами прямолинейной и круговой форм, а экстремумы канавки находятся на разной высоте (через один). Размещение упомянутых механизмов и конфигурация продольного профиля беговой дорожки обеспечивают возможность того, что каждый из поршней бесшатунного двигателя внутреннего сгорания в течение одного полного оборота вокруг продольной оси может совершать перемещение с различной амплитудой относительно камеры сжатия и сгорания. Главной отличительной особенностью данного двигателя является то, что паз, выполненный на поверхности одного из элементов цилиндропоршневой группы (цилиндра или поршня), представляет собой замкнутую, криволинейную, многопериодную, несимметричную канавку, отдельные участки которой могут быть выполнены синусоидальной, прямолинейной или круговой формы, так что канавка имеет насколько экстремумов. При этом экстремальные точки, так как канавка многопериодная и несимметричная, находятся на разной высоте относительно камеры сжатия и сгорания, причем канавка выполнена так, что чередование экстремумов по высоте происходит через один. Благодаря этому обстоятельству в бесшатунном ДВС достигается превышение степени расширения рабочего тела над степенью сжатия, т.е. реализация цикла с продолженным расширением. Сущность изобретения (на примере одноцилиндровой машины с противоположно движущимися поршнями и синхронизирующим валом) поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена конструктивная схема бесшатунного ДВС с продолженным расширением, в котором криволинейный паз выполнен на поверхности цилиндра; на фиг. 2 - конструктивная схема бесшатунного ДВС с продолженным расширением, в котором криволинейный паз выполнен на поверхности поршня; на фиг.3 - принципиальная схема бесшатунного ДВС с продолженным расширением; на фиг.4 - схема последовательных положений беговых роликов одной траверсы (одного поршня), которые они занимают относительно криволинейного паза при перемещении поршня в цилиндре двигателя; на фиг.5 - конфигурация продольного профиля криволинейного паза, образованного участками синусоидальной формы; на фиг.6 - конфигурация продольного профиля криволинейного паза, образованного участками прямолинейной формы в сочетании с круговой; на фиг.7 - конфигурация продольного профиля криволинейного паза, образованного участками синусоидальной формы в комбинации с участками прямолинейной и круговой форм, при этом во всех вариантах указанного паза экстремумы канавки находятся на разной высоте (через один). Бесшатунный ДВС с продолженным расширением (фиг.1) содержит поршни 1 и 2, размещенные в гильзе цилиндра 3, поршневые валы 4 и 5, установленные в корпусе 6 двигателя и связанные с поршнями при помощи подвижных соединений 7, которые включают траверсы 8, рабочие площадки 9 и ходовые ролики 10, шестерни 11, укрепленные на поршневых и выходном (синхронизирующем) 12 валах, камеру сжатия и сгорания 13, форсунку 14; гильза цилиндра имеет окна газораспределения 15, а на поверхности цилиндра выполнен криволинейный паз 16, в котором расположены установленные на траверсе беговые ролики 17 передаточного механизма. Другой вариант бесшатунного ДВС с продолженным расширением (фиг.2) содержит поршни 1 и 2, размещенные в гильзе цилиндра 3, поршневые валы 4 и 5, установленные в корпусе 6 двигателя и связанные с поршнями при помощи подвижных соединений 7, которые включают траверсы 8, рабочие площадки 9 и ходовые ролики 10, шестерни 11, укрепленные на поршневых и выходном (синхронизирующем) 12 валах, камеру сжатия и сгорания 13, форсунку 14; гильза цилиндра имеет окна газораспределения 15, а на поверхности поршня выполнен криволинейный паз 16, в котором расположены установленные в корпусе двигателя беговые ролики 17 передаточного механизма. Принцип действия бесшатунного ДВС с продолженным расширением (фиг.3) заключается в следующем. В процессе сгорания и расширения газы (рабочее тело), находящиеся в цилиндре, побуждают поршни 1 и 2 расходиться к наружным (по отношению к камере сжатия и сгорания, или средней части цилиндра) крайним положениям. При этом беговые ролики 17 скатываются из положений 18 (фиг. 4), которые они занимали при нахождении поршней 1 и 2 во внутренних (по отношению к камере сжатия и сгорания) крайних положениях, в положения 19, соответствующие нахождению поршней 1 и 2 в наружных крайних положениях. Таким образом, благодаря особенностям профиля беговой дорожки (паза) 16 поршни удаляются друг от друга на максимальное расстояние. В процессе дальнейшего (уже сходящегося) движения поршней 1 и 2, происходящего за счет энергии, накопленной маховыми массами, и (или) работы других цилиндров, беговые ролики 17 перемещаются в пазах 16 из положений 19 в положения 20. Осуществляется выпуск рабочего тела (выпускных газов) из цилиндра. Затем при скатывании беговых роликов 17 в пазах 16 из положений 20 в положения 21 поршни 1 и 2 вновь расходятся и происходит впуск рабочего тела в цилиндр двигателя. При этом величина перемещения поршня (его ход) меньше, чем его перемещение в процессах сгорания и расширения. При дальнейшем перемещении беговых роликов 17 в пазах 16 (из положений 21 в положения 22, они же - 18) происходит процесс сжатия рабочего тела в цилиндре. Подвижное соединение 7 обеспечивает отделение и передачу вращательной составляющей движения поршней через поршневые валы 4 и 5 и шестерни 11 на выходной вал 12. При этом, как видно из схем, представленных на фиг.5, 6 и 7, степень расширения рабочего тела, определяемая профилем "участка расширения" беговой дорожки и соответствующим перемещением поршней, оказывается больше степени его сжатия. Этим и обеспечивается реализация в бесшатунном ДВС цикла с продолженным расширением. Представленная схема бесшатунного ДВС с продолженным расширением обеспечивает следующие технические преимущества: - возможность такой организации внутрицилиндровых процессов, при которой степень расширения рабочего тела в цикле превышает степень сжатия; - практическое осуществление рабочего цикла поршневой тепловой машины с высокой степенью использования внутренней энергии рабочего тела за счет более эффективного преобразования ее в механическую работу при расширении; - в связи