Поршневой двигатель внутреннего сгорания

Область техники
Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к средствам преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение, т.е. к двигателям внутреннего сгорания, и может быть использована в транспортных средствах и другой технике.
Уровень техники
Известно устройство поршневая машина (патент РФ №2163973, дата публикации 10.03.2001 г.). Поршневая машина содержит закрепленные на кронштейнах силовой рамы оппозитно расположенные цилиндры с поршнями, установленный в подшипниковой опоре в середине между поршнями вал с диском. На поверхности диска выполнена профильная беговая дорожка. На валу закреплен второй диск с такой же профильной беговой дорожкой на противостоящей поверхности. При этом каждая беговая дорожка выполнена в виде четырехугольника с закругленными углами. Цилиндры имеют боковые прорези, в которых скользят поршневые пальцы, взаимодействующие концами через роликовые опоры с профильными беговыми дорожками обоих дисков. В частном случае поршни имеют по два днища, между которыми установлен поршневой палец, а каждый из цилиндров с обоих торцов закрыт головками с впускными и выпускными клапанами и выполнен с боковыми приливами для крепления кронштейнов с подшипниковой опорой.
Недостатком известного технического решения является низкая надежность, за счет быстрого износа беговых дорожек, поршневых пальцев и роликовых опор, вследствие выполнения беговых дорожек с резкими изгибами в виде четырехугольника.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является поршневой двигатель (патент РФ №143792, дата публикации 27.07.2014 г.). Поршневой двигатель содержит первое основание со вторым валом и направляющей и второе основание с закрепленными на нем четырьмя цилиндрами. Направляющая выполнена замкнутой. Направляющая расположена таким образом, что ее плоскость вращения перпендикулярна оси второго вала. Оси цилиндров расположены в плоскости, параллельной плоскости вращения направляющей. В каждом цилиндре установлен соответствующий поршень. Цилиндры установлены друг по отношению к другу центрально-симметрично с противоположных сторон направляющей и второго вала и обращены в противоположные стороны от направляющей. Второй вал установлен в первом подшипнике и втором подшипнике во втором основании. К каждому соответствующему поршню одним из концов присоединен соответствующий шток. На свободном конце каждого штока расположен соответствующий шип. На свободном конце каждого шипа размещен соответствующий ролик. Ролик расположен с обеспечением его контакта с направляющей. С внешней стороны каждый цилиндр снабжен ребрами охлаждения. С наружной стороны второго основания установлен привод с первым валом и закрепленными на нем лопастями. Лопасти размещены с обеспечением обдува ими ребер охлаждения. Направляющая выполнена в форме эллипса.
Недостатком прототипа является малая надежность за счет быстрого износа направляющей, роликов и штоков с шипами вследствие воздействия штоков на направляющую в перпендикулярном направлении.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение надежности.
Поставленный технический результат достигается за счет того, что в поршневом двигателе внутреннего сгорания, содержащем первое основание, второе основание, вал, направляющую, цилиндры, поршни, штоки, шипы, ролики, вал установлен в центральной части первого основания неподвижно по отношению к первому основанию, направляющая расположена на первом основании и выполнена замкнутой, при этом направляющая расположена таким образом, что ее плоскость вращения перпендикулярна оси вала, второе основание закреплено на валу посредством подшипников, цилиндры закреплены во втором основании, а оси цилиндров расположены в плоскости, параллельной плоскости вращения направляющей, цилиндры установлены друг по отношению к другу центрально-симметрично с противоположных сторон вала, в каждом цилиндре установлен соответствующий ему поршень, к каждому поршню одним из концов присоединен соответствующий этому поршню шток, на другом конце каждого штока расположен соответствующий шип, на свободном конце каждого шипа размещен соответствующий ему ролик, расположенный с обеспечением его контакта с направляющей, отличающийся тем, что в него введены стержни, каждый стержень одним концом шарнирно присоединен к соответствующему ему штоку, другой конец каждого стержня шарнирно закреплен на втором основании, при этом шарнирное крепление каждого стержня на втором основании расположено на расстоянии от соответствующего этому стержню штока, меньшем, чем длина этого стержня, в частном случае направляющая выполнена в форме эллипса, в другом частном случае направляющая выполнена в форме круга, в третьем частном случае направляющая выполнена в виде четырехугольника с плавно закругленными углами и прогибами к центру в средней части сторон четырехугольника, в четвертом частном случае направляющая выполнена в виде фигуры, близкой к восьмерке без соприкосновения и пересечения в центре.
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется чертежами (фиг. 1-4), где на фиг. 1 показана кинематическая схема поршневого двигателя внутреннего сгорания с направляющей в виде эллипса, на фиг. 2 показана кинематическая схема поршневого двигателя внутреннего сгорания с направляющей в виде фигуры, близкой к восьмерке без соприкосновения и пересечения в центре, на фиг. 3 показана кинематическая схема поршневого двигателя внутреннего сгорания с направляющей в виде четырехугольника с плавно закругленными углами и прогибами к центру в средней части сторон четырехугольника, на фиг. 4 показан частичный поперечный разрез поршневого двигателя внутреннего сгорания.
Раскрытие полезной модели
На фигурах обозначены: первый цилиндр 1, первое дно 2, первый поршень 3, первый шток 4, первая полость 5, первый шарнир 6, первый ролик 7, первый стержень 8, второй шарнир 9, второй ролик 10, третий шарнир 11, второй шток 12, второй цилиндр 13, второй поршень 14, вторая полость 15, второе дно 16, второй стержень 17, четвертый шарнир 18, привод вентилятора 19, дополнительный вал 20, лопасть 21, третий ролик 22, пятый шарнир 23, третья полость 24, третье дно 25, третий поршень 26, третий шток 27, третий цилиндр 28, третий стержень 29, шестой шарнир 30, первое основание 31, направляющая 32, четвертый ролик 33, седьмой шарнир 34, четвертый шток 35, четвертый поршень 36, четвертая полость 37, четвертое дно 38, четвертый цилиндр 39, четвертый стержень 40, восьмой шарнир 41, элементы охлаждения 42, кожух 43, первый направляющий элемент 44, первая часть 45, первый подшипник 46, вал 47, второе основание 48, второй подшипник 49, вторая часть 50, выступ 51, первая поверхность 52, нижняя поверхность 53, вторая поверхность 54, первый шип 55.
Основными элементами поршневого двигателя внутреннего сгорания (далее иногда именуемого устройство) являются первое основание 31 с направляющей 32, второе основание 48, первый цилиндр 1, второй цилиндр 13, третий цилиндр 28 и четвертый цилиндр 39 (далее по тексту именуемыми совместно - цилиндрами), первый ролик 7, второй ролик 10, третий ролик 22 и четвертый ролик 33 (далее иногда именуемыми совместно - роликами), первый стержень 8, второй стержень 17, третий стержень 29 и четвертый стержень 40 (далее по тексту именуемые совместно стержнями), первый шарнир 6, второй шарнир 9, третий шарнир 11, четвертый шарнир 18, пятый шарнир 23, шестой шарнир 30, седьмой шарнир 34 и восьмой шарнир 41 (далее по тексту совместно именуемые шарнирами).
Первое основание 31 представляет собой конструктивный элемент, у которого две противоположные друг другу поверхности выполнены большей площади, чем другие его поверхности. В частном случае первое основание 31 может быть выполнено в виде диска. Первое основание 31 снабжено направляющей 32.
Направляющая 32 расположена на одной из больших поверхностей первого основания 31. Направляющая 32 выполнена с обеспечением возможности ограничения перемещения роликов в одних направлениях и формирования траектории для движения по ней роликов в других направлениях. В частном случае направляющая 32 может быть выполнена в виде паза или выступа, или их сочетания. Направляющая 32 выполнена с обеспечением возможности формирования в плане замкнутой траектории движения с плавными поворотами. В частном случае направляющая 32 может описывать траекторию в виде круга, эллипса (фиг. 1), или в виде фигуры, близкой к восьмерке без соприкосновения и пересечения в центре (фиг. 2), или в виде четырехугольника с плавно закругленными углами и прогибами к центру в средней части сторон четырехугольника (фиг. 3).
Направляющая 32 ограничена первой поверхностью 52, нижней поверхностью 53 и второй поверхностью 54. Первая поверхность 52, нижняя поверхность 53 и вторая поверхность 54 расположены последовательно в указанном порядке с образованием в поперечном сечении П-образной формы. Первая поверхность 52 расположена ближе к центральной части первого основания 31, чем вторая поверхность 54. На первой поверхности 52 выполнен выступ 51, обращенный в сторону второй поверхности 54. Выступ 51 расположен на некотором расстоянии от нижней поверхности 53 с обеспечением размещения между ними роликов.
В центральной части первого основания 31, перпендикулярно первому основанию 31, установлен вал 47. В частном случае вал 47 выполнен заодно с первым основанием 31. При этом образующая первой поверхности 52 в целом параллельна оси вала 47. Образующая второй поверхности 54 в целом параллельна оси вала 47.
Второе основание 48 представляет собой конструктивный элемент устройства, в частном случае выполненный из двух частей: первой части 45 и второй части 50. Первая часть 45 и вторая часть 50 выполнены каждая в виде плоского элемента, две поверхности которого выполнены большей площади, чем другие его поверхности. В частном случае первая часть 45 и вторая часть 50 выполнены в виде дисков.
В центральной области первой части 45 закреплен первый подшипник 46. В центральной области второй части 50 закреплен второй подшипник 49. Вал 47 закреплен в первом подшипнике 46 и втором подшипнике 49. Вал 47 выполняет функцию средства передачи крутящего момента.
Первый цилиндр 1, второй цилиндр 13, третий цилиндр 28, четвертый цилиндр 39 выполнены каждый в виде прямого кругового цилиндра. Первый поршень 3, второй поршень 14, третий поршень 26 и четвертый поршень 36 (далее иногда именуемые совместно-поршнями) выполнены каждый в виде прямого кругового цилиндра. При этом диаметр поршней выполнен с обеспечением возможности их размещения внутри цилиндров. Высота каждого поршня выполнена меньшей, чем высота соответствующего цилиндра.
Первый шток 4, второй шток 12, третий шток 27 и четвертый шток 35 выполнены в виде стержня, т.е. элемента, один из размеров которого в несколько раз больше других его размеров. Первый шток 4, второй шток 12, третий шток 27 и четвертый шток 35 выполнены с обеспечением необходимой прочности для восприятия эксплуатационных нагрузок. В частном случае первый шток 4, второй шток 12, третий шток 27 и четвертый шток 35 выполнены из металла.
Первый цилиндр 1 выполнен полым с образованием первой полости 5. Первый цилиндр 1 со стороны одного из торцов ограничен первым дном 2. В первой полости 5 расположен первый поршень 3. Первый поршень 3 со стороны противоположной первому дну 2 соединен с одним из концов первого штока 4 с обеспечением возможности поворота первого штока 4 относительно оси первого цилиндра 1, например, посредством шарнирного соединения.
Второй цилиндр 13 выполнен полым с образованием второй полости 15. Второй цилиндр 13 со стороны одного из торцов ограничен вторым дном 16. Во второй полости 15 расположен второй поршень 14. Второй поршень 14 со стороны противоположной второму дну 16 соединен с одним из концов второго штока 12 с обеспечением возможности поворота второго штока 12 относительно оси второго цилиндра 13, например, посредством шарнирного соединения.
Третий цилиндр 28 выполнен полым с образованием третьей полости 24. Третий цилиндр 28 со стороны одного из торцов ограничен третьим дном 25. В третьей полости 24 расположен третий поршень 26. Третий поршень 26 со стороны противоположной третьему дну 25 соединен с одним из концов третьего штока 27 с обеспечением возможности поворота третьего штока 27 относительно оси третьего цилиндра 28, например, посредством шарнирного соединения.
Четвертый цилиндр 39 выполнен полым с образованием четвертой полости 37. Четвертый цилиндр 39 со стороны одного из торцов ограничен четвертым дном 38. В четвертой полости 37 расположен четвертый поршень 36. Четвертый поршень 36 со стороны противоположной четвертому дну 38 соединен с одним из концов четвертого штока 35 с обеспечением возможности поворота четвертого штока 35 относительно оси четвертого цилиндра 39, например, посредством шарнирного соединения.
Первый цилиндр 1, второй цилиндр 13, третий цилиндр 28 и четвертый цилиндр 39 закреплены во втором основании 48. В частном случае, цилиндры расположены оппозитно и попарно ортогональны. Первый цилиндр 1 расположен симметрично третьему цилиндру 28 относительно вала 47 (а также оси первого основания 31) и образует с ним первую пару. Второй цилиндр 13 расположен симметрично четвертому цилиндру 36 относительно вала 47 (а также оси первого основания 31) и образует с ним вторую пару. Ось первой пары ортогональна оси второй пары. В общем случае, цилиндры одной пары могут не лежать на одной оси, но оси цилиндров должны быть параллельны и лежать в плоскости, параллельной плоскости первого основания 31. Минимальное количество пар цилиндров равно единице.
Первый направляющий элемент 44, второй направляющий элемент (не указан), третий направляющий элемент (не указан) и четвертый направляющий элемент (не указан) выполнены с обеспечением возможности ограничения отклонения штока от оси цилиндра. В частном случае направляющий элемент может быть выполнен в форме вилки. При этом каждый направляющий элемент выполнен с обеспечением возможности допустимого отклонения штока от оси цилиндра под действием на него соответствующего стержня. Первый направляющий элемент 44, второй направляющий элемент, третий направляющий элемент и четвертый направляющий элемент закреплены на первой части 45 второго основания 48 перпендикулярно его плоскости.
Первый шип 55, второй шип (не указан), третий шип (не указан) и четвертый шип (не указан) выполнены в виде выступов на торце или на боковой поверхности первого штока 4, второго штока 12, третьего штока 27 и четвертого штока 35 соответственно. Первый шип 55, второй шип, третий шип и четвертый шип выполнены с обеспечением вхождения в направляющую 32. В частном случае первый шток 4 и первый шип 55 выполнены заодно. Второй шток 12 и второй шип выполнены заодно. Третий шток 27 и третий шип выполнен заодно. Четвертый шток 35 и четвертый шип выполнены заодно. Первый шип 55, второй шип, третий шип и четвертый шип частично расположены в направляющей 32 и перпендикулярны плоскости первого основания 31.
Первый ролик 7, второй ролик 10, третий ролик 22 и четвертый ролик 33 представляет собой цилиндрические элементы небольшого диаметра (колесика), выполненные и установленные с обеспечением вращательного движения. Первый ролик 7 установлен на первом шипе 55. Второй ролик 10 установлен на втором шипе. Третий ролик 22 установлен на третьем шипе. Четвертый ролик 33 установлен на четвертом шипе. В частном случае первый ролик 7, второй ролик 10, третий ролик 22 и четвертый ролик 33 могут быть выполнены двойными, т.е. состоящими из двух цилиндрических элементов. При этом один из указанных цилиндрических элементов располагают со стороны первой поверхности 52, а другой из указанных цилиндрических элементов располагают со стороны второй поверхности 54.
Снаружи каждого цилиндра выполнены элементы охлаждения 42. В частном случае элементы охлаждения 42 выполнены заодно с цилиндрами.
Первый цилиндр 1, второй цилиндр 13, третий цилиндр 28 и четвертый цилиндр 39 могут быть снабжены каждый клапаном для подвода горючей смеси в цилиндр, клапаном для отвода отработанных газов и средством воспламенения. В частном случае клапан подачи горючей смеси, клапан для отвода обработанных газов и средство воспламенения расположены в первом дне 2, втором дне 16, третьем дне 25 и четвертом дне 38.
На первой части 45 второго основания 48 установлен привод вентилятора 19. Вентилятор состоит из лопастей 21, дополнительного вала 20 и привода вентилятора 19. Лопасти 21 закреплены на дополнительном валу 20. Дополнительный вал 20 установлен в приводе вентилятора 19. Дополнительный вал 20 соосен валу 47. С привода вентилятора 19 на дополнительный вал 20 передается крутящий момент. При вращении дополнительного вала 20, лопасти 21 создают поток воздуха, который обдувает элементы охлаждения 42.
Кожух 43 представляет собой жесткий легкосъемный корпус, обеспечивающий защиту лопастей 21 от внешнего воздействия. Кожух 43 имеет прорези, что обеспечивает возможность поступления воздуха к лопастям 21. Кожух 43 выполнен и установлен с обеспечением беспрепятственной работы устройства в целом.
Первый стержень 8, второй стержень 17, третий стержень 29 и четвертый стержень 40 выполнены в виде продолговатого элемента, один из размеров которого больше, чем другие его размеры. Первый стержень 8, второй стержень 17, третий стержень 29 и четвертый стержень 40 выполнены с обеспечением необходимой прочности для восприятия эксплуатационных нагрузок, в частном случае из металла. Первый стержень 8 установлен одним концом в первом шарнире 6, другим концом во втором шарнире 9. Второй стержень 17 установлен одним концом в третьем шарнире 11, другим концом в четвертом шарнире 18. Третий стержень 29 установлен одним концом в пятом шарнире 23, другим концом в шестом шарнире 30. Четвертый стержень 40 установлен одним концом в седьмом шарнире 34, другим концом в восьмом шарнире 41.
Каждый шарнир представляет собой узел соединения, обеспечивающий поворот стержня относительно места крепления. Первый шарнир 6, третий шарнир 11, пятый шарнир 23 и седьмой шарнир 34 установлены соответственно на первом штоке 4, втором штоке 12, третьем штоке 27 и четвертом штоке 35 вблизи направляющей 32. Второй шарнир 9, четвертый шарнир 18, шестой шарнир 30 и восьмой шарнир 41 установлены на втором основании 48. В частном случае второй шарнир 9, четвертый шарнир 18, шестой шарнир 30 и восьмой шарнир 41 могут быть установлены каждый на соответствующей ему оси, закрепленной неподвижно относительно второго основания 48. При этом расстояние от второго шарнира 9 до первого штока 4, от четвертого шарнира 18 до второго штока 12, от шестого шарнира 30 до третьего штока 27 и от восьмого шарнира 41 до четвертого штока 35 выполнено меньшим, чем длина первого стержня 8, второго стержня 17, третьего стержня 29 и четвертого стержня 40 соответственно.
Осуществление полезной модели
Полезная модель реализуется следующим образом.
Полезная модель реализуется следующим образом. Изготавливают первое основание 31 с направляющей 32 эллиптической формы и второе основание 48 с первой частью 45 и второй частью 50. Изготавливают необходимое количество цилиндров с поршнями, штоками, шипами и роликами. Цилиндры закрепляют на первой части 45 и второй части 50 второго основания 48, в частном случае, таким образом, что оси первого цилиндра 1, второго цилиндра 13, третьего цилиндра 28 и четвертого цилиндра 39 пересекают ось вала 47 в одной точке и перпендикулярны ей. Первое основание 31, первую часть 45 и вторую часть 50 второго основания 48 устанавливают друг относительно друга с обеспечением возможности расположения роликов в направляющей 32 и взаимного вращения первого основания 31 и второго основания 48 друг относительно друга. В частном случае второе основание 48 с цилиндрами установлено стационарно, т.е. неподвижно относительно места установки. При этом первое основание 31 может совершать вращение относительно второго основания 48. Вал 47 устанавливают в первый подшипник 46 и второй подшипник 49. К дну каждого цилиндра подсоединяют средство подачи горючей смеси, средство отвода отработанных газов и средство воспламенения.
При запуске устройства, например, посредством стартера, валу 47, а, следовательно, и первому основанию 31, установленному неподвижно относительно вала 47, задается вращение вокруг их оси. Стартер работает в течение времени совершения такта впуска и сжатия поршнями первой (для простоты) пары цилиндров. Затем производится зажигание, и стартер отключается. Во время совершения такта рабочего хода и выпуска отработавших газов первым поршнем 3 и третьим поршнем 26 первой пары цилиндров сила, полученная за счет сжигания топлива, воздействует на первый поршень 3 и третий поршень 26, заставляя их двигаться в направлении центра. Посредством первого штока 4 с первым шипом 55 и третьего штока 27 с третьим шипом сила передается на первый ролик 7 и третий ролик 22, которые, в свою очередь, воздействует на выступ 51 первой поверхности 52 направляющей 32. За счет выполнения направляющей 32 в форме эллипса возникает пара окружных сил, которая создает крутящий момент на первом основании 31. После такта рабочего хода и выпуска поршни первой пары цилиндров совершают такт впуска и сжатия, после чего снова совершают такт рабочего хода и выпуска. Поршни второй пары цилиндров работают с отставанием на один такт от поршней первой пары, т.е. когда поршни первой пары цилиндров совершают такт рабочего хода и выпуска поршни второй пары цилиндров совершают такт впуска и сжатия. В каждый момент времени такт рабочего хода и выпуска совершают поршни одной пары цилиндров.
В момент взрыва горючей смеси в первой полости 5 (в качестве примера) происходит толчок первого поршня 3 в сторону вала 47. В случае осуществления жесткого крепления первого штока 4 к первому поршню 3 (как в прототипе), а также отсутствия в конструкции первого стержня 8, происходит ортогональный удар первого ролика 7 в первую поверхность 52 направляющей 32, что приводит к быстрому износу первого ролика 7, первого штока 4 и направляющей 32. Таким же образом происходит процесс разрушения элементов других цилиндров устройства.
Для предотвращения данного недостатка в данном техническом решении крепление штоков к поршням выполнено шарнирным. При этом в состав устройства введены стержни, присоединенные к штокам и второму основанию 48 также шарнирно. Далее дано описание общего принципа работы без использования числительных обозначений, так как описанные процессы присущи всем подобным элементам устройства. Таким образом в момент расположения поршня вблизи соответствующего дна (одна мертвая точка) стержень расположен под тупым углом к части штока от поршня до места крепления к нему стержня. В момент взрыва горючей смеси в полости поршень продвигается в сторону вала 47. Поршень толкает шток. Шток тянет за собой конец стержня, присоединенный к штоку. При этом стержень, выполненный большей длины, чем расстояние от штока до точки крепления стержня ко второму основанию 48, толкает шток в противоположную сторону, обеспечивая его отклонение от первоначального положения. При этом ролик мягко воздействует на направляющую 32, без рывков и разрушительного воздействия. Затем стержень переходит положение, перпендикулярное штоку и позволяет штоку вернуться в положение соосное оси цилиндра. При расположении поршня в крайнем положении от дна (другая мертвая точка) стержень располагается под острым углом к части штока между поршнем и местом крепления к нему стержня. При выпуске отработавших газов и возращении поршня в сторону дна также происходит отклонение штока от положения, соосного оси цилиндра под воздействием стержня.
Привод вентилятора 19 может быть подключен к стороннему источнику или, в частном случае, к валу 47. Крутящий момент передается лопастям 21 через дополнительный вал 20. Вращение лопастей 21 создает воздушный поток, обдувающий элементы охлаждения 42 и понижающий таким образом температуру двигателя.
Снятие мощности осуществляют со свободного конца вала 47.
Таким образом, выполнение устройства с совокупностью существенных признаков, описанных в формуле, обеспечивает увеличение надежности поршневого двигателя внутреннего сгорания за счет введения в его состав стержней, обеспечивающих отклонение штоков от осевого положения и предотвращение ортогонального удара роликов о направляющую 32.