Аксиальный поршневой двигатель внутреннего сгорания
AXIAL PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Заявляемое изобретение относится к области машиностроения, а более конкретно к двигателям внутреннего сгорания и может быть использовано, например, в средствах малой механизации, в передвижных электрогенераторах, в мототехнике и в др. машинах и механизмах.
Известны двигатель внутреннего сгорания (патент США №4834033, F02B 75/26) и двигатель внутреннего сгорания (патент ФРГ №3408447, F02B 75/26), в которых преобразование возвратно-поступательного движения поршней преобразуется во вращательное движение маховика за счет замкнутой винтовой канавки, выполненной на наружной боковой поверхности маховика. Недостатками аналогов являются большие габаритные размеры и сложность конструкции.
Известен двигатель внутреннего сгорания, патент RU №2069273 С1, содержащий корпус, в котором выполнены цилиндрические рабочие камеры. В корпусе установлен с возможностью осевого перемещения поршень. Поршень через ползуна, поводок, замкнутую винтовую канавку связан с маховиком, который, в свою очередь, кинематически связанс выходным валом. В стенках рабочих камер имеются всасывающие и выхлопные каналы.
Недостатком прототипа является то, что при такой компоновке двигателя не реализуется возможность организации наддува воздуха или топливно-воздушной смеси в рабочий цилиндр, что снижает топливную экономичность и КПД этого двигателя. Съем крутящего момента непосредственно с маховика затрудняет совмещение двигателя с навесными агрегатами и исполнительными механизмами и увеличивает габариты привода.
Наиболее близкой по конструктивным признакам к заявляемому аксиальному двигателю внутреннего сгорания является поршневая машина, патент RU №2698867 С1, содержащая корпус, в котором размещены приводной вал, цилиндры и поршни с центральными отверстиями, через которые проходят оси с каналами, заполненными рабочим телом. Поршни имеют возможность совершать относительно цилиндров вращательное и возвратно-поступательное движения. На наружной поверхности поршней выполнены замкнутые продольные винтовые канавки, в которых размещены поводки, выступающие за пределы винтовых канавок. Части поводков зафиксированы. Передача крутящего момента на поршни и от них осуществляется через шлицевые соединения, обеспечивающие свободное перемещение поршней вдоль осей цилиндров. На внутренней поверхности осевого отверстия поршней выполнены продольные каналы, обеспечивающие при провороте поршней до их совмещения с соответствующими каналами, выполненными в оси поршня, подачу рабочего тела в цилиндры и вытеснение его из них по заданному циклу. Расположение продольных каналов, их длина, ширина и глубина увязаны с формой, положением, количеством винтовых канавок, изготовленных на цилиндрической поверхности поршня, и объемными характеристиками поршневой машины. В корпусе выполнены каналы, заполненные рабочим телом для нагнетания и вытеснения рабочего тела из машины. Каждый из поршней одет на свою ось, цилиндры, поршни и оси поршней размещены в корпусе аксиально относительно оси приводного вала. Приводной вал зафиксирован в корпусе с возможностью вращения вокруг своей оси. На приводном валу зафиксировано зубчатое колесо, кинематически связанное с шестернями, надетыми на поршни. Эти шестерни кинематически связаны с поршнями через шлицевые соединения, обеспечивающие передачу на поршни или снятие с них крутящего момента. Достоинством данной поршневой машины является возможность ее использования в качестве пневмо- и (или) гидромотора, обладающего высоким крутящим моментом, КПД, а также производительностью при ее работе в режиме насоса-компрессора. Недостатком данного прототипа является отсутствие возможности его использования в качестве двигателя внутреннего сгорания.
Задачей заявляемого изобретения является создание компактного поршневого двигателя внутреннего сгорания, обладающего высокими мощностными характеристиками, крутящим моментом, КПД, конструктивной и технологической простотой.