с названными преимуществами пониженное содержание вредных веществ в выпускных газах такого двигателя и, как следствие, относительно низкая их токсичность, а также меньший уровень шума, излучаемого двигателем в окружающую среду, что способствует уменьшению вредного воздействия двигателя на основные компоненты экологических систем и, кроме того, ведет к значительному улучшению эргономических (связанных с аспектами взаимодействия в рамках системы "двигатель-человек") параметров и характеристик такого ДВС; - возможность существенного снижения требований, предъявляемых к глушителям шума выпускных газов ДВС и, как следствие, упрощение их конструкции; - улучшение вследствие названных причин эффективности работы двигателя, повышение его КПД, уменьшение относительной величины механических потерь и, в частности, потерь на трение в основных элементах кинематической цепи механизма преобразования движения, что обеспечивает снижение износа и повышение работоспособности деталей, узлов и механизмов двигателя; - лучшие массогабаритные, удельные мощностные и экономические характеристики двигателя; - более низкая температура выпускных газов, что обеспечивает более низкую температуру и более высокий ресурс деталей такого ДВС. Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания с продолженным расширением может быть использован в качестве источника механической энергии основных и вспомогательных машин и механизмов наземного, водного и воздушного транспорта, мобильных и стационарных установок различного функционального назначения (генераторы электрической энергии, насосы, компрессоры), а также в качестве поршневого насоса или компрессора. Благоприятные экологические и эргономические характеристики бесшатунного ДВС с продолженным расширением позволяют широко применять его в составе силовых агрегатов машин и механизмов, предназначенных для проведения горных разработок открытого и особенно закрытого типа.Формула изобретения
1. Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания, содержащий поршни, цилиндр с пазами на его цилиндрической поверхности, передаточный механизм с роликами, камеру сгорания, форсунку, механизм газораспределения, выходной вал, отличающийся тем, что каждый поршень снабжен подвижным соединением, включающим вал с площадками, ходовые ролики, опирающиеся с двух сторон на указанные площадки и установленные на траверсе, на противоположных концах которой расположены ролики преобразующего механизма, при этом конфигурация продольного профиля паза цилиндра представляет собой замкнутую, многопериодную, несимметричную в направлении, перпендикулярном к развертке, с несколькими экстремумами объемную канавку. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что участки канавки выполнены синусоидальной формы, а экстремумы канавки находятся на разной высоте (через один). 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что участки канавки выполнены прямолинейной формы в сочетании с круговой, а экстремумы канавки находятся на разной высоте (через один). 4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что участки канавки выполнены синусоидальной формы в комбинации с элементами прямолинейной и круговой форм, а экстремумы канавки находятся на разной высоте (через один). 5. Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания, содержащий поршни, цилиндр, передаточный механизм с роликами, камеру сгорания, форсунку, механизм газораспределения, выходной вал, отличающийся тем, что ролики передаточного механизма установлены в корпусе двигателя и размещены в пазах, выполненных на боковой поверхности поршня, причем каждый поршень снабжен подвижным соединением, включающим вал с площадками и ходовые ролики, опирающиеся с двух сторон на указанные площадки и установленные на траверсе, при этом конфигурация продольного профиля паза поршня представляет собой замкнутую, многопериодную, несимметричную в направлении, перпендикулярном к развертке, с несколькими экстремумами объемную канавку. 6. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что участки канавки выполнены синусоидальной формы, а экстремумы канавки находятся на разной высоте (через один). 7. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что участки канавки выполнены прямолинейной формы в сочетании с круговой, а экстремумы канавки находятся на разной высоте (через один). 8. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что участки канавки выполнены синусоидальной формы в комбинации с элементами прямолинейной и круговой форм, а экстремумы канавки находятся на разной высоте (через один).РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7www.findpatent.ru
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, которые могут быть использованы в промышленности, сельском хозяйстве и на транспорте. Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус, оппозитно расположенные цилиндры с поршнями, которые полости цилиндров делят на компрессорную камеру и камеру сгорания, системы подачи воздуха и топлива, воспламенения топлива, системы смазки, охлаждения, запуска двигателя и выходной вал с маховиком, кинематически связанный с поршнями. Двигатель снабжен зубчатыми рейками, расположенными по бокам корзинки, жестко соединенной с поршнями, валами-шестернями, одинаковыми муфтами, установленными на концах валов-шестерен, и датчиками включения и выключения электромагнитов муфт. Каждая из муфт состоит из ведущего диска, несущего торцевые зубья, подвижной части с торцевыми зубьями, имеющей возможность перемещаться по зубьям внутреннего зацепления средней части муфты, жестко установленной на вале-шестерне и имеющей возможность входить в зацепление с зубьями ведущего диска при включении муфты. Муфта содержит электромагнит и пружины, которые имеют возможность выводить подвижную часть из зацепления с торцевыми зубьями ведущего диска. Зубчатые рейки выполнены с возможностью нахождения в постоянном зацеплении с валами-шестернями. Валы-шестерни находятся в постоянном зацеплении с шестерней выходного вала маховиком. Технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия и крутящего момента. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания.
