Аксиально-поршневой двигатель внутреннего сгорания
AXIAL-PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, к аксиально-поршневым двухтактным двигателям внутреннего сгорания.
Известен аксиально-поршневой двухтактный двигатель внутреннего сгорания (1) с внутренним смесеобразованием и ее воспламенением от электрической искры, он содержит пять цилиндров с параллельным расположением вдоль продольной оси выходного вала, на котором жестко закреплена косая шайба с качающейся крестовиной, шарнирно соединенная с шатунами, а шатуны шарнирно соединены с пятью поршнями. В нем система впуска и выпуска работает через окна, схожая с двухтактными двигателями.
Недостатком данного двигателя является сложное устройство механизма преобразующего возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение выходного вала.
Известен аксиально-поршневой двухтактный двигатель внутреннего сгорания (2), содержащий блок с четырьмя прямолинейными цилиндрическими цилиндрами с размещенными в них поршнями, расположенными параллельно вдоль продольной оси выходного вала. Наклонный диск прикреплен к выходному валу. Шатуны соединены с поршнями и толкателями с возможностью скольжения по несущей поверхности наклонного диска, вращающие выходной вал при перемещении поршней.
Недостатками данного аксиально-поршневого двигателя внутреннего сгорания, принятого за прототип, является то, что он обладает низким коэффициентом полезного действия и недостаточной литровой мощностью, а его прямолинейные цилиндрические цилиндры блока, выполненные параллельно вдоль продольной оси выходного вала, делают механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение выходного вала многозвенным, сложным по устройству, а корпус двигателя с увеличенными габаритными размерами и весом.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание аксиально-поршневого двухтактного двигателя внутреннего сгорания, касающееся повышения его коэффициента полезного действия, увеличения литровой мощности, упрощения его устройства, уменьшения габаритных размеров и веса и улучшения качества продувки полостей криволинейных цилиндров от отработавших газов после рабочих ходов с возможностью наддува.
Это достигается тем, что в аксиально-поршневом двухтактном двигателе внутреннего сгорания его корпус сборный и разъемный по его вертикальной оси А-А, состоящий из двух половин с шестью криволинейными цилиндрами, выполненными через 60° друг от друга вдоль продольной оси выходного вала с профилем поперечного сечения с углом 42° под криволинейные поршни. В правой половине корпуса криволинейные цилиндры выполнены открытыми в картерную полость корпуса, а в левой половине корпуса криволинейные цилиндры выполнены открытыми с наружной полусферической поверхности, которая плотно закрывается от прорыва газов полусферической крышкой корпуса, соединенные с правой половиной корпуса с их фиксацией от проворачивания шестью стяжными болтами. На полусферической крышке корпуса выполнены выпускные окна, сообщающиеся с внутренними полостями криволинейных цилиндров. Между криволинейными цилиндрами выполнены воздушные каналы для их охлаждения. В картерной полости корпуса криволинейных цилиндров размещен в подшипниках скольжения выходной вал с разъемным наклонным диском, выполненным под углом 17-18° к вертикальной оси корпуса, закрепленным на шлицах выходного вала стяжной гайкой. В прямоугольном пазу наклонного диска размещена пространственно-качающаяся шайба с шестью цилиндрическими пальцами, соединенными с криволинейными поршнями через их цилиндрические отверстия на внутренних поверхностях.
Отличительной особенностью от прототипа в аксиально-поршневом двухтактном двигателе внутреннего сгорания является то, что в нем нет традиционных объемов камер сгорания над криволинейными поршнями, находящимися в верхней мертвой точке и нет опорного осевого подшипника для выходного вала.