Технический результат - повышение КПД, мощности, крутящего момента, а также обеспечение возможности получения компактного не материалоемкого ДВС с необходимым количеством цилиндров, обеспечивающим требуемые от него технические характеристики.
Технический результат достигается тем, что заявляемый аксиальный поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, в котором по центру размещен приводной вал, на котором зафиксировано зубчатое колесо, аксиально относительно оси приводного вала расположены цилиндры и поршни, на наружной цилиндрической поверхности поршней выполнены замкнутые продольно-винтовые канавки и продольные пазы, в которых размещены поводки, на поршнях размешены шестерни, которые для исключения перемещения их вдоль оси поршня зафиксированы и кинематически связаны с зубчатым колесом приводного вала, количество цилиндров определяется требуемыми эксплуатационными характеристиками и может изменяться от одного до двенадцати. Кроме этого, корпус имеет кольцеобразную форму, на внутренней поверхности которого выполнены базирующие поверхности для фиксации в нем цилиндров, с торцов корпус закрыт крышками, на которых выполнены выступы, обеспечивающие полную фиксацию цилиндров в корпусе, по центру корпуса в крышках выполнены отверстия, в которых расположен с возможностью вращения приводной вал с зафиксированным на нем зубчатым колесом, в цилиндрах размещены поршни, делящие полости цилиндров на камеры сгорания и нагнетательные камеры, цилиндры имеют форму стаканов с плоским дном со стороны камер сгорания, в дне выполнены резьбовые отверстия, в которые ввернуты топливные форсунки и свечи зажигания, в цилиндрах и в корпусе на уровне нижних мертвых точек поршней выполнены выхлопные окна, внутренние поверхности цилиндров выполнены ступенчатыми, диаметры нагнетательных камер для увеличения объема нагнетаемого воздуха имеют диаметры больше камер сгорания, со стороны камер сгорания в днищах поршней установлены впускные клапаны, связывающие через каналы подачи воздуха, выполненные в поршнях, камеры сгорания с нагнетательными камерами цилиндров, поршни выполнены ступенчатыми и диаметры их ступеней соответствуют диаметрам ступеней цилиндров, со стороны нагнетательных камер цилиндры герметизируются заглушками, разделяющими нагнетательные камеры и воздухоподающие каналы, выполненные в крышке корпуса, в заглушках цилиндров установлены впускные клапаны, обеспечивающие подачу воздуха в нагнетательные камеры, на наружных цилиндрических поверхностях поршней выполнены кольцевые канавки, в которых установлены компрессионные и маслосъемные кольца, части поводков, выступающие за пределы винтовых канавок, зафиксированы в ступицах шестерен, надетых на наружные цилиндрические поверхности поршней, части поводков, выступающие за пределы поршней, входят в продольные пазы, выполненные на внутренних поверхностях цилиндров, образуя шлицевые соединения, исключающие вращение поршней относительно осей цилиндров и обеспечивающие поршням только возвратно-поступательное движение, шестерни зафиксированы цилиндрами от перемещения в осевом направлении и могут совершать только вращательные движения вокруг осей поршней, причем зубья шестерен входят в зацепление с зубьями зубчатого колеса, зафиксированного на приводном валу, передавая вращательное движение зубчатому колесу и, соответственно, приводному валу, а вне корпуса на приводном валу размещен маховик.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявляемом аксиальном поршневом двигателе внутреннего сгорания (ДВС) аксиальное расположение цилиндров с поршнями позволяет при сохранении компактности поршневого ДВС увеличивать количество одновременно работающих цилиндров от одного до двенадцати (и более), что обеспечит значительное повышение мощности, крутящего момента при минимальной их пульсации и росте его габаритов, а при необходимости минимизации габаритов и массы поршневой машины -сокращение количества цилиндров до одного. Кроме этого, за счет изменения передаточного числа между шестернями поршней и зубчатым колесом приводного вала, а также за счет сдвига рабочих фаз в цилиндрах можно повышать величину крутящего момента на приводном валу, либо изменять частоту его вращения. Кроме этого, за счет наличия в цилиндрах нагнетательных камер большого объема происходит более эффективная продувка камер сгорания и нагнетание в них большего количества воздуха (наддув), что дополнительно обеспечивает повышение мощности, крутящего момента и снижение расхода топлива. Повышению эксплуатационных характеристик двигателя также способствует увеличение числа рабочих циклов за один оборот шестерни цилиндра, так, при двухвитковой замкнутой продольно-винтовой канавке поршень совершает два возвратно-поступательных хода. Вследствие того, что в ДВС поршень является поршнем двухстороннего действия и в нем имеется нагнетательная камера, двигатель является двухтактным, в результате чего за один проворот шестерни цилиндра происходит 2 рабочих хода.
На фиг. 1 схематично представлен дизельный вариант выполнения заявляемого двигателя внутреннего сгорания.
Заявляемый аксиальный двигатель внутреннего сгорания состоит из корпуса 1, передней 2 и задней 3 крышек, закрепленных на торцах корпуса1. В корпусе 1 с помощью выступов 4 и 5, выполненных на крышках 2 и 3, соответственно, закреплены цилиндры 6 и 7. По центру корпуса 1 во внутренних цилиндрических отверстиях, выполненных в выступах 4 и 5, крышек 2 и 3 расположен с возможностью вращения приводной вал 8. В цилиндрах 6 и 7 размещены поршни 9, 10, делящие полости цилиндров 6 и 7 на камеры сгорания I, II и нагнетательные камеры III, IV, соответственно. Цилиндры 6 и 7 имеют форму стаканов с плоским дном со стороны камер сгорания I, II, в каждом дне выполнены резьбовые отверстия, в которые ввернуты топливные форсунки 11, 12 в цилиндрах 6, 7, соответственно. Кроме этого, на цилиндрических поверхностях цилиндров 6, 7 и в корпусе 1 на уровне нижних мертвых точек поршней 9, 10 выполнены выхлопные окна 13 и 14. Внутренние поверхности цилиндров 6 и 7 выполнены ступенчатыми, при этом диаметры нагнетательных камер III, IV больше диаметров камер сгорания I, П. Со стороны камер сгорания I, II в днищах поршней 9, 10 установлены впускные клапаны 15, 16, связывающие через каналы подачи воздуха 17, 18, выполненные в поршнях 9,10, камеры сгорания I, II с нагнетательными камерами III, IV цилиндров 6 и 7, соответственно. При этом поршни 9, 10 также выполнены ступенчатыми и диаметры их ступеней соответствуют диаметрам ступеней цилиндров 6, 7. Со стороны нагнетательных камер III, IV цилиндры 6,7 герметизируются заглушками 19, 20, разделяющими нагнетательные камеры III, IV и воздухоподающие каналы 21, 22. В свою очередь, в заглушках 19, 20 цилиндров 6, 7 установлены впускные клапаны 23, 24, соответственно. На наружных цилиндрических поверхностях поршней 9 и 10 выполнены кольцевые канавки, в которые установлены компрессионные 25, 26 и маслосъемные кольца 27, 28, соответственно. Кроме этого, на этих поверхностях поршней 9, 10, в данном варианте ДВС, выполнены по три замкнутых продольно-винтовых канавки 29, 30, в которых размещены поводки 31, 32. Выступающие за пределы замкнутых продольно-винтовых канавок 29, 30 части поводков 31 и 32 зафиксированы в ступицах шестерен 33 и 34, надетых на наружные цилиндрические поверхности поршней 9, 10, соответственно. Кроме этого, на поршнях 9 и 10 выполнены продольные пазы 35, 36, в которых размещены поводки 37, 38, соответственно. Части поводков 37, 38, выступающие за пределы поршней 9, 10, входят в продольные пазы 39, 40, выполненные на внутренних поверхностях цилиндров 6, 7, соответственно, образуя шлицевые соединения 41 и 42, исключающие вращение поршней 9, 10 относительно цилиндров 6, 7 и обеспечивающие поршням 9, 10 только возвратно-поступательное движение. При этом шестерни 33 и 34 имеют возможность вращения только вокруг осей поршней 9, 10, так как их продольное перемещение вдоль осей ограничено их фиксацией в цилиндрах 6, 7, соответственно. Зубья шестерен 33, 34 входят в зацепление с зубьями зубчатого колеса 43, зафиксированного на приводном валу 8. Во внутренней полости корпуса 1, в которой размещен приводной вал 8, изготовлен масляный картер 44. Вне корпуса на приводном валу 8 закреплен маховик 45.
В режиме дизельного двигателя внутреннего сгорания двигатель работает следующим образом. Допустим исходно, что в цилиндре 6 поршень 9 находится в верхней мертвой точке (ВМТ), а в цилиндре 7 поршень 10 находится в среднем положении между нижней мертвой точкой (НМТ) и ВМТ. Приводному валу 8 придается пусковое вращательное движение, вызывающее вращение зубчатого колеса 43, которое через зубчатое зацепление передается приводным шестерням 33, 34 поршней 9 и 10 цилиндров 6,7. Вращательное движение шестерен 33 и 34 вызывает набегание зафиксированных в них поводков 31, 32 на боковые поверхности замкнутых продольно-винтовых канавок 29, 30, вызывая вследствие наличия блокирования вращения поршней 9, 10 относительно цилиндров 6, 7 шлицевыми соединениями 41 и 42, преобразование вращательного движения шестерен 33, 34 в поступательное движение поршней 9, 10. При этом поршень 9 начинает перемещение в цилиндре 6 из ВМТ к НМТ, а поршень 10 в цилиндре 7 перемещается от своего промежуточного положения к ВМТ. В результате перемещения поршня 9, вследствие того, что впускной клапан 23 закрыт, в нагнетательной камере III цилиндра 6 создается избыточное давление воздуха, находящегося в ней, и воздух по каналу 17 через впускной клапан 15 вытесняется из нагнетательной камеры III в камеру сгорания I цилиндра 6. При приближении поршня 9 к НМТ, в пределах прохождения днищем поршня 9 выхлопного окна 13, происходит продувка воздухом камеры сгорания I. Одновременно с описанными процессами, происходящими в цилиндре 6, в цилиндре 7 происходит движение поршня 10 из среднего положения между НМТ и ВМТ в направлении ВМТ, в результате которого при дальнейшем перемещении поршня 10 к ВМТ происходит сжатие воздуха в камере сгорания II цилиндра 7 и наполнение воздухом через клапан 24 нагнетательной камеры IV. При приближении поршня 10 к ВМТ с помощью форсунки 12 происходит впрыск заданной порции топлива в камеру сгорания II цилиндра 7, после чего от сжатого разогретого воздуха в камере сгорания II начинается воспламенение топлива и дальнейшее сжатие топливно-воздушной смеси. После достижения поршнем 10 ВМТ поводки 32 переходят на реверсивный участок замкнутых продольно-винтовых канавок 30, и поршень 10 начинает обратное движение от ВМТ к НМТ, вызванное резким ростом в камере сгорания II давления газов, возникающего при сгорании топлива, что вызывает поступательное перемещение поршня 10, т.е. происходит рабочий ход. При поступательном перемещении поршня 10 возникает давление боковой поверхности замкнутых продольно-винтовых канавок 30 на поводки 32, зафиксированные в ступице шестерни 34, что вызывает ее вращение, которое передается на зубчатое колесо 43 и от него на приводной вал 8, т.е. совершается полезная работа, на начальном этапе она вызывает раскручивание маховика 45. Одновременно с рабочим ходом в камере сгорания II происходит сжатие воздуха в нагнетательной камере IV.
При рабочем ходе поршня 10, когда он находится на середине рабочего хода между ВМТ и НМТ, поршень 9 цилиндра 6 находится в НМТ, и поводки 31 переходят на реверсивный участок замкнутых продольно-винтовых канавок 29, такой переход и дальнейшее движение поршня 9 от НМТ к ВМТ осуществляются в основном за счет усилий рабочего хода поршня 10 в цилиндре 7, передаваемых от шестерни 34 через колесо 43 на шестерню 33. Вращательное движение шестерни 33 вызывает перемещение поршня 9 в цилиндре 6 к ВМТ, при этом движении поршня 9 в начальный период, при прохождении днищем поршня 9 выхлопного окна 13, происходит продувка камеры сгорания I цилиндра 6, а затем заполнение ее воздухом из нагнетательной камеры III через канал 17 и впускной клапан 15. Далее начинается процесс сжатия воздуха в камере сгорания I цилиндра 6 и заполнение нагнетательной камеры III новой порцией воздуха из воздухоподающего канала 21 через впускной клапан 23. Данные процессы от среднего положения поршня 9 до ВМТ в основном происходят за счет силы инерции маховика. При приближении поршня 10 к ВМТ, с помощью форсунки 11, происходит впрыск заданной порции топлива в камеру сгорания I цилиндра 6, после чего от сжатого разогретого воздуха в камере сгорания I начинается воспламенение топлива и дальнейшее сжатие топливно-воздушной смеси. После достижения поршнем 9 ВМТ поводки 31 переходят на реверсивный участок замкнутых продольно-винтовых канавок 29, и поршень 9 начинает обратное движение от ВМТ к НМТ, вызванное резким ростом в камере сгорания I давления газов, возникающего при сгорании топлива, что вызывает поступательное перемещение поршня 9, т.е. происходит рабочий ход. При поступательном перемещении поршня 9 возникает давление боковой поверхности замкнутых продольно-винтовых канавок 29 на поводки 31, зафиксированные в ступице шестерни 33, что вызывает ее вращение, которое передается на зубчатое колесо 43 и от него на приводной вал 8, вызывая дальнейшее раскручивание его и маховика 45, закрепленного на нем. Одновременно с рабочим ходом в камере сгорания I происходит сжатие воздуха в нагнетательной камере III.
При рабочем ходе поршня 9, когда он находится на середине рабочего хода между ВМТ и НМТ, поршень 10 цилиндра 7 находится в НМТ, и поводки 32 переходят на реверсивный участок замкнутых продольно-винтовых канавок 30, такой переход и дальнейшее движение поршня 10 от НМТ к ВМТ осуществляется в основном за счет усилий рабочего хода поршня 9 в цилиндре 6, передаваемых от шестерни 33 через колесо 43 на шестерню 34. Вращательное движение шестерни 34 вызывает перемещение поршня 10 в цилиндре 7 к ВМТ, при этом движении поршня 10 в начальный период, при прохождении днищем поршня 10 выхлопного окна 14, происходит продувка камеры сгорания
II цилиндра 7, а затем заполнение ее воздухом из нагнетательной камеры IV через канал 18 и впускной клапан 16. Далее начинается процесс сжатия воздуха в камере сгорания II цилиндра 7 и заполнение нагнетательной камеры IV новой порцией воздуха из воздухоподающего канала 22 через впускной клапан 24, далее процессы повторяются, что вызывает постоянное вращательное движение приводного вала 8 и закрепленного на нем маховика 45.
Кроме этого, необходимо отметить, что заявляемый ДВС также может работать и на легком топливе (бензине, газе), в этом случае в головку цилиндров дополнительно устанавливаются свечи зажигания, а также необходимо отметить, что цилиндры и поршни являются взаимозаменяемыми, и чем большее количество цилиндров имеет ДВС, тем равномерней будет величина крутящего момента на приводном валу.
Таким образом, за счет введения новой совокупности существенных признаков можно решить поставленную техническую задачу, вытекающую из современного уровня техники.