В промышленности это силовые агрегаты в экскаваторах, подъемных кранах, компрессорах, насосах, индивидуальных электростанциях и других установках.
В сельском хозяйстве это моторы комбайнов, молотилок, сенокосилок, тракторов, транспортных средств и других машин и механизмов.
В авиастроении (малая авиация) это моторы самолетов, дельтапланов и других летательных аппаратов.
В судостроении это судовые силовые агрегаты, подвесные и стационарные моторы малых судов.
В автостроении это моторы легковых и грузовых машин.
Существующие двигатели внутреннего сгорания при высокой степени их технологичности для массового производства и получившие широкое распространение в различных областях применения имеют существенные недостатки.
К главным из них относятся сравнительно низкий кпд как по механической части, так и по топливу. Низкое использование энергии топлива приводит к повышенной токсичности выхлопных газов, загрязнению окружающей среды, потери мощности двигателя. В значительной степени указанные недостатки имеют место и в двигателях внутреннего сгорания, предложенных ранее, с оппозитно расположенными рабочими цилиндрами (например, патенты: RU №2084664, 2079683, 2042040, 2078227).
Однако указанные двигатели не только не решают основных задач, но имеют свои недостатки, такие как односторонняя связь подвижные элементы двигателя-маховик и не имеют обратной связи маховик-подвижные элементы двигателя, что приводит к отсутствию возможности пуска двигателя через маховик стартером, и двигатель теряет управляемость при ускорении маховика, т.е. теряется возможность использовать двигатель в режиме торможения.
Наиболее близким прототипом, лишенным этого недостатка, является двигатель по патенту DE 19715499 AI.
Такой двигатель содержит корпус, на котором оппозитно расположены два цилиндра с поршнями в виде плоских дисков с одним компрессионным кольцом, разделяющим полости цилиндров на камеры сгорания и компрессорные. Поршни связаны между собой штоком, получившимся в результате объединения двух, через опоры вращения на цапфе кривошипа, на валу которого установлена шестерня с внешними зубьями, находящаяся в постоянном зацеплении с венцом с внутренними зубьями, установленным неподвижно. Диски поршней имеют по одному сквозному отверстию с клапаном, позволяющим газам перемещаться в сторону камер сгорания, последние соединены с элементами для выпуска выхлопных газов.
Шток, совершая прямолинейные возвратно-поступательные движения, действует на кривошип, цапфа, вращаясь в опорах штока, заставляет вращаться шестерню с внешними зубьями, которая в свою очередь, обегая неподвижный венец с внутренними зубьями, заставляет вращаться выходной вал с маховиком.
Недостатком двигателя является то, что в линейном приводе нагрузки на элементы узла распределены не рационально, что увеличивает трение в перегруженных опорах, снижает кпд.
Поршень, не отдающий тепла, недолговечен. Струя воздуха, проходящая через клапан в поршне, не способствует равномерному и полному вытеснению продуктов сгорания из камеры сгорания, что препятствует полному сгоранию топлива, увеличивая токсичность выхлопных газов.
Ввиду наличия кривошипов, процессы, протекающие в двигателе, идентичны процессам в двигателе с коленчатым валом и как следствие, имеет аналогичные недостатки и низкий кпд.
Прирост мощности двигателя при испытаниях произошел за счет увеличения рабочего объема двухтактного двигателя при двойном расходе топлива.
Сравнивать объемы обычного четырехцилиндрового четырехтактного двигателя, который мы заменяем на двухтактный, недопустимо. Необходимо, чтобы объемы каждого из цилиндров двигателей были равны. Отсюда ложное представление об увеличении мощности предлагаемого двигателя.
Таким образом, прототип не решает основных задач по повышению кпд, по снижению токсичности выхлопных газов, не увеличивает мощности, не снижает расхода топлива.
Задачей и техническим результатом изобретения является создание экономичного двигателя с повышенным кпд и повышенным крутящим моментом, а также создание прямой и обратной кинематических связей между подвижными элементами двигателя и маховиком.