Опорным подшипником выходного вала является опорное конусное гнездо в левой половине корпуса открытых криволинейных цилиндров, в котором размещен упирающийся в него перепускной конусный распределитель, выполненный вместе с выходным валом для плотного закрывания открытых торцов криволинейных цилиндров от прорыва газов, прижимная сила и сила трения вращающегося перепускного конусного распределителя в его конусном гнезде уменьшается обратной газовой силой из полостей криволинейных цилиндров, действующей на его открытые закрывающиеся конусные поверхности. В аксиально-поршневом двигателе для очистки полостей криволинейных цилиндров от остаточных газов после прохождения рабочих ходов применен осевой турбонагнетатель, свободно насаженный на продленную полую часть выходного вала, закрепленного на нем гайкой с левой резьбой, вращающийся от выхлопных газов против вращения выходного вала, встречное вращение которых повышает давление нагнетаемого воздуха и увеличивает его скорость движения, для уменьшения скорости скольжения и силы трения между ними применена плавающая втулка. Нагнетатель турбонагнетателя размещен во внутренней полости вращающегося перепускного конусного распределителя, из которой чистый поток воздуха нагнетается им поочередно в полости криволинейных цилиндров через продувочное окно на конусной поверхности перепускного распределителя и выходит воздух через выпускное окно, вытесняя отработанные газы по наклонным газовым каналам крышки корпуса на турбину, размещенную в газовом кожухе с отводным патрубком, сообщающимся с атмосферой. Продувочное окно на конусной поверхности перепускного распределителя выполнено с углом 22°, вертикальная ось которого не доходит до нижней мертвой точки наклонного диска на 20° его угла поворота, сообщающее внутреннюю полость перепускного конусного распределителя с полостями криволинейных цилиндров корпуса, при этом осевая сила тяги воздушного нагнетателя дополняет отжимную газовую силу на уменьшение прижимной силы и силы трения перепускного конусного распределителя в конусном гнезде криволинейных цилиндров корпуса. Воздушный центробежный вентилятор выполнен вместе с маховиком, закрепленным на шлицах выходного вала винтом, ввернутым в его торец, примыкает к подводным воздушным каналам охлаждения криволинейных цилиндров корпуса двигателя, через которые происходит засасывание воздуха из атмосферы. Еще на наружной поверхности перепускного конусного распределителя выполнена 60° дугообразная перепускная канавка для очередных перепусков сжимаемой рабочей смеси в тактах сжатия из одной надпоршневой полости в другую надпоршневую полость криволинейных цилиндров против часовой стрелки в такты рабочих ходов, а для смазки наружной конусной поверхности вращающегося перепускного конусного распределителя в конусном гнезде корпуса криволинейных цилиндров на ней в ее нижнем основании выполнена кольцевая нагнетательная масленая канавка с лопастями, сообщающаяся с маслеными карманами картера и с шестью радиальными маслеными канавками, размещенные в конусном гнезде между криволинейными цилиндрами, раздвоенные при выходе на наружную полусферическую поверхность левой половины корпуса, которые через масленые канавки на боковых поверхностях криволинейных цилиндров правой половины корпуса они сообщаются с масленым картером. При этом масло при разбрызгивании в картере оседает в его карманах и самотеком стекает в кольцевую нагнетательную масленую канавку, из которой масло нагнетается лопастями вращающегося перепускного конусного распределителя по масленым канавкам в картер корпуса, а для исключения попадания нагнетаемого масла из радиальных канавок в полости криволинейных цилиндров на них в местах пересечения с перепускной дугообразной канавкой вращающегося перепускного конусного распределителя выполнены перепускные перемычки. Дополнительно наружная конусная поверхность перепускного распределителя смазывается горючей смесью, находящейся в полостях криволинейных цилиндров.
Воздухоочиститель с отводным газовым патрубком соединен с полусферической крышкой корпуса винтами, примыкающей к продленной части выходного вала, внутренняя полость которого сообщается с внутренней полостью перепускного конусного распределителя через его отверстия. Выпускные окна на полусферической крышке корпуса открываются криволинейными поршнями за 30° до нижней мертвой точки, а закрываются за 30° после нижней мертвой точки угла поворота выходного вала, продувочное окно перепускного конусного распределителя открывается за 25° до нижней мертвой точки, а закрывается за 50° после нижней мертвой точки угла поворота выходного вала, в аксиально-поршневом двигателе за один оборот выходного вала происходят шесть двухтактных рабочих циклов, в которых каждый рабочий ход перекрывается двумя другими рабочими ходами на 90° и на 30° угла поворота выходного вала, что придает ему высокую уравновешенность при работе.
Такое исполнение устройства двигателя позволяет повысить коэффициент полезного действия и литровую его мощность, получить малые весогабаритные показатели, упростить устройство, повысить надежность его работы, а качественная прямоточная продувка полостей криволинейных цилиндров от отработавших газов уменьшает период их очистки, увеличивает продолжительность рабочих ходов и повышает наполнение криволинейных цилиндров чистым воздухом с возможностью наддува.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где
на фиг. 1 показан аксиально-поршневой двигатель, общий вид в продольном разрезе;
на фиг. 2 показана правая половина корпуса двигателя в поперечном разрезе.
В аксиально-поршневом двухтактном двигателе внутреннего сгорания его корпус 1 сборный и разъемный по его вертикальной оси А-А состоит из двух половин 2, 3 с шестью криволинейными цилиндрами 4, выполненными через 60° друг от друга вдоль продольной оси выходного вала 5 с профилем поперечного сечения с углом 42° под криволинейные поршни 6. В правой половине 2 корпуса 1 криволинейные цилиндры 4 выполнены открытыми в картерную полость корпуса 1, а в левой половине 3 корпуса 1 криволинейные цилиндры 4 выполнены открытыми с наружной полусферической поверхности, которая плотно закрывается от прорыва газов полусферической крышкой 7 корпуса 1, соединены с правой половиной 2 корпуса 1 с их фиксацией от проворачивания шестью стяжными болтами 8 (фиг. 2). На полусферической крышке 7 корпуса 1 выполнены выпускные окна 9, сообщающиеся с внутренними полостями криволинейных цилиндров 4. Между криволинейными цилиндрами 4 выполнены воздушные каналы 10 (фиг. 2) для их охлаждения. В картерной полости корпуса 1 криволинейных цилиндров 4 размещен в подшипниках скольжения выходной вал 5 с разъемным наклонным диском 11, выполненным под углом 17-18° к вертикальной оси корпуса 1, закрепленным на шлицах выходного вала 5 стяжной гайкой 12. В прямоугольном пазе 13 наклонного диска 11 размещена пространственно-качающаяся шайба 14 с шестью цилиндрическими пальцами 15, соединенными с криволинейными поршнями 6 через их цилиндрические отверстия 16 на внутренних поверхностях.
Отличительной особенностью от прототипа в аксиально-поршневом двухтактном двигателе внутреннего сгорания является то, что в нем нет традиционных объемов камер сгорания над криволинейными поршнями 6, находящимися в верхней мертвой точке и нет опорного осевого подшипника для выходного вала 5.
Опорным подшипником выходного вала является опорное конусное гнездо 17, находящееся в левой половине корпуса открытых криволинейных цилиндров 4, в котором размещен упирающийся в него перепускной конусный распределитель 18, выполненный вместе с выходным валом 5 для плотного закрывания открытых торцов криволинейных цилиндров 4 от прорыва газов, прижимная сила и сила трения вращающегося перепускного конусного распределителя 18 в его конусном гнезде 17 уменьшается обратной газовой силой из полостей криволинейных цилиндров 4, действующей на его открытые закрывающиеся конусные поверхности.
В аксиально-поршневом двигателе для очистки полостей криволинейных цилиндров 4 от остаточных газов после прохождения рабочих ходов применен осевой турбонагнетатель 19, свободно насаженный на его продленную полую часть выходного вала 5, закрепленного на нем гайкой 20 с левой резьбой, вращающийся от выхлопных газов против вращения выходного вала 5, встречное вращение которых повышает давление нагнетаемого воздуха и увеличивает его скорость движения. Для уменьшения скорости скольжения и силы трения между ними применена плавающая втулка 21. Нагнетатель 22 турбонагнетателя 19 размещен во внутренней полости 23 вращающегося перепускного конусного распределителя 18, из которой чистый поток воздуха нагнетается им поочередно в полости криволинейных цилиндров 4 через продувочное окно 24 на конусной поверхности перепускного распределителя 18 и выходит воздух через выпускное окно 9, вытесняя отработанные газы по наклонным газовым каналам 25 крышки корпуса 1 на турбину 26, размещенную в газовом кожухе с отводным патрубком 27, сообщающимся с атмосферой. Продувочное окно 24 на конусной поверхности перепускного распределителя выполнено с углом 22°, вертикальная ось которого не доходит до нижней мертвой точки наклонного диска на 20° угла его поворота, при этом осевая тяговая сила нагнетателя дополняет отжимную газовую силу на уменьшение прижимной силы и силы трения перепускного конусного распределителя в конусном гнезде криволинейных цилиндров корпуса.
Воздушный вентилятор 28 центробежный выполнен вместе с маховиком 29, закрепленный на шлицах выходного вала винтом 30, ввернутым в его торец, примыкает к воздушным подводным каналам 10 охлаждения криволинейных цилиндров 4 корпуса 1 двигателя, через которые происходит засасывание воздуха из атмосферы. Еще на наружной поверхности перепускного конусного распределителя 18 выполнена 60° дугообразная перепускная канавка 31 для очередных перепусков сжимаемой рабочей смеси в тактах сжатия из одной надпоршневой полости в другую надпоршневую полость криволинейных цилиндров 4 против часовой стрелки в такты рабочих ходов, а для смазки конусной поверхности вращающегося перепускного конусного распределителя 18 в конусном гнезде корпуса криволинейных цилиндров на ней в ее нижнем основании выполнена кольцевая нагнетательная масленая канавка 32 с лопастями, сообщающаяся с маслеными карманами картера и с шестью радиальными маслеными канавками, размещенными в конусном гнезде 17 между криволинейными цилиндрами 4, раздвоенными при выходе на наружную полусферическую поверхность левой половины 3 корпуса 1, которые через масленые канавки на боковых поверхностях криволинейных цилиндров 4 правой половины 2 корпуса 1 сообщаются с масленым картером. При этом масло при разбрызгивании в картере оседает в его карманах и самотеком стекает в кольцевую нагнетательную масленую канавку 32, из которой масло нагнетается лопастями вращающегося перепускного конусного распределителя 18 по масленым канавкам в картер корпуса 1, а для исключения попадания нагнетаемого масла из радиальных канавок в полости криволинейных цилиндров 4 на них в местах пересечения с перепускной дугообразной канавкой 31 вращающегося перепускного конусного распределителя 18 выполнены перепускные перемычки.
Дополнительно наружная конусная поверхность перепускного распределителя 18 смазывается горючей смесью, находящейся в полостях криволинейных цилиндров 4. Воздухоочиститель 33 с отводным газовым патрубком 27 соединен с полусферической крышкой 7 корпуса 1 винтами, примыкающей к продленной части выходного вала 5, внутренняя полость 34 которого сообщается с внутренней полостью 23 перепускного конусного распределителя 18 через его отверстия 35.
