ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕЕГО СГОРАНИЯ С ОППОЗИТНЫМИ ЦИЛИНДРАМИ
ICE WITH OPPOSED CYLINDERS

Изобретение относится к отрасли машиностроения, точнее к поршневым двигателям внутреннего сгорания с оппозитным расположением поршневых цилиндров и предназначено для тепловозов, путевых машин, автомобилей, тракторов, электростанций и других энергетических установок карбюраторных, инжекторных, дизельных.
Известен традиционный двигатель внутреннего сгорания, содержащий головку блока с размещенным в ней механизмом газораспределения; поршневой цилиндр с поршнем, который кинематически связан одним шатуном с шатунной шейкой одного коленчатого вала [1]. Достоинством двигателя является наибольшая простота его конструкции и приемлемая эффективность при его изготовлении и эксплуатации. Традиционный двигатель имеет следующие недостатки. При работе двигателя формируется боковое давление поршня на зеркало цилиндра, вызывающее его неравномерный износ и потери механической энергии на преодоление сил трения, что снижает моторесурс двигателя, его механический КПД, исключает форсирование двигателя по скорости вращения коленчатого вала [2]. Такой двигатель подвержен вибрации, периодически возникающей вследствие воздействия вертикальных и горизонтальных сил от вращения кривошипов коленчатого вала [3].
Известны поршневые двигатели без бокового давления поршня на зеркало цилиндра, отличающиеся улучшенной уравновешенностью кривошипно-шатунного механизма [4, 5]. Каждый такой двигатель содержит блок цилиндров, цилиндровые гильзы, поршневые головки со штоками, шатуны с механизмом их поворота; два параллельных коленчатых вала, синхронизированных между собой двумя парами шестерен. Такие устройства имеют следующие недостатки. Расположение штока между кривошипными шейками увеличивает размер между осями вращения параллельных коленчатых валов, что ухудшает работу кривошипно-шатунного механизма и увеличивает габариты картера и двигателя в целом. Применение двух шатунов с механизмом их поворота для возвратно-поступательного перемещения одной поршневой головки необоснованно усложняет конструкцию двигателя.
За прототип принимается более простая конструкция двигателя, в котором цельный поршень с двумя поршневыми головками и штоком между ними приводится в соответствующее движение парой шатунов и без механизма их поворота [6]. Двигатель содержит один блок цилиндров с одной парой, как минимум, в нем оппозитных цилиндровых гильз, в которых расположен цельный поршень, с парой поршневых головок и одним штоком между ними, пару шатунов; коленчатый вал из двух отдельных его консольных половин (далее: консольных кривошипов), вращающихся в разные стороны. Поршневые головки шатунов посажены асимметрично на один поршневой палец при смещении вдоль его на величину, равную полуширине поршневой головки. Вращение консольных кривошипов составного коленчатого вала синхронизировано между собой пятью шестернями и объединительным валом. Двигатель по прототипу имеет следующие недостатки. Механизм синхронизации противоположно вращающихся консольных кривошипов с применением объединительного вала и пяти шестерен не обеспечивает требуемую жесткость привода, что приводит к недопустимой вибрации конструкции двигателя и вызывает интенсивный износ ее деталей [7]. Предложенный механизм синхронизации усложняет конструкцию двигателя и его сборку из-за завышенного количества сборочных единиц и увеличения размера картера вдоль коленчатых валов. При асимметричном расположении шатунов, при котором шатуны смещены вдоль поршневого пальца, боковое давление поршня на зеркало цилиндра преобразуется в знакопеременный момент, который скручивает шатуны, что дополнительно усиливает вибрацию кривошипно-шатунного механизма и приводит к необходимости использования более прочных материалов при его изготовлении. Консольные кривошипы составного коленчатого вала подвержены интенсивным знакопеременным нагрузкам, для которых срезающая нагрузка возрастает в два раза, а изгибающий момент - в четыре по сравнению с традиционной шейкой, например, однопролетной [1], что приводит к необходимости увеличения диаметра шейки или применения материала повышенной прочности при изготовлении коленчатых валов.
За следующий прототип принимается двигатель внутреннего сгорания с оппозитными цилиндрами, содержащий корпус с цилиндрами и гильзами; цельный поршень, который включает пару поршневых головок и поршневой шток между ними, выполненный, например, в виде гнутых стоек с образованием между ними продольных полостей в перпендикулярных плоскостях [8]. Недостатком такого двигателя является то, что его поршневой шток имеет сложную конструкцию из-за завышенного количества гнутых стоек, продольных полостей в перпендикулярных полостях, поперечный размер которых выполнен без учета размеров кривошипно-шатунного механизма (КШМ) двигателя. Гнутые стойки повергаются воздействию дополнительного изгибающего момента, что требует применения повышенного поперечного сечения, либо материала повышенной прочности при их изготовлении. Продольные полости штока в двух плоскостях усложняют изготовление цельного поршня, что приводит к дополнительным затратам при производстве двигателя. Без согласования поперечного размера продольной полости штока с размерами КШМ исключается его компактное размещение в двигателе, что снижает его габаритно-массовые показатели.
Техническим результатом изобретения является улучшение габаритно-массовых показателей двигателя за счет повышения жесткости механизма синхронизации, уменьшения количества конструктивных элементов двигателя и его размеров, исключения консольных кривошипов коленчатого вала и асимметричности действующих нагрузок.
<mrow><mi>L</mi><mi>к</mi><mo><</mo><mi>L</mi><mi>n</mi><mi>o</mi><mo><</mo><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><msqrt><mrow><msubsup><mi>R</mi><mi>n</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>d</mi><mrow><mi>ш</mi><mi>г</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow></msqrt><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>ш</mi><mi>с</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Указанный технический результат достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпусной блок с одной парой в нем, как минимум, оппозитных гильз с расположением в них одного цельного поршня, включающего пару поршневых головок и поршневой шток между ними в виде отдельны стоек; пару шатунов со своими поршневыми пальцами; пару параллельных коленчатых валов, синхронизированных шестерням; поперечный размер Lпо продольной полости поршневого штока выполнен в зависимости от поперечного размера колена Lк коленчатого вала, радиуса Rп поршневой головки поршня, полуширины dшг и толщины Тшс линейной стойки поршневого штока в соответствии с выражением:
,
при этом корпусной блок снабжен сквозными продольными полостями и перпендикулярными к ним сквозными поперечными полостями, продольные полости выполнены с возможностью размещения поршневых головок шатунов в корпусном блоке, а поперечные полости выполнены для закрепления поршневых головок шатунов в стойках поршневого штока с применением поршневых пальцев.
Такой размер Lпо обеспечивает оптимальный выбор поперечной геометрии и материала стоек поршневого штока без увеличения размера блока цилиндров вдоль коленчатого вала, что улучшает габаритно-массовые показатели двигателя, а также упрощает и повышает качество сборки двигателя.
Возможность осуществления предлагаемого изобретения с получением вышеуказанного технического результата поясняются чертежами.
На Фиг. 1 изображен двигатель внутреннего сгорания в изометрическом виде; на Фиг. 2 представлен поршень с его штоком в виде пары линейных стоек с одной продольной полостью между ними; на Фиг. 3 и 4 сравниваются поперечные сечения по параллельным коленчатым валам, соответственно, предлагаемого двигателя и прототипа; на Фиг. 5, 6 приводятся нагрузки от сил, соответственно, газовых Pг и инерционных Pи для прототипа; на Фиг. 7, 8 - нагрузки от сил, соответственно, газовых Pг и инерционных Pи для предлагаемого двигателя; на Фиг. 9 - изометрический вид корпусного блока с полостями для сборки его с шатунами и поршневыми пальцами.
Двигатель содержит корпусной блок 1, с одной парой, как минимум, оппозитных гильз 2, 3 (Фиг. 1) и не показанные на Фиг. 1 известные головки блока 1, например по патенту [9]. В гильзах 2, 3 установлен один цельно-монолитный поршень (Фиг. 2) со своими поршневыми головками 4, 5 и поршневым штоком, выполненным в виде пары линейных адекватных друг другу стоек 6, 7 с образованием между ними одной продольной полости 8, симметричной относительно продольной оси поршневого блока, например, в вертикальной плоскости. В полости 8 установлены поршневые головки 9, 10 шатунов и закреплены в отверстиях стоек 6, 7 поршневыми пальцами 11, 12 с возможностью свободного вращения вокруг них. В этой же полости 8 установлены кривошипные головки 13, 14 шатунов, посаженных по посадке скольжения на шатунные кривошипы коленчатых валов 15, 16 с возможностью свободного движения в ней деталей кривошипно-шатунного механизма при вращении коленчатых валов, в том числе и их противовесов (щек). Коленчатые валы 15, 16 посажены по посадке скольжения в отверстия, образованные между блоком 1 и поддонами 17, 18. На хвостовиках коленчатых валов 15, 16 посажены неподвижно, например, с применением шлицевого соединения, шестерни 19, 20 для синхронизации скорости вращения валов и маховик 21. Поперечный размер Lпо (Фиг. 3) продольной полости 8 между стойками 6, 7 поршневого штока выполнен в зависимости от поперечного размера колена Lк коленчатого вала, радиуса Rп поршневой головки поршня, полуширины dшг и толщины Tшс линейной стойки поршневого штока в соответствии с выражением:
<mrow><mi>L</mi><mi>к</mi><mo><</mo><mi>L</mi><mi>n</mi><mi>o</mi><mo><</mo><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><msqrt><mrow><msubsup><mi>R</mi><mi>n</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>d</mi><mrow><mi>ш</mi><mi>г</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow></msqrt><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>ш</mi><mi>с</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
Такой размер Lпо обеспечивает оптимальный выбор поперечной геометрии и материала стоек поршневого штока в размерах, не превышающих наружный диаметр поршневых головок 4, 5; что исключает увеличение размера блока цилиндров вдоль коленчатого вала.
Корпусной блок 1 снабжен сквозными продольными полостями 22, 23 и, перпендикулярными к ним, поперечными 24, 25 (Фиг. 9). Продольные полости, например, верхняя 22 и нижняя 23 выполнены с возможностью размещения поршневых головок 9, 10 шатунов в корпусном блоке 1. Поперечные полости ближняя 24 и дальняя 25 выполнены с возможностью закрепления поршневых головок 9, 10 шатунов в стойках 6, 7 поршневого штока с применением поршневых пальцев 11, 12.
Двигатель работает в соответствии с традиционными двухтактными или четырехтактными циклами. При сгорании топлива, например, над поршневой головкой 5 продукты сгорания, воздействуя на нее, приводят в движение обе поршневые головки 4, 5 с поршневым штоком и с поршневыми пальцами 11, 12 совместно с шатунами в продольной полости 8 (Фиг. 2) между стойками 6, 7. Кривошипные головки 13, 14 шатунов, воздействуя на кривошипы коленчатых валов 15, 16, обеспечивают их вращение, синхронность которых поддерживается парой шестерен 19, 20.
При вращении деталей кривошипно-шатунного механизма в полости 8 поршневого штока при синхронизации вращения коленчатых валов 15, 16 парой шестерен улучшается конструкция двигателя за счет повышения жесткости механизма синхронизации, уменьшения количества конструктивных элементов двигателя и его размеров, исключаются консольные кривошипы и асимметричность действующих нагрузок.
На Фиг. 3 видно, что в двигателе по изобретению вращение выходного вала обеспечивается коленчатыми валами 15, 16 и шестернями 19, 20. В двигателе по прототипу (Фиг. 4) функция вращения выходного вала выполняется консольными кривошипами 17.2, 18.2; шестернями 21.2, 22.2, 23.2, 25.2, 26.2, дополнительным подшипником 22.1 и объединительным валом 24.2. Кинематическая цепь двигателя по изобретению содержит меньшее количество кинематических звеньев, что обеспечивает лучшую жесткость привода, меньшую вибрацию конструктивных элементов и меньший их износ. В табл. 1 приводится сравнение параметров двигателей прототипа и изобретения, в которой приняты следующие обозначения:
Bи, Bп - размер картера вдоль коленчатого вала, соответственно, изобретения и прототипа;
Bс, Bз, Bш, Bпо - ширина, соответственно, синхронизационной шестерни, зазора, штока, подшипника для двигателя прототипа;
q - интенсивность распределенной нагрузки;
Pг, Pи - продольное давление, соответственно, от газовых сил и инерционных;
Pгп, Pгз - боковое давление от газовых сил для переднего шатуна и заднего;
Pип, Риз - боковое давление от инерционных сил для переднего шатуна и заднего;
Pгл, Pгпр - боковое давление от газовых сил для левого шатуна и правого;
Pил, Pипр - боковое давление от инерционных сил для левого шатуна и правого;
Mг - скручивающий момент от газовых сил;
Ми - скручивающий момент от инерционных сил;
L - ширина поршневой головки шатуна.
Из табл. 1 видно, что двигатель по изобретению превосходит двигатель по прототипу по сравниваемым параметрам.
Таким образом, предложен поршневой двигатель с лучшей конструкцией кривошипно-шатунного механизма, обеспечивающего повышенную эффективность при промышленном применение, что особенно важно для современного автомобильного транспорта.
Из изложенного следует, что заявленное изобретение направлено на решение поставленной задачи с достижением качественно нового технического результата и соответствует требованием патентоспособности по действующему законодательству.
Источники информации
1. Колчин А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: Учебное пособие для вузов. - М: Высшая ш., 2003. С. 14, рис. 1.1.
2. Стародетко Е.А., Стародетко Г.Е., Стародетко К.Е. и др. Поршневая машина (Ее варианты). Патент RU №2096638 C1, F02B 75/32. Опубл. 20.11.97. Бюл. №32.
3. Дуглас Т., Карсон. Двигатель внутреннего сгорания. Патент US №4543919. Опубл. 01.10.1985.
4. Курзель И.А. Поршневая машина. А/с SU №1224415 A, F02B 75/32. Опубл. 15.04.86. Бюл.№14.
5. Курзель И.А., Веревкин В.Д. Двигатель внутреннего сгорания. А/с SU №1663213 A1, F02B 75/32. 15.07.91. Бюл. №26.
6. Йанхунен Т.Т. Двигатель внутреннего сгорания. Патент RU №2263802 С2, F02B 75/32. Опубл. 10.11.2005. Бюл. №31.
7. Хадиев Р.Г., Хадиев Р.Г. Двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом. Патент RU №2222705 С2, F02B 75/32. Опубл. 27.01.2004. Бюл. №3.
8. Lemarre Jean-Louis. Demande de brevent d′invention №7907471. №de publication 2452037, public de la demande 17.10.1980.
9. Маришкин A.K. Камера сгорания поршневого двигателя. Патент RU №2299337 C1, F02B 23/08. Опубл. 20.05.2007. Бюл. №14.