Заявленный технический результат достигается тем, что бесшатунный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус, оппозитно расположенные цилиндры с поршнями, которые полости цилиндров делят на компрессорную камеру и камеру сгорания, системы подачи воздуха и топлива, воспламенения топлива, системы смазки, охлаждения, запуска двигателя и выходной вал с маховиком, кинематически связанный с поршнями, причем двигатель снабжен зубчатыми рейками, расположенными по бокам корзинки, жестко соединенной с поршнями, валами-шестернями, одинаковыми муфтами, установленными на концах валов-шестерен, датчиками включения и выключения электромагнитов муфт, каждая из муфт состоит из ведущего диска, несущего торцевые зубья, подвижной части с торцевыми зубьями, имеющей возможность перемещаться по зубьям внутреннего зацепления средней части муфты, жестко установленной на валу-шестерне и имеющей возможность входить в зацепление с зубьями ведущего диска при включении муфты, электромагнита и пружины, имеющей возможность выводить подвижную часть из зацепления с торцевыми зубьями ведущего диска, зубчатые рейки выполнены с возможностью нахождения в постоянном зацеплении с валами-шестернями, а валы-шестерни находятся в постоянном зацеплении с шестерней выходного вала маховиком.
Компрессорная камера выполнена большей по объему, чем камера сгорания.
В камеру сгорания подается воздух повышенного давления, равного давлению газов в камере сгорания в конце рабочего хода.
Все клапаны, кроме выпускных, работают от перепада давления, а выпускные имеют привод.
Клапаны выполнены дисковыми и имеют стойки с пружинами, обеспечивающими прилегание притертых поверхностей.
На валах-шестернях установлены датчики угловой скорости, обеспечивающие синхронные вращения валов-шестерен при включении муфт.
Предлагаемый двигатель двухтактный, что снижает количество ходов поршня по сравнению с четырехтактным, уменьшает габариты, массу при сохранении мощности.
Прямоточная продувка камеры сгорания осуществляется повышенным давлением воздуха, равным давлению газов в конце рабочего хода в камере сгорания объемом, по крайней мере, не меньшим ее объема, что обеспечивает более полную и быструю очистку камеры от продуктов сгорания. С помощью реечного механизма и двух муфт осуществлена прямая и обратная кинематическая связь подвижных элементов двигателя-маховика.
В связи с тем, что в предлагаемом двигателе для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное применены муфты, например магнитные зубчатые и реечные механизмы, рабочими элементами которых являются шестерни (валы-шестерни), радиус которых есть постоянное плечо векторной силы, прилагаемой рейками, то максимальный крутящий момент возникает в начале рабочего цикла, при максимальном давлении газов, при этом дальнейшая величина крутящего момента зависит от изменения давления газов по мере их расширения в камере сгорания.
Поршни имеют отверстия, перекрываемые клапанами в виде кольцевых дисков, притертых к основанию со стороны камер сгорания, обеспечивающие равномерное вытеснение продуктов сгорания из камер. Диски клапанов имеют стойки с пружинами, обеспечивающими прилегание притертых поверхностей.
Цилиндры с одной стороны имеют жестко установленные перегородки с отверстиями, перекрываемые клапанами, обращенными в сторону компрессорных камер. Клапаны идентичны клапанам в поршнях.
С другой стороны цилиндров в камерах сгорания имеются клапаны для выпуска продуктов сгорания, выполненные по «классической» схеме, например, с электромагнитным приводом.
Шток, жестко соединенный с поршнями, несет по центру оси корзинку с зубчатыми рейками, которые расположены по бокам с внешней стороны.
Внутри корзинки находится втулка, закрепленная на цапфах в корпусе двигателя и скользящая по распорной втулке. Масло поступает через отверстие одной цапфы к поршням, а через отверстие другой сливается в корпус двигателя.
Рейки находятся в постоянном зацеплении с валами-шестернями, по краям которых находятся опоры качения. Опоры контактируют с дорожками, расположенными на рейках, сохраняя гарантированный зазор в зубчатом зацеплении, снимают боковое давление в узлах уплотнения штока и у поршней на цилиндры.
На концах валов-шестерен с одной стороны установлены датчики включения муфт, подачи топлива, искры зажигания, привода выпускных клапанов.
На противоположных концах валов-шестерен установлены контактные муфты, включаемые поочередно, с синхронизацией по оборотам ведущего и ведомого элементов муфт с торцевыми мелкими зубьями.
Средние части муфт установлены жестко на валах ведомых валов-шестерен и через внутреннее зацепление связаны с подвижными частями муфт, которые за счет пружин и электромагнитов отключают или подключают ведомые валы-шестерни.
Ведомые валы-шестерни находятся в постоянном зацеплении с шестерней на выходном валу, на котором установлен маховик.
На валах ведущих и ведомых валов-шестерен установлены датчики угловой скорости и включение муфт (подача напряжения на электромагнит) происходит только в том случае, если сигналы с датчиков по величине совпадают.