Выпускные окна 9 на полусферической крышке 7 корпуса 1 открываются криволинейными поршнями 6 за 30° до нижней мертвой точки, а закрываются за 30° после нижней мертвой точки угла поворота выходного вала 5, продувочное окно 24 перепускного конусного распределителя 18 открывается за 25° до нижней мертвой точки, а закрывается за 50° после нижней мертвой точки угла поворота выходного вала 5, в аксиально-поршневом двигателе за один оборот выходного вала 5 происходят шесть двухтактных рабочих циклов, в которых каждый рабочий ход перекрывается двумя другими рабочими ходами на 90° и на 30° угла поворота выходного вала 5, что придает ему высокую уравновешенность при работе, при которой центробежный вентилятор 28 засасывает атмосферный воздух из воздушных полостей подводных каналов 10 охлаждения криволинейных цилиндров 6, примыкающих к нему, а нагнетаемый им нагреваемый воздух выводится в атмосферу через окна 36, находящиеся в правой половине корпуса 1.
Такое исполнение устройства двигателя позволяет повысить коэффициент полезного действия и литровую его мощность, получить малые весогабаритные показатели, упростить устройство, повысить надежность его работы, а качественная прямоточная продувка полостей криволинейных цилиндров 4 от отработавших газов уменьшает период их очистки, увеличивает продолжительность рабочих ходов и повышает наполнение криволинейных цилиндров чистым воздухом с возможностью наддува.
Аксиально-поршневой двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. При вращении выходного вала 5 его прямоугольный наклонный паз 13 наклонного диска 11 придает колебательные движения пространственно-качающейся шайбе 14, которая через свои цилиндрические пальцы 15, соединенные с криволинейными поршнями 6, приводит их к возвратно-поступательному движению, при этом в меняющихся объемах криволинейных цилиндров 4 совершаются термодинамические циклы работы двигателя внутреннего сгорания. Механизм связи поршней 6 с выходным валом 5 обладает свойством обратимости и поэтому сила давления газов преобразуется в крутящий момент на выходном валу 5. В нем после прохождения очередной прямоточной продувки каждой полости сквозных криволинейных цилиндров 4 от остаточных газов инерционным потоком чистого воздуха от осевого воздушного турбонагнетателя 19 через продувочное окно 24 перепускного конусного распределителя 18 и выпускные окна 9 и их очередного перекрытия сначала движущимися криволинейными поршнями 6, а затем вращающимся перепускным конусным распределителем 18 происходит сжатие чистого воздуха в каждой полости криволинейных цилиндров 4 с одновременной подачей топлива через форсунку низкого давления, которая прекращается при подходе криволинейного поршня 6 к верхней мертвой точке за 60° угла поворота выходного вала 5. С этого момента начинается перепуск сжимаемой рабочей смеси по перепускной дугообразной канавке 31 перепускного конусного распределителя 18 из одной надпоршневой полости криволинейного цилиндра 4 в другую надпоршневую полость криволинейного цилиндра 4 в такт рабочего хода.
При этом такт сжатия рабочей смеси заканчивается тогда, когда криволинейный поршень 6 в одном криволинейном цилиндре не доходит до верхней мертвой точки 30°, а в другом криволинейном цилиндре 4 он отходит от верхней мертвой точки также на 30° угла поворота выходного вала 5 в такт рабочего хода с воспламенением рабочей смеси от электрической искры свечи, при этом затраты энергии на перепуск сжимаемой рабочей смеси сводятся до минимума. В этот момент надпоршневые полости в сквозных криволинейных цилиндрах 4 становятся одинаковыми по своему объему со степенью сжатия 9-10. После воспламенения рабочей смеси в аксиально-поршневом двигателе внутреннего сгорания процесс сгорания протекает с некоторым отличием в сравнении с прототипом. С момента начала процесса сгорания рабочей смеси происходит перетекание сжимаемой рабочей смеси из передней уменьшающейся надпоршневой полости одного криволинейного цилиндра 4 в заднюю увеличивающуюся надпоршневую полость другого криволинейного цилиндра 4 в такт рабочего хода против часовой стрелки с одновременным ее сгоранием при максимальном давлении газов на криволинейный поршень 6 и в меньшем объеме в сравнении с прототипом в 1,5 раза при таком же угле поворота выходного вала 5. Перетекание рабочей смеси и ее сгорание заканчивается тогда, когