ДВС с противоположными цилиндрами, снабженный механизмом, изменяющим направление передачи усилий
INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH OPPOSITE CYLINDERS, EQUIPPED WITH A MECHANISM THAT CHANGES THE DIRECTION OF FORCE TRANSMISSION

Изобретение относится к поршневым машинам с кривошипно-шатунным механизмом привода и может быть использовано в их конструкциях.
Известен поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с приводом, содержащим цилиндр, картер, поршень, шатун, коленчатый вал [1].
Известна поршневая машина, преимущественно двигатель, снабженная прямилами Уатта, содержащая размещенные в корпусе и находящиеся в одной оси противоположные цилиндры, в которые помещены связанные штоками, движущиеся возвратно-поступательно поршни - прототип [2].
Известен кривошипно-ползунный направляющий механизм, в котором при равенстве звеньев, точка, находящаяся на конце звена и точка в оси ползуна, находящемся в неподвижных направляющих, описывают взаимно перпендикулярные прямолинейные траектории -механизм 1459 [3].
В ДВС поступательное движение поршня через шатун преобразуется во вращательное движение коленчатого вала в ряде последовательных подготовительных процессов, заканчивающихся циклом «рабочий ход».
Задачей предполагаемого изобретения является создание более компактного, по сравнению с прототипом, ДВС высокой удельной мощности с механизмом привода, обеспечивающим шатунные шейки коленчатого вала в циклах «рабочий ход» двусторонними нагрузками, передаваемыми на них посредством шатунов.
Технический результат достигается снабжением ДВС, с приводом, содержащим размещенные в корпусе и находящиеся в одной оси противоположные цилиндры, в которые помещены связанные штоками, движущиеся возвратно-поступательно поршни, механизмом, обеспечивающим, посредством толкателей и коромысел, шарнирно связанных со штоками поршней, передачу движения от поршней на тяги в перпендикулярном направлении.
На Фиг. 1 изображен разрез по осям цилиндров упрощенной модели ДВС без элементов, не относящихся к предмету данного изобретения.
На Фиг. 2 изображен разрез по осям цилиндров упрощенной модели ДВС без элементов, не относящихся к предмету данного изобретения, в возможном варианте конструктивного исполнения.
На Фиг. 3 изображена тяга и направляющие элементы для нее, имеющие антифрикционные накладки.
На Фиг. 4 изображены графики движения поршней.
На Фиг. 5 изображена модель многосекционного ДВС без элементов, не относящихся к предмету данного изобретения, с упрощенной и неполной детализацией.
Модель двигателя внутреннего сгорания, Фиг. 1, с приводом, содержащим размещенные в корпусе и находящиеся в одной оси противоположные цилиндры 2-1, 2-2, в которые помещены, связанные штоками 7 и движущиеся возвратно-поступательно поршни 8, коленчатый вал 3, имеющий шарнирную связь посредством шатуна 4 с тягой 5, которая шарнирно соединена с коромыслами 6, имеющими шарнирную связь со штоками 7 поршней 8, причем, двигатель снабжен толкателями 9, имеющими шарнирную связь с коромыслами 6 и кронштейном 10, закрепленном на корпусе 1, а тяга 5 снабжена, имеющими антифрикционные накладки 13, 14, направляющими 11, 12, закрепленными на корпусе 1, (см. Фиг. 3).
Модель ДВС, Фиг. 1, воспроизводит движения кривошипно-ползунного направляющего механизма 1459 [3], обеспечивающего в предлагаемом к рассмотрению приводе, преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала с изменением направления передачи усилий.
Длины звеньев механизма удовлетворяют условию АВ=ВС=BD. При движении звена 8 (поршня) в неподвижных направляющих 2 (цилиндр) точка D ползуна (поршня 8, связанного со штоком 7) движется по прямой Ad. Точка С звена 6 (коромысла) движется по прямой АС.
Тяги 5, Фиг. 3, перемещаются в направляющих 11 и 12, имеющих антифрикционные накладки 13 и 14. Направляющие 11 и 12 закреплены на корпусе группы цилиндров 2-1, что равнозначно закреплению их на корпусе 1. Снабжение тяг 5 направляющими 11 и 12 освобождает поршни 8, выполняющие возвратно-поступательные движения, от боковых нагрузок, передаваемых ими на стенки цилиндров 2, уменьшая потери мощности, расходуемой ДВС на преодоление сил трения.
При отсутствии направляющих 11 и 12 механизм передачи движения равномерно распределяет боковые нагрузки от силового процесса, происходящего в одном из четырех цилиндров, на все цилиндры группы, вследствие того, что коромысла 6 и толкатели 9, связанные с одной тягой 5, расположены симметрично средней плоскости разделения цилиндров на верхние и нижние ряды, а оси тяг 9, в кронштейнах 10 равноудалены от нее. Необходимость применения направляющих будет определена в процессе испытаний ДВС с предложенным приводом. Расчет потерь на трение поршней в цилиндрах и тяг в направляющих не производился.
При построении модели, изображенной на Фиг. 1, выбраны следующие соотношения основных элементов:
R=1 - радиус кривошипа коленчатого вала.
АВ=ВС=BD=0,96 - длины звеньев механизма преобразования движения.
АС=(1,71…3,71) - изменение положения точки С по отношению к неподвижной точке А, равное 2R.
L=2, 39 - ход поршня в цилиндре.
К=3,62 - расстояние между противоположными блоками цилиндров внутри ДВС.
При проектировании модели в составляющих ее деталях, примерно, выдержаны соотношения размеров, существующие в эксплуатирующихся в настоящее время ДВС.
Графики движения поршней, Фиг. 4 получены на основании выбранных в модели, Фиг. 1, соотношений.
Фиг. 4 демонстрирует положения поршней в цилиндрах в зависимости от угла поворота коленчатого вала.
Поршень в цилиндре 1, Фиг. 5 при движении от нижней мертвой точки (НМТ), проходя верхнюю мертвую точку (ВМТ), заканчивая движение в НМТ, воспроизводит кривую 1, изображенную на графике, Фиг. 4, которая показывает, что поршень ускоренно покидает НМТ, медленно приближается к ВМТ и медленно ее покидает, ускоренно приближается к НМТ, заканчивая цикл движения.
Поршень в цилиндре 5, Фиг. 5, при движении от НМТ, проходя ВМТ, заканчивая движение в НМТ, воспроизводит кривую 2, изображенную на графике, Фиг. 4, которая показывает, что поршень медленно покидает НМТ, ускоренно приближается к ВМТ и ускоренно ее покидает, медленно приближается к НМТ, заканчивая цикл движения.
Модель ДВС, Фиг. 1, с приводом, содержащим размещенные в корпусе и находящиеся в одной оси противоположные цилиндры, в которые помещены связанные штоками и движущиеся возвратно-поступательно поршни может быть исполнена, состоящей из нескольких секций. Например, на Фиг 5 изображена модель ДВС, состоящая из четырех секций. В ней поршни в цилиндрах 2 и 6 передают движение на шейку коленчатого вала, которая повернута на 180 градусов по отношению к шейке, на которую передают движение поршни 1 и 5. Из условий работы механизма предложенного привода, поршни в цилиндрах 1 и 6, 3 и 8, а также в цилиндрах 2 и 5, 4 и 7 одновременно достигают крайних мертвых точек, но движутся, то опережая соседнего по диагонали, то - отставая от него (см. графики, Фиг. 4). Этот эффект может быть использован для управления потоками газов в цилиндрах. Например, в цилиндрах, в их головках, могут быть выполнены каналы, соединяющие полости, где организованы и происходят одноименные процессы, с целью улучшения процесса смешивания топливно-воздушной смеси, или с целью более полного удаления отработавших газов.
Работа ДВС, с указанным выше приводом, заключается в преобразовании возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение выходного вала и происходит следующим образом.
В ДВС, Фиг. 1, с приводом, содержащим, размещенные в корпусе 1, двухрядные блоки цилиндров 2-1 и 2-2, помещенные в противоположные, в одной оси расположенные цилиндры 2, получающие энергию от теплового расширения газов, движущиеся возвратно-поступательно поршни 8, связанные штоками 7, посредством толкателей 9 и коромысел 6 передают движение на тяги 5, которые, посредством шатунов 4 заставляют вращаться коленчатый вал 3.
Предлагаемый к рассмотрению ДВС отличается компактностью, о чем свидетельствует размер К (см. Фиг. 1), простотой сборки, которая, в основном, может быть выполнена на одном из блоков цилиндров. Возможен вариант исполнения ДВС с разнесенными цилиндрами (см. Фиг. 2). Простая конструкция, малая материалоемкость позволит ему найти применение в машинах, используемых в транспортных и в стационарных силовых установках. Возможно, он может быть выполнен в исполнении, пригодном для применения на самолетах малой авиации.
Источники информации
1. А.С. Орлин, М.Г. Круглов. «Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей», Москва, «Машиностроение», 1990.
2. Патент на изобретение RU 2612868 С2, 2015.08.14. Поршневая машина, преимущественно двигатель, снабженная прямилами Уатта.
3. И.И. Артоболевский. «Механизмы в современной технике» в 7 томах, том 2, Москва, «Наука», 1979, стр. 467, механизм 1459.