ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С КАЧАЮЩИМСЯ ПОРШНЕМ

Изобретение относится к объемным машинам с качающимися рабочими органами, в частности к двигателям внутреннего сгорания.
Известна классическая схема поршневого двигателя внутреннего сгорания содержащая цилиндр, поршень, шатун, коленчатый вал.
Также известно значительное число проектов двигателей с качающимися рабочими органами. Предлагаемые механизмы преобразования качательного (патент RU №2051276, МПК F 01C 9/00, 1994 г.) или качателыю-вращательного (патент RU №2159334, МПК F 01 C 1/063, 2002 г.) движения лопастей во вращательное движение выходного вала более сложны, а, следовательно, менее надежны, чем кривошипно-шатунный механизм. В любом механизме, обеспечивающем качание лопасти, возникают нагрузки аналогичные по величине нагрузкам в кривошипно-шатунном механизме поршневого двигателя.
Роторы имеют несколько лопастей (патент RU №2080453, МПК F 01 C 9/00, 1997 г.) следовательно, большой момент инерции, что неизбежно приведет к возникновению в механизмах привода нагрузок значительно превышающих нагрузки в поршневом двигателе.
Консольное расположение лопастей относительно центрального вала (например, двигатель внутреннего сгорания патент RU, №2191 275, МПК F 02 B 53/00, 2002 г.) при работе создает в месте закрепления значительные знакопеременные нагрузки. На режимах работы, при которых роторный двигатель мог бы конкурировать с поршневым двигателем по мощности, лопасти будут быстро разрушены.
Общей проблемой поршневых и роторных двигателей является обеспечение уплотнения камеры сгорания. В поршневом двигателе это относительно
просто и надежно решается применением поршневых колец. Однако проблемы, возникающие при обеспечении работоспособности этого уплотнения, в значительной мере ограничивают возможность форсирования поршневых двигателей по оборотам. Уплотнение ротора требует более сложных решений.
Достоинством роторных двигателей с качающимися рабочими органами является возможность применения бесконтактных уплотнений.
Предполагаемая лучшая уравновешенность роторных двигателей по сравнению с поршневыми двигателями не является принципиальным преимуществом, поскольку реально существующие конструкции многоцилиндровых двигателей имеют удовлетворительную для практических целей уравновешенность.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что предлагаемые конструкции роторных двигателей с качающими рабочими органами не способны работать при оборотах характерных для современных поршневых двигателей, следовательно, не могут конкурировать с ними по мощности. С другой стороны в этих двигателях возможно применение бесконтактного лабиринтного уплотнения камеры сгорания.
Наиболее близким по конструкции является двигатель по патенту RU №20077588, МПК F 01 C 9/00, 1994 г.)
В этом двигателе в приводе применен кривошипно-шатунный механизм и более корректно по сравнению с другими проектами выбран способ соединения шатуна и ротора. Однако шатун приводит в движение массивный поршень. Этот поршень фактически является подвижной гильзой. Обработать рабочую поверхность такой формы с необходимой точностью и чистотой практически невозможно. Двигатель имеет проблемы с охлаждением, поскольку часть камеры сгорания находится внутри корпуса. Вопросы уплотнения камеры сгорания не рассматриваются.
Задача изобретения - улучшение основных параметров двигателя.
Задача решается путем совмещения в конструкции положительных качеств, присущих двигателю с кривошипно-шатунным механизмом и двигателю с качающимися рабочими органами. Для этого возвратно-поступательное движение поршня в гильзе заменяется возвратно-поворотным движением лопастного поршня в полости представляющей собой сектор поверхности тела вращения.
Технический результат достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, с качающимся поршнем, содержащим корпус картера с рабочей камерой, установленный в них лопастный поршень, коленчатый вал, шатун и головку, рабочая камера представляет собой ограниченный сектор поверхности тела вращения, при этом шатун, связанный с коленчатым валом, непосредственно соединен с поршнем, причем поршень имеет возможность охлаждаться при помощи подаваемой в поршень охлаждающей жидкости, количество которой регулируется в зависимости от величины зазора между поршнем и поверхностью рабочей камеры, а щеки коленчатого вала выполнены цилиндрическими, при этом картер выполнен так, что зазор между картером и щеками коленчатого вала минимален, кроме того поверхность образующей рабочей камеры имеет прямоугольную форму, со скругленными углами, или полукруглую форму, а уплотнение рабочей камеры выполнено лабиринтовым.
на фиг.1 - показан поперечный разрез двигателя;
на фиг.2 - прямоугольная форма образующей рабочей камеры;
на фиг.3 - прямоугольная форма образующей рабочей камеры со скругленными углами;
на фиг.4 - полукруглая форма образующей рабочей камеры;
на фиг.5 - разрез А-А;
на фиг.6 - вид Б;
на фиг.7 - пример V -образного исполнения двигателя
Предлагаемый двигатель может быть выполнен односекционным, рядным, V - образным, звездообразным. Кроме того он может быть 2-х и 4-х тактным, дизельным, карбюраторным или: с впрыском топлива.
Двигатель внутреннего сгорания, например односекционный содержит корпус картера 1 с рабочей камерой, размещенный в них качающийся лопастный поршень 2, установленный на оси 3, коленчатый вал 4, шатун 5 и головку 6.
Картер 1 содержит верхний блок - картер 7 и нижний картер 8.
Рабочую камеру можно получить путем расточки корпуса картера 1, выполненного из алюминиевых или других сплавов, поскольку снимаются требования к износостойкости материала. Требования к чистоте обработки поверхности умеренные. Все это упрощает и удешевляет конструкцию.
Рабочая камера выполнена в виде ограниченного сектора поверхности тела вращения, а форма 9 ее образующий представляет собой прямоугольную поверхность. При изготовлении рабочей камеры расточкой, имеется возможность применять в качестве образующей различные поверхности, например прямоугольной формы 10 со скругленными углами или полукруглой формы 11.
В отличие от роторных двигателей с качающимися рабочими органами в предлагаемой конструкции двигателя, например многосекционного, в каждой секции используется единственный качающийся поршень 2 и ограниченный сектор поверхности тела вращения, при этом шатун 5 через палец 12 соединяется непосредственно с поршнем 2, что позволяет получить минимальную массу поршня и разгрузить его от напряжений изгиба.
Уплотнение рабочей камеры двигателя выполняется с помощью лабиринтового или щелевого уплотнения.
В поршневом двигателе пара гильза-поршень выполняют две функции -уплотнение рабочей камеры и роль направляющих. В предлагаемой конструкции эти функции разделены. Трение скольжения в условиях недостаточной смазки, имеющее место в паре гильза-поршень заменяется трением качения
при использовании, например, конических подшипников в опоре лопастного поршня.
Поскольку в поршневом двигателе на трение поршня и поршневых колец приходится от 40 до 60% механических потерь, применение данного решения ведет к существенному росту механического и общего КПД двигателя. Появляется возможность форсирования двигателя по оборотам, увеличивается, ресурс работы двигателя.
Эффективность работы лабиринтового уплотнения зависит от зазора в паре гильза - поршень. Величина этого зазора для двигателя с рабочим объемом порядка 0,5 литра на цилиндр должна находиться в пределах 0,06-0,03 мм. Существенное влияние на работу двигателя величина зазора оказывает в основном на низких оборотах. В процессе работы имеется возможность управлять этим зазором путем изменения количества подаваемой в лопастный поршень 2 охлаждающей жидкости, роль которой может выполнять масло системы смазки. Для этого необходимо непосредственно измерять зазор, определять зазор путем замера температуры поршня 2 и стенок камеры сгорания, или по давлению газов прорывающихся в картер 1. Целесообразно термоизолировать днище поршня 2, это позволит уменьшить количество тепла, которое необходимо отводить из поршня 2.
Наличие картерных газов является характерным для поршневого двигателя. По количеству картерных газов предлагаемый двигатель может соответствовать поршневому двигателю с незначительным износом. Применение непосредственного впрыска, форсирование двигателя по оборотам, использование наддува минимизируют потери от протечек.
Для предотвращения попадания масла из коренных подшипников коленчатого вала 4 в картер 1 щеки 13 коленчатого вала 4 выполняются цилиндрическими, а блок-картер 7 растачивается так, чтобы зазор между щеками 13 и картером 4 не превышал 0,1 мм. Для этого в верхний блок-картер 7 с коротким шатуном 5 необходимо устанавливать полукольцо 14 поскольку при обработке камеры сгорания материал блок-картера 7 в этом месте удаляется
для выхода режущего инструмента. В двигателе с определенной длинной шатуна 5 такой необходимости нет. Полость 15 через канал 16 соединяется с маслоотделителем, который в свою очередь соединяется с впускным патрубком 17. Скорость потока газов в кольцевом зазоре 18 может достигать 40-50 м/сек., что исключает проникновение масла через зазор 18. Возможно уплотнение другими известными способами, например, путем нанесения на поверхность щеки 13 маслосгонной резьбы.
Шатунный подшипник 19 герметизируется манжетным уплотнением 20 вставленным в выточку на щеке 13 коленчатого вала 4. Манжета 20 для обеспечения возможности сборки выполняется разрезной. При работе между манжетой 20 и поверхностью шатуна 5 образуется зазор, по которому так же с большой скоростью в кольцевую полость 21 соединенную каналом 22 с полостью 15 прорываются газы. Масло из шатунного подшипника 19 под действием центробежных сил и потока газов выбрасывается в полость 15. На торцовых поверхностях шатуна 5 выполняется выступ 23 с которого масло под действием центробежных сил срывается и попадает на поверхность манжеты 20, а не в зазор между манжетой 20 и шатуном 5.
Подшипник в верхней головке шатуна и ось поршня герметизируются обычными уплотнениями, поскольку в зоне работы этих уплотнений отсутствуют большие линейные скорости.
Масло, в случае его попадания в пространство под поршнем, удаляется через калиброванные отверстия 24.
Двигатель имеет высокую степень унификации с поршневыми двигателями. Большинство систем остается без изменений или требует непринципиальных доработок. К двигателю применимы термодинамические и прочностные расчеты. По уравновешенности двигатель соответствует поршневому двигателю, хотя имеются некоторые очевидные отличия.
На базе данного решения возможно изготовление адиабатного двигателя. Изготовление адиабатного двигателя на основе поршневого двигателя требует применения материалов, обладающих термостойкостью, низкой теплопроводностью
и высокой износостойкостью при высоких температурах. Необходимо применение масел, работающих при высоких температурах. В предлагаемой схеме смазка отсутствует, требование износостойкости отпадает, что принципиально упрощает задачу. Задача может решаться путем нанесения на поверхности камеры сгорания и поршня соответствующих покрытий.
Таким образом, двигатель по предложенной схеме имеет высокий механический КПД, высокую мощность за счет возможности применения повышенных оборотов, может являться основой для создания адиабатного двигателя.