Зубчатый венец маховика периодически, во время пуска, входит в зацепление с шестерней стартера.
На фиг.1 представлена в разрезе общая компоновка двигателя;
на фиг.2 показана конструкция корзинки;
на фиг.3 показан вид сверху корзинки с валами-шестернями, контактирующими с рейками;
на фиг.4 показан разрез поршня;
на фиг.5 показано расположение основных элементов поршня;
на фиг.6 показаны основные потоки масла;
на фиг.7 показан разрез зубчатой магнитной муфты;
на фиг.8 показана диаграмма крутящих моментов, при этом одна кривая выведена по точкам этапного движения поршня при кривошипно-шатунном преобразовании возвратно-поступательного движения во вращательное, другая при реечном механизме по тем же точкам.
Двигатель содержит корпус 1 с установленными на нем оппозитно расположенными двумя одинаковыми цилиндрами 2 и 2' (количество пар цилиндров зависит от мощности двигателя), в которых находятся поршни 3 и 3';
разделяющие полости цилиндров на компрессорные камеры 4 и 4', и камеры сгорания 5 и 5'.
Поршни 3 и 3' соединены штоком 6, на котором в средней части установлена корзинка 7. Внутри корзинки имеется втулка 8, удерживаемая цапфами 9 в корпусе 1 и скользящая по распорной втулке 10. Корзинка 7 на боках несет зубчатые рейки 11, по краям которых имеются дорожки 12. Рейки находятся в постоянном зацеплении с валами-шестернями 13 и 14, несущими опоры качения 15, контактирующие с дорожками 12.
Цилиндры 2 и 2' имеют всасывающие патрубки 16 и 16' и жестко установленные перегородки 17 и 17' со сквозными отверстиями 18 и 18' и клапанами 19 и 19' со стороны компрессорных камер 4 и 4' в виде кольцевых дисков.
С противоположной стороны цилиндров имеются выпускные клапаны 20 и 20' с приводом и уплотнения 21 и 21' штока.
Шток 6, закрепленный в поршнях 3 и 3', состоит из двух полых стержней, которые соединены в целое распорной втулкой 10 корзинки 7.
Внутри штока установлены трубки 22 и 22', по которым через отверстия в цапфе 9, втулке 8 и втулке 10 поступает масло в поршни 3 и 3' и по полости штока 6 сливается в корпус 1.
На концах валов-шестерен 13 и 14 установлены одинаковые муфты 23, каждая из которых состоит из ведущего диска 24, несущего мелкие торцевые зубья, подвижной части 25, которая имеет свои торцевые зубья и, перемещаясь по зубьям внутреннего зацепления средней части муфты 26, жестко установленной на валу 27 ведомого вала-шестерни, входит в зацепление с зубьями ведущего диска 24 при включении муфты.
Пружины 28 при выключенном электромагните 29 выводят подвижную часть 25 из зацепления с торцевыми зубьями ведущего диска 24.
Ведомый и ведущий валы-шестерни снабжены датчиками 30 угловой скорости, обеспечивающими синхронное вращение валов-шестерен при включении муфт, а упоры 31 устанавливают минимально допустимые зазоры между стационарно установленным в корпусе 1 электромагнитом 29 и вращающейся подвижной частью муфты 25.
Шестерни ведомых валов-шестерен находятся в постоянном зацеплении с шестерней 32, закрепленной на выходном валу 33, на котором установлен маховик 34. Шестерня 35 стартера входит в зацепление с зубчатым венцом маховика 34 при пуске двигателя.
Поршни 3 и 3' состоят из двух частей, стянутых в одно целое резьбовой втулкой 36 и крышкой 37, имеют группы сквозных отверстий 38 и клапаны 39, 39' со стороны камер сгорания 5 и 5' в виде кольцевых дисков (клапаны 19 и 19' идентичны клапанам 39). Диск клапана 39 притерт к кольцу - основанию 40, при этом прилегание притертых поверхностей обеспечивается пружинами 41 через стойки 42, которые перемещаются во втулках 43.
Поршни имеют полости 44 с вставками 45, через которые подается масло к масляным кольцам 46, и полости 47 для сбора масла с маслосъемных колец 48. Поршень несет на себе компрессионные кольца 49. На противоположных от муфт 23 концах валов-шестерен 13 и 14 установлены датчики 50, которые обеспечивают включение и выключение электромагнита 29 муфты 23, выпускных клапанов 20 и 20', подачу топлива в камеры сгорания 5 и 5', подачу искры.
Двигатель действует следующим образом.
При включении зажигания датчики 50 дают сигнал электромагниту 29 той муфты 23, включение которой позволит завершить движение поршней 3 и 3' в направлении, в котором они двигались до остановки двигателя. При включении стартер вводит шестерню 35 в зацепление с зубьями венца маховика 34, вращает его по часовой стрелке, доводя поршни 3 и 3' до мертвых точек.
Такое рабочее положение двигателя представлено на фиг.1 (магниты муфт, форсунка и свеча зажигания не показаны).
Рассмотрим процесс, когда в камере 5' поршень 3' доведен до мертвой точки, воздух сжат и его достаточно для воспламенения топлива. Высокую температуру и максимальное давление в камере сгорания удерживают клапаны 20' и 39' и уплотнение 21' штока.
Датчик 50 дает сигнал на выключение электромагнита 29 муфты 23, установленной на ведущий вал-шестерню 13. Пружины 28 выводят из зацепления торцевые зубья, муфта отключена.
Поршень 3' начинает движение, осуществляя рабочий ход, при этом сжимает воздух в камере 4', раскручивая часть муфты 23, установленной на ведущий вал-шестерню 14.
Датчики 50 дают сигнал на включение электромагнита 29 этой муфты только в том случае, когда потенциалы датчиков 30 угловой скорости совпадают. Это обозначает, что ведущий и ведомый валы-шестерни данной муфты вращаются с одинаковой скоростью.
Рейка 11, перемещаясь со штоком 6, вращает против часовой стрелки вал-шестерню 14, который по кинематической связи раскручивает маховик 34 по часовой стрелке.
Клапан 19' перегородки 17' прижат притертыми поверхностями повышенным давлением в камере 4'. В конце рабочего цикла давление в камере 5' падает до уровня давления в компрессорной камере 4'. Клапан 39' в поршне 3' оказывается во взвешенном состоянии и открывается при открытии выпускного клапана 20' из-за превышающего давления в компрессорной камере 4' относительно камеры сгорания 5'.
Происходит сквозная продувка камеры сгорания 5' воздухом, сжатым в компрессорной камере 4'. Воздух, проходя через отверстия в поршне 3' и клапан 39', охлаждает их. Клапан 20' закрывается.
При рабочем ходе поршень 3' в цилиндре 2' двигает за собой через шток 6 поршень 3 в цилиндре 2.
Поршень 3 сжимает в камере 5 воздух, при этом в компрессорной камере 4 образуется разрежение, куда устремляется воздух под атмосферным давлением через фильтр, всасывающий патрубок (штуцер 16), отверстия 18. открывая клапан 19 перегородки 17.
Ввиду того, что давление при сжатии рабочей смеси выше, чем в конце рабочего хода поршня 3', то доведение до мертвой точки поршней 3 и 3' обеспечивает энергия инерции маховика 34.
При достижении мертвой точки поршнем 3 датчики 50 дают сигнал на отключение электромагнита 29 муфты 23, в результате чего за счет пружин 28 подвижная часть 25 отключается от ведущего диска 24 муфты 23, установленной на валу-шестерне 14. При воспламенении топлива в камере 5 происходит рабочий ход поршня 3, повторяя все фазы цикла в обратном порядке, при этом маховик 34 получает энергию для вращения при каждом рабочем ходе двигателя. Торможение маховика 34 возможно уменьшением подачи топлива, заставляя двигатель работать в режиме компрессора.
Повышение кпд двигателя достигается применением для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное реечным механизмом и муфтами.
На фиг.8 кривая I построена путем наложения индикаторной диаграммы работы бензинового двигателя на сетку периодов поворота коленчатого вала через 10°. Точки пересечения есть поэтапные изменения величины крутящего момента в зависимости от давления газов и расстояния от оси вращения до точки приложения силы, образованного при вращении коленчатого вала. При максимальном давлении газов на поршень крутящий момент мал в связи с противостоянием (поршень, шатун, кривошип, коренные подшипники). Давление на поршень воспринимается в итоге корпусом двигателя. Максимальный крутящий момент возникает при повороте коленчатого вала на 85°, но при этом давление газов в камере сгорания составляет около 35% от максимального.
Кривая II графика, изображенного на фиг.8, построена при исследовании реечного механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.
При реечном механизме расстояние от оси вращения шестерни до точки приложения силы постоянно, а с целью сравнимых результатов в данном случае приравнено к величине кривошипа.
Крутящие моменты определены с той же периодичностью, при которой построена кривая I.
В результате применения реечного механизма с муфтами мы имеем максимальный крутящий момент при максимальном давлении газа в начале рабочего цикла.
Снижение величины крутящего момента происходит только от потери давления газа в камере сгорания при его расширении.
Графики кривых показывают, что отдача энергии при реечном механизме с муфтами, служащими для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, значительно выше кривошипно-шатунного преобразователя при одинаковом расходе топлива.
В двигателе могут быть использованы механические приводы выпускных клапанов, но это снизит скорость срабатывания механизмов, что ограничит скорость вращения выходного вала.
Кроме того, можно установить несколько выпускных клапанов на каждый цилиндр для лучшей продувки камер сгорания.
1. Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус, оппозитно расположенные цилиндры с поршнями, которые полости цилиндров делят на компрессорную камеру и камеру сгорания, системы подачи воздуха и топлива, воспламенения топлива, системы смазки, охлаждения, запуска двигателя, и выходной вал с маховиком, кинематически связанный с поршнями, отличающийся тем, что двигатель снабжен зубчатыми рейками, расположенными по бокам корзинки, жестко соединенной с поршнями, валами-шестернями, одинаковыми муфтами, установленными на концах валов-шестерен, датчиками включения и выключения электромагнитов муфт, каждая из муфт состоит из ведущего диска, несущего торцевые зубья, подвижной части с торцевыми зубьями, имеющей возможность перемещаться по зубьям внутреннего зацепления средней части муфты, жестко установленной на вале-шестерне и имеющей возможность входить в зацепление с зубьями ведущего диска при включении муфты, электромагнита и пружины, имеющей возможность выводить подвижную часть из зацепления с торцевыми зубьями ведущего диска, причем зубчатые рейки выполнены с возможностью нахождения в постоянном зацеплении с валами-шестернями, а валы-шестерни находятся в постоянном зацеплении с шестерней выходного вала маховиком.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что компрессорная камера выполнена большей по объему, чем камера сгорания.
3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в камеру сгорания подается воздух повышенного давления, равного давлению газов в камере сгорания в конце рабочего хода.
4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что все клапаны, кроме выпускных, работают от перепада давления, а выпускные имеют привод.
5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что клапаны выполнены дисковыми и имеют стойки с пружинами, обеспечивающие прилегание притертых поверхностей.
6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что на валах-шестернях установлены датчики угловой скорости, обеспечивающие синхронные вращения валов-шестерен при включении муфт.
www.findpatent.ru
Бесшатунный поршневой двигатель внутреннего сгорания предназначен для использования в качестве силового агрегата в транспортных машинах, а также в других передвижных и стационарных устройствах. В цилиндре 2 картера 1 расположен поршень 3, соединенный со штоком 4, на котором расположены две зубчатые рейки 5, входящие в зацепления с зубчатыми секторами 6, закрепленными на валах 7, кинематически связанных между собой установленными на их торцах на выходе из двигателя кривошипами 8, соединенных при помощи шарнирных рычагов 9 с зубчатыми шестернями 10, входящими в зацепления с центральной шестерней 11, установленной на выходном валу двигателя 12 совместно с маховиком 13. Снижаются внутренние механические потери в цилиндро-поршневой группе двигателя, повышается долговечность его работы и создаются предпосылки для форсирования путем повышения скоростей перемещения поршней внутри цилиндров и увеличения частоты вращения выходного вала. 2 ил.
Изобретение относится к двигателестроению, а именно к бесшатунным поршневым двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в качестве силового агрегата в транспортных машинах, а также в других передвижных и стационарных устройствах.
Известен классический поршневой двигатель внутреннего сгорания, состоящий из картера с расположенными в нем цилиндрами, поршней и кривошипно-шатунного механизма. Одним из недостатков такого двигателя является наличие кривошипно-шатунного механизма, в котором шатуны, соединенные с поршнями, совершают при работе двигателя возвратно-поступательные и колебательные движения, что влечет за собой возникновение сил, перпендикулярных осям цилиндров и прижимающих поршни к стенкам цилиндров (Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 2. Динамика и конструирование: Учебник для ВУЗов/ В.Н. Луканин, А.В. Алексеев, М.Г. Шатров и др.; Под ред. В.Н. Луканина и М.Г. Шатрова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2005. - 400 с.). Вследствие действия таких сил возникают значительные потери на трение между поршнем и стенкой цилиндра, что ведет к увеличению тепловыделения, снижению КПД и износу поверхностей поршня и стенок цилиндра. Данное обстоятельство ограничивает максимальную скорость движения поршней величиной 15 м/с, что сдерживает возможность форсирования двигателей внутреннего сгорания путем увеличения числа оборотов коленчатого вала.
Известен двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала со звездообразно расположенными цилиндрами. Поршни такого двигателя попарно жестко соединены штоками, сочлененными через подшипники со средними шейками коленчатого вала, имеющего вращение крайних шеек, с перемещением поршневых систем и связывающих их штоков по оси противолежащих цилиндров. Рабочий вал двигателя выполнен из двух частей с кривошипами, несущими подшипники для закрепления в них на радиусе одной четверти хода поршней, крайних шеек коленчатого вала, и снабжен соединительным валом, фиксирующим с помощью шестерен положение кривошипов обеих частей рабочего вала относительно друг друга (авторское свидетельство 118471, F01B 9/02 от 10.12.1973).
В таком двигателе штоки перемещаются по отношению к поршням, совершая возвратно-поступательные и колебательные движения, что ведет к возникновению сил, перпендикулярных осям цилиндров и прижимающих поршни к стенкам цилиндров, что влечет механические потери и снижение КПД двигателя. Также недостатками данного двигателя являются звездообразная компоновка и наличие сложного по конструкции, крупногабаритного коленчатого вала, что не соответствует компоновке двигателей, применяемых на транспортных машинах.
Из известных технических решений наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому объекту является двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала со звездообразно расположенными цилиндрами, поршни которого с помощью штоков связаны роликовыми опорами на их концах с внутренними рабочими кромками беговой дорожки вращающегося диска, жестко закрепленного на валу. Беговая дорожка выполнена профильной с идентичными выступами и впадинами, расположенными в плоскости диска. Пары оппозитно расположенных цилиндров равномерно размещены по окружности диска, при этом цилиндры каждой пары смещены относительно их общей продольной геометрической оси в сторону, противоположную рабочему вращению диска, а штоки поршней связаны с направляющими пазами, жестко соединенными с блоком цилиндров. Смещение цилиндров относительно их общей продольной геометрической оси выполнено на расстояние, равное радиусу кривизны выступа беговой дорожки (патент на изобретение RU №2141046, прототип). Действие сил, перпендикулярных осям цилиндров и прижимающих поршни к стенкам цилиндров, исключается наличием дополнительных роликовых опор на концах штоков, передающих боковое давление стенкам направляющих пазов, вдоль которых перемещаются роликовые опоры.
Недостатком данной конструкции является то, что нагруженной боковой силой является кинематическая пара ролик-стенка направляющего паза, что в итоге ведет к механическим потерям и снижению КПД двигателя.
Для снижения внутренних механических потерь, повышения долговечности работы и возможности форсирования двигателя увеличением частоты вращения выходного вала путем исключения сил, перпендикулярных осям цилиндров и прижимающих к их стенкам поршни, предлагается бесшатунный поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндро-поршневую группу с штоками поршней, на которых расположены зубчатые рейки, входящие в зацепления с зубчатыми секторами, закрепленными на валах, передающих вращательно-колебательные движения установленным на их торцах на выходе из двигателя кривошипам, соединенным при помощи шарнирных рычагов с зубчатыми шестернями, входящими в зацепления с центральной шестерней, установленной на выходном валу двигателя совместно с маховиком.
Общие признаки с прототипом: цилиндро-поршневая группа, штоки поршней.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема одной цилиндро-поршневой группы со штоком поршня и зубчатыми секторами, закрепленными на валах бесшатунного поршневого двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 2 - общий вид со стороны выходного вала с зубчатыми и шарнирно-рычажным механизмами, поясняющие устройство и принцип работы бесшатунного поршневого двигателя внутреннего сгорания.
Бесшатунный поршневой двигатель внутреннего сгорания состоит из картера 1 с расположенными в нем цилиндром 2, внутри которого расположен поршень 3, соединенный со штоком 4, на котором расположены по две зубчатые рейки 5, входящие в зацепления с зубчатыми секторами 6, закрепленными на валах 7, кинематически связанных между собой установленными на их торцах на выходе из двигателя кривошипами 8, соединенными при помощи шарнирных рычагов 9 с зубчатыми шестернями 10, входящими в зацепления с центральной шестерней 11, установленной на выходном валу двигателя 12 совместно с маховиком 13.
Бесшатунный поршневой двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. Внутри цилиндра 2, находящегося в картере 1, расположен поршень 3, совершающий возвратно-поступательные движения от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ). Соединенные с поршнем 3 шток 4 и расположенные на них зубчатые рейки 5 также совершают возвратно-поступательные движения, приводя во вращательно-колебательные движения зубчатые секторы 6 и соединенные с ними валы 7, которые передают вращательно-колебательные движения установленным на их торцах на выходе из двигателя кривошипам 8. Соединенные с кривошипами 8 шарнирные рычаги 9 совершают возвратно-поступательные и колебательные движения и приводят во вращательное движение зубчатые шестерни 10, передающие вращательное движение центральной шестерне 11, вместе с ней выходному валу двигателя 12 и маховику 13. При возвратно-поступательных перемещениях поршня 3 в процессе работы двигателя внутреннего сгорания в полюсах зацеплений зубьев зубчатых реек 5 и зубьев зубчатых секторов 6 возникают тангенциальные силы, направленные вдоль оси штока 4, и радиальные силы (направленные перпендикулярно оси штока 4). Наличие на штоке 4 двух зубчатых реек 5 ведет к взаимному уравновешиванию радиальных сил и исключает возникновение сил, перпендикулярных осям цилиндров, прижимающих поршни к стенкам цилиндров. В предлагаемой конструкции бесшатунного поршневого двигателя внутреннего сгорания поршни расположены по рядной схеме, возможно V-образное или оппозитное расположение поршней. Количество поршней может быть, как и у любого двигателя внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом, применяемом в транспортных машинах, а также в других передвижных и стационарных устройствах.
Применение предлагаемой конструкции позволяет снизить внутренние механические потери в цилиндро-поршневой группе двигателя, тем самым повысить долговечность его работы и создает предпосылки для форсирования путем повышения скорости перемещения поршней внутри цилиндров и увеличения частоты вращения выходного вала.
Бесшатунный поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндро-поршневую группу со штоками поршней, отличающийся тем, что на штоках поршней расположены зубчатые рейки, входящие в зацепления с зубчатыми секторами, закрепленными на валах, передающих вращательно-колебательные движения установленным на их торцах на выходе из двигателя кривошипам, соединенным при помощи шарнирных рычагов с зубчатыми шестернями, входящими в зацепления с центральной шестерней, установленной на выходном валу двигателя совместно с маховиком.
www.findpatent.ru
