АКСИАЛЬНЫЙ ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С КАЧАЮЩИМСЯ БЛОКОМ КАРДАННЫХ ПОДВЕСОВ
AXIAL PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH SWINGING BLOCK OF CARDAN SUSPENSIONS

Изобретение относится к поршневым машинам, а именно к аксиальным машинам, в которых цилиндропоршневые группы расположены параллельно оси вращения приводного вала. Данная машина может быть представлена как в варианте дизельного двигателя, так и двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием. Благодаря малому миделевому сечению и высокому крутящему моменту наиболее перспективно использование машины как авиационного двигателя в составе лопастного движителя без применения редуктора, с непосредственной посадкой воздушного винта на вал двигателя.
Известна аксиально-поршневая машина (RU 2503818), содержащая корпус, цилиндры с размещенными в них поршнями, вал с наклонной шейкой, опору, установленную в корпусе соосно с валом, наклонную шайбу, связанную с поршнями при помощи шатунов и с наклонной шейкой вала при помощи конусообразного элемента. Недостатком такой аксиально-поршневой машины, равно как и других, имеющих в составе вращающуюся косую шайбу, являются увеличенные потери из-за трения и повышенный износ рабочих поверхностей, связанные с обкаткой роликами фигурной шайбы, либо же потери на направляющих, без которых такие схемы не могут работать. Также данные машины имеют ограниченный наклон шайбы - максимально до 10-20 градусов, что приводит к увеличению размеров двигателя для обеспечения достаточного хода поршней, снижению КПД по причине большего трения из-за роста нагрузок в сочленениях конструкции.
В рассматриваемой аксиальной машине применено решение, позволяющее достигнуть надежности, простоты и высокого КПД механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала. Вместо качающейся шайбы шайбы используется блок карданных подвесов, что позволяет ему качаться, но при этом жесткость карданных подвесов вне плоскостей вращения препятствует возникновению крутильных колебаний. Подшипники карданного подвеса и шарниров крепления шатунов хорошо распределяют нагрузку и имеют низкое трение. Применение шарнирных соединений упрощает и удешевляет механизм, обеспечивает его высокую надежность, Способность механизма к самоустановке уменьшает количество высокоточных машинных операций при его производстве. Дополнительной фиксации центра качающегося блока карданных подвесов от вращения не требуется. Размер подшипников и крестовин карданных подвесов выбирается оптимальным в пределах требований к размерам, при которых гарантируется избыточная прочность на сопротивление силам как ударно-компрессионным при работе поршней, так и моментам вращения вне осей свободы, и требованиям к массе подвесов, при которой может иметь значение инерционное сопротивление системы. Применение такой конструкции исключает дополнительные направляющие, применение которых приводит к повышенному трению и износу. Карданный подвес дает возможность увеличить угол наклона блока (до 45 градусов и даже более), и использовать длинноходовые поршневые группы при меньшем диаметре шайбы и соответственно меньшем миделе двигателя. Увеличение угла наклона блока карданных подвесов приводит к снижению нагрузок на механизм и уменьшению пульсаций крутящего момента из-за меньшего плеча между шарниром шатуна и осью вала на самых нагруженных участках работы вблизи верхней мертвой точки.
Второе решение - это применение двухтактной схемы работы двигателя с длинноходовыми комбинированными ступенчатыми поршнями совместно с использованием ресивера, расположенного непосредственно между цилиндрами. Ресивер необходим для обеспечения интенсивной продувки рабочих камер воздухом, сжатым в накачивающих камерах и способен увеличивать интенсивность продувки. Ввиду расположения ресивера между цилиндрами обеспечиваются благоприятные условия продувки рабочих камер от оси двигателя через продувочные окна к его периферии, на которой находятся выхлопные окна. Также удачно используется свободный объем на оси двигателя между цилиндрами, не требуется дополнительных патрубков или трубок, связывающих ресивер с накачивающими и рабочими камерами.
Каждый ступенчатый поршень имеет рабочую и накачивающую часть. Использование комбинированных ступенчатых поршней приводит к уменьшению количества деталей, а значит, уменьшению массы и габаритов конструкции, повышению надежности, так как не требуется отдельных накачивающих поршней, насосов, компрессоров и механизмов их привода.
На фиг. 1 схематически изображена аксиально-поршневая машина с видом по поперечному срезу А-А, части которой указаны цифрами:
1. корпус
2. блок цилиндров
3. ступенчатые поршни
4. вал вращения
5. кривошип
6. подшипники вала вращения
7. качающийся блок карданных подвесов
8. карданные подвесы с двумя степенями свободы
9. подшипник кривошипа
10. противовес
11. шатун
12. компрессионные кольца рабочей камеры
13. рабочая камера
14. компрессионные кольца накачивающей камеры
15. накачивающая камера
16. золотник
17. ресивер
18. продувочное окно
19. выхлопное окно
20. шестерни привода устройств топливной системы и системы принудительной смазки.
Описание построения машины:
Представленная аксиально-поршневая машина включает в себя корпус (1), блок цилиндров (2) с размещенными в них длинноходовыми ступенчатыми поршнями (3), вал (4) с кривошипом (5), установленный в системе подшипников (6), качающийся блок карданных подвесов (7), работающий по принципу качающейся шайбы, связанный посредством подшипника (9) с наклонной опорой кривошипа (5), на противоположной стороне которого находится балансирующая масса (10). На периметре качающегося блока карданных подвесов (7) закреплены непосредственно карданные подвесы (8) с двумя степенями свободы, на которых закреплены шатуны (11), шарнирно связанные с поршнями.
Возвратно-поступательное движение поршней (3) приводит к качанию связанных с ними карданных подвесов (8), при этом вершина качающегося карданного блока, закрепленная в подшипнике кривошипа (9), совершает круговые движения, вызывая вращение вала (4).
Поршни ступенчатой цилиндрической формы имеют двойную систему компрессионных колец - первая (12) находится в рабочей камере (13), вторая (14) - на расширенной части поршня в накачивающей камере (15). Накачивающая камера предназначена для сжатия атмосферного воздуха и последующей подачи его через односторонний клапан (16) в ресивер (17). Из ресивера сжатый воздух попадает в цилиндр рабочей камеры в такт выхлопа продуктов сгорания через продувочные окна (18) с целью принудительной продувки камеры от продуктов сгорания через выхлопные окна (19) и обеспечивая необходимый объем воздуха для последующего такта сжатия и горения топлива.
Всасывающие окна накачивающих камер на схеме не указаны, они находятся на срезе накачивающих компрессионных колец в нижнем положении поршня.
На валу машины расположены шестерни привода (20) устройств топливной системы и системы принудительной смазки.
Ближайшим аналогом, использующим такие комбинированные поршни ступенчатой формы, является двухтактный пятицилиндровый авиационный двигатель типа "звезда" ВП-760, разработанный В.П. Поляковым [«Отличный мотор ждет работы» - В. Гусев, А. Лепарский, АэроМастер, Научно-популярный ежеквартальный альманах №1, 1998, Томск, стр. 119-121]. В этом двигателе сжатый воздух из накачивающих камер поступает в картер, в этом случае являющийся ресивером. На двигателе установлен приводимый в действие коленчатым валом золотник, который перераспределяет топливно-воздушную смесь из картера через трубки в рабочие камеры для их наполнения. Однако избыточное давление внутри картера мало, что приводит к снижению эффективности наполнения рабочих камер и снижению мощности. Неизбежное наличие рабочих зазоров в золотнике приводит к потерям давления, а сам золотник является малоресурсным элементом конструкции. Аналогичные решения и связанные с ними проблемы также присущи двухтактному двигателю внутреннего сгорания (RU 2294442).
В настоящем двигателе отсутствуют золотник и его привод, а для перехода сжатого воздуха из накачивающих камер в ресивер используются односторонние клапаны. Высокое давление в ресивере способно обеспечить интенсивную продувку и наполнение рабочих камер. За счет того, что в ресивере может аккумулироваться атмосферный воздух, возможна работа двигателя в дизельном варианте.
Возвратно-поступательное движение поршней (3) приводит к качанию блока карданных подвесов (7) в карданном подвесе (8), при этом вершина качающегося блока, связанная с кривошипом (5) через подшипник (9), совершает круговые движения, вызывая вращение вала (4). На противоположной стороне кривошипа находится противовес (10), необходимый для устранения дисбаланса, создаваемого качающимися деталями двигателя.
Управление механическими и электромеханическими устройствами топливной системы и системы принудительной смазки осуществляется кинематикой, приводимой в действие шестернями управления (20), жестко синхронизированными с валом и положением качающейся шайбы.
Принцип работы поршневой системы со ступенчатой поршневой группой:
Поршневая группа состоит из 2-х областей - рабочей камеры (13) и накачивающей камеры (15). В рабочей камере производится сжатие воздуха, впрыск топлива, сжигание топливно-воздушной смеси, расширение с выполнением полезной работы, выхлоп и продувка объема камеры от продуктов сгорания с помощью сжатого воздуха из ресивера (17). Процессом продувки и выхлопа управляет сам поршень, открывая продувочные (18) и выхлопные окна (19). Поршень имеет ступенчатую цилиндрическую форму, при этом на его части с меньшим диаметром со стороны рабочей камеры установлен комплект компрессионных колец (12): также имеются компрессионные кольца (14) на расширенной части поршня со стороны аксиального механизма. Накачивающая камера ограничивается стенками цилиндра, боковой поверхностью узкой части поршня и переходом на его расширенную часть. Объем накачивающей камеры несколько превышает объем рабочей камеры, что обеспечивает надежное замещение отработанных газов в рабочей камере сжатым воздухом. Воздух, выдавливаемый поршнем из накачивающей камеры, проходит через односторонние клапаны (16) и аккумулируется в ресивере, с объемом, достаточным для того, чтобы давление внутри него было в несколько раз больше атмосферного. Это необходимо для интенсивного истечения воздуха в рабочую камеру при открытии продувочного окна поршнем и максимально эффективного замещения объема отработанных газов. Для эффективной вентиляции рабочего объема цилиндра продувочные окна имеют профильную структуру.
