Восьмицилиндровый оппозитный бесшатунный поршневой двигатель внутреннего сгорания

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к оппозитным бесшатунным поршневым двигателям внутреннего сгорания, и может использоваться для двигателей внутреннего сгорания с использованием обычных систем газораспределения, зажигания, питания, впрыска и т.д.
Известны бесшатунные поршневые двигатели, предложенные С. Баландиным в тридцатых-сороковых годах прошлого века, когда в конструкторском бюро, где работал автор, были построены несколько типов авиационных двигателей с необычным, отличным от кривошипно-шатунного, силовым механизмом. Все построенные образцы основывались на схеме с одной избыточной кинематической связью. Однако предложенная схема не получила практической реализации, в основном из-за своей сложности.
Наиболее близким к заявляемому является оппозитный бесшатунный поршневой двигатель, содержащий по два цилиндра на каждой из параллельных осей, в каждой паре цилиндров по два поршня, жестко соединенных пластиной, снабженной поперечным окном (прорезью) с двумя направляющими, по которым свободно скользит крейцкопф с подшипниками для шейки коленчатого вала перпендикулярно движению поршней, и коленчатый вал с жестким креплением в подшипниковых опорах, стоящих по обе стороны от пластин, и с взаимно перпендикулярными шейками, вращающимися во внутренних подшипниках крейцкопфа, обеспечивающий чередование между рабочими тактами через 90° (п. РФ №2568350 С1).
Такая конструкция позволяет избегать эффекта верхней мертвой точки (ВМТ): когда при начале рабочего хода в верхней мертвой точке находится один из поршней, у второго поршня, на перпендикулярной шейке, крутящий момент на коленчатом валу максимален, в результате крутящий момент бесшатунного двигателя - величина постоянная, без провалов в ВМТ, равная произведению силы давления на поршень на половину хода поршня. Математически это выглядит так: если момент по одной оси X, а по перпендикулярной Y, то суммарный момент (формула окружности):
При рассмотрении рабочих циклов через 90° в четырехцилиндровых оппозитных ДВС обнаруживаем, что при повороте коленвала от 540° до 630° в одном цилиндре заканчивается рабочий ход сокращая крутящий момент и в следующей четверти оборота в цилиндрах будут только выхлоп и всасывание, а также в первом цилиндре в продолжении вращения от 0° до 90° крутящий момент возрастает от нуля до максимального. В это время формула (1) не выполняется, это небольшой, но все же недостаток конструкции, провал в крутящем моменте.
Шатунные (крейцкопфные) шейки коленвала вращаются во внутренних подшипниках свободно скользящих крейцкопф. Крейцкопфы имеют одну степень свободы и не оказывают давления на боковые стенки цилиндров, что повышает механический КПД, поперечное перемещение крейцкопфа осуществляется давлением газов смеси цилиндра с перпендикулярной шейки коленвала и, соответственно, уменьшается износ цилиндров и поршней, что делает механизм высоконадежным с длительной работоспособностью.
Однако отметим существенный недостаток известного решения, связанный с тем, что при движении крейцкопфа при плоских скользящих поверхностях возможно свободное проворачивание поршней на своей оси, что приведет к поломке двигателя.
Таким образом, существует проблема повышения надежности работы двигателя.
Проблема решается восьмицилиндровым оппозитным бесшатунным двигателем внутреннего сгорания, содержащим по два цилиндра на каждой из параллельных осей, в каждой паре цилиндров по два поршня, жестко соединенных пластиной, снабженной поперечным окном с двумя направляющими, по которым свободно скользит крейцкопф с подшипниками для шейки коленчатого вала перпендикулярно движению поршней, и коленчатый вал с жестким креплением в подшипниковых опорах, стоящих по обе стороны от пластины, и с взаимно перпендикулярными шейками, вращающимися во внутренних подшипниках крейцкопфа, обеспечивающий чередование между рабочими тактами, при этом направляющие окна и соответствующие им полированные поверхности крейцкопфа выполнены в виде соосных V-образных поверхностей, а сторона окна, перпендикулярная направляющим, выполнена съемной.
Технический результат - предотвращение самопроизвольного вращения поршней вокруг продольной оси.
Заявляемое решение поясняется структурными схемами (Фиг. 1-3) одного из возможных вариантов заявляемого бесшатунного поршневого двигателя внутреннего сгорания - восьмицилиндрового.
На Фиг. 1 изображена кинематическая схема восьмицилиндрового оппозитного бесшатунного поршневого двигателя внутреннего сгорания вид снизу: (1, 2; 3, 4; 5, 6; 7, 8) - четыре пары оппозитных цилиндров; (9, 10; 11, 12; 13, 14; 15, 16) - четыре пары поршней с поршневыми кольцами (18); (17) - четыре поперечных окна с двумя направляющими (20) и V-образными поверхностями (19); (24) - крейцкопф; (27) - коленчатый вал; (28) - коренные подшипники коленвала; (29) - подшипники распределительных валов; (30) -распределительные валы; (31) - всасывающие клапаны; (32) - выхлопные клапаны; (33) - косозубая шестерня коленчатого вала; (34) -косозубые шестерни распредвалов;
На Фиг. 2 изображены два поршня (9-16), П-образное окно (17) со съемной перекладиной (23), соединяющее два поршня; (25) - подшипники шейки коленвала; (24) - крейцкопф; (18) - поршневые кольца.
На Фиг. 3 - крейцкопф (24), вкладыши шейки коленвала (25), скользящие V-образные поверхности крейцкопфа (26), болты крепления (35), коксы (36).
Двусторонний рабочий процесс в цилиндрах разгружает коленчатый вал: если в первом цилиндре рабочий ход - в противоположном - сжатие, в результате на крейцкопфную шейку коленвала действует только разность этих сил, и также свободно скользящий крейцкопф устраняет боковое давление на стенки цилиндров, уменьшая износ цилиндров и поршней и повышая КПД.
Коленчатый вал жестко закреплен в пяти коренных подшипниках, стоящих по обе стороны от окна, как и в традиционном (тронковом) ДВС, так и с 4-8 шатунными (крейцкопфными) шейками, расположенными симметрично относительно коренных шеек, попарно в двух взаимно перпендикулярных плоскостях лишено провалов в крутящем моменте.
Восемь оппозитных цилиндров (1, 2; 3, 4; 5, 6; 7, 8) (Фиг. 1) изготавливаются попарно с одной установки на одной оси, что позволяет каждые два оппозитных поршня (9, 10; 11, 12; 13, 14; 15, 16) жестко соединить посредством окна (17), с необходимыми размерами для шейки коленвала и крейцкопфа (24). Суммарная длина двух соединенных окном поршней и отсутствие бокового давления позволяет сократить длину самих поршней за счет отсутствия юбки поршня и места для поршневого пальца, остается только место для установки поршневых колец (18), что сокращает длину цилиндров и, соответственно, габариты, вес конструкции. Кроме того, отсутствие бокового давления позволяет увеличить диаметр поршней и цилиндров и соответственно сократить величину хода поршня без сокращения крутящего момента, так как сокращение длины хода компенсируется увеличением давления на поршень. Все это позволит сократить вес двигателя до 40%. А также становится возможным отказаться от мало надежных цепи или ремня газораспределительного механизма (ГРМ) и установить нижнее расположение распределительного вала привода клапанов с шестеренчатым приводом, хотя можно использовать и верхнее расположение.
Для предотвращения произвольного вращения поршней вокруг продольной оси, что возможно при плоских поверхностях подшипников скольжения крейцкопфа в окно (17) по направляющим (20) вдвигаются двухполосные V-образные поверхности скольжения (19) с пластинами (20), регулирующими их прижатие. В боковые выступы окна (17) с обеих сторон вставляются плоские пластины поршней (9-16), с закреплением их 8 прецизионными болтами (21) в точно сопряженных отверстиях (22). В сборке, детали устройства маркируем и, для соосности поршней, обрабатываем поршни на центрах. Затем устройство разбирается, поршни вставляются в цилиндры и соединяются с окном, согласно маркировке. Прецизионные болты (21) и точно сопряженные отверстия (22) используются для того, чтобы при разборке и сборке геометрия устройства сохранялась максимально. Затем окно (17) закрывается съемной перекладиной (23) такими же болтами (21).
Крейцкопфы (24) имеют скользящие внутренние подшипники для шейки коленвала (25) (вкладыши) и две V-образные плоские наружные полированные поверхности с каждой стороны крейцкопфа (26) для поверхностей скольжения (19), вставленных в направляющие в окне, с возможностью их регулировки пластинами (20). Шатунные (крейцкопфные) шейки коленчатого вала (27) вращаются во внутренних подшипниках свободно скользящих крейцкопф. Крейцкопф (24) изготавливают из двух симметричных половин, скрепленных болтами, зафиксированных штырями (коксами). Для балансировки нужно согласовать вес четырех крейцкопфов, затем установить их на коленчатый вал, сбалансировать, затем установить коленвал, в пять коренных подшипников (28) и в четыре окна вставить четыре крейцкопфа. Затем окно 17 закрывается пластиной (23) прецизионными болтами (21).
Система смазки производится через каналы в коленчатом валу, выходящие на наружную поверхность крейцкопфа, аналогичную, как при кривошипно-шатунном механизме, кроме того, смазка производится масляным туманом, порождаемым вращением коленчатого вала.
Система газораспределения, в связи с сокращением длины цилиндров, предпочтительна с нижним расположением клапанов в масляной ванне поддона, уменьшая трение и износ и продлевая исправность устройства. Возможна установка как двух, так и одного распределительных валов, используя традиционные устройства ГРМ.
Сборка двигателя происходит следующим образом: в цилиндры (1-8) со снятыми двумя крышками блока цилиндров вставляются поршни (9-16) в разобранном состоянии, и затем соединяются с П-образным окном (17), согласно маркировки, прорезью вверх, в прорези окна вставляется сбалансированный коленвал (27) с установленными на него крейцкопфами (24) и закрепляется пластинами (23). Затем коленчатый вал жестко закрепляется вторыми половинами коренных подшипников (28).
В таблице приведены рабочие циклы в восьмицилиндровом оппозитном бесшатунном поршневом двигателе внутреннего сгорания, которая показывает отсутствие провала в крутящем моменте, поскольку рабочий ход присутствует всегда.