Продувочное окно не имеет клапана и в нерабочий период окно закрыто корпусом поршня. Благодаря наличию двойной системы компрессионных колец и отсутствию паразитных колебаний поршней, их диаметр может быть максимально приближен к внутреннему диаметру цилиндров с допуском на температурную деформацию, поэтому продувочные окна закрываются достаточно плотно, потери давления в ресивере незначительны и в связи с избыточностью давления ими можно пренебречь.
Этапы работы двухтактной системы:
1. Поршень находится в нижней мертвой точке, открыты продувочные и выхлопные окна. Через профилированное продувочное окно поступает замещающий выхлопные газы воздух, необходимый для дальнейшего цикла. Открыты всасывающие окна в накачивающей камере и в нее поступает новая порция атмосферного воздуха.
2. Начинается движение поршня к верхней мертвой точке, закрываются выхлопные и продувочные окна
3. При дальнейшем движении поршня производится сжатие объемов воздуха в рабочей и накачивающей камерах с последующим впрыском топлива и дальнейшим сжатием топливно-воздушной смеси в рабочей камере.
4. Поршень достигает верхней мертвой точки. В это же время в накачивающей камере воздух переходит в ресивер через односторонние клапаны, и он закрывается с целью предотвращения обратного перетекания воздуха.
5. Воспламенение топливной смеси. Движение поршня к нижней мертвой точке. Выполнение рабочего хода.
6. Поршень открывает выхлопные окна. Продукты сгорания частично покидают цилиндр, давление в рабочей камере падает. Следом открывается продувочное окно и воздух заканчивает вытеснение выхлопных газов. Полный цикл завершен.
Наличие четырех поршневых групп обеспечивает избыточную надежность и высокую сбалансированность двигателя. По данной схеме возможно функционирование устройства с тремя и более цилиндрами.
Цель изобретения: двигатель с малым миделем, высоким крутящим моментом, с увеличенным ресурсом и высокой удельной мощностью и экономичностью, минимальными вибрациями для преимущественного использования в авиастроении в составе лопастного движителя, с возможностью работы без понижающего редуктора.
Технический результат заключается в применении длинноходовой двухтактной схемы работы аксиальной машины, особенностями которой являются использование в механизме преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вершины качающегося блока карданных подвесов и в применении комбинированных ступенчатых поршней совместно с ресивером, расположенным непосредственно между цилиндрами машины. Такая схема позволяет интенсифицировать процесс продувки цилиндров и обеспечить практически такой же КПД сгорания рабочей смеси, как и в четырехтактных поршневых схемах, сократить содержание СО в отработанных газах, уменьшить мидель машины, добиться большей удельной мощности и крутящего момента, простоты, надежности конструкции, снижения стоимости производства. В связи с указанными достоинствами наиболее перспективно использование машины в качестве авиационного двигателя с прямым приводом воздушного винта.
Благодаря противофазному ходу поршней и уменьшению инерции колеблющихся деталей, нагрузка на элементы аксиального механизма уравновешена, снижен уровень вибрации двигателя. Схема позволяет исключить массивные элементы, такие как маховики, обеспечивается высокая стабильность и управляемость машины, увеличивается крутящий момент на валу. При этом углы качания шатунов малы и, следовательно, боковая нагрузка на поршни невелика, что снижает потери на трение и износ поршневой группы.
Результатом изобретения является аксиальный двигатель с малым миделем, высоким крутящим моментом, с увеличенным ресурсом, высокой удельной мощностью и экономичностью, низким уровнем вибрации. В качестве механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала используется качающийся блок карданных подвесов и шатуны на шарнирах. Надежность и простота механизма обусловлена шарнирами с подшипниками, хорошо воспринимающими и распределяющими нагрузку. Механизм эффективно передает момент сил от поршней к валу, при этом колебания шатунов малы и, как следствие, снижается трение и износ поршневых групп. Уменьшение инерции колеблющихся и вращающихся масс и симметричная противофазная работа цилиндров обеспечивает крайне низкий уровень вибрации. Аксиальная схема расположения цилиндров задает малый мидель двигателя, а двухтактная схема работы двигателя способствует высокой удельной мощности. Эффективная продувка цилиндров с помощью сжатого воздуха из ресивера обеспечивает низкий уровень СО и высокую энергетическую отдачу за счет чистоты топливно-воздушной смеси. Совмещение накачивающего поршня с рабочим в одном поршне уменьшает количество деталей, улучшает массово-габаритные характеристики двигателя. Наиболее перспективным является использование двигателя, как авиационного, в составе лопастного движителя, причем благодаря высокому крутящему моменту из конструкции может быть исключен понижающий редуктор, что снижает массу и увеличивает надежность.
На Фиг. 2 и Фиг. 3 изображен внешний вид двигателя с малым мидельным сечением, спроектированного для применения в качестве силового агрегата лопастного движителя.
Благодаря малому размеру, высокой удельной мощности, экономичности и большому ресурсу, двигатель так же может примяться в различных устройствах, таких как силовые агрегаты машин и маломерных судов, насосы, компрессоры, электрогенераторы и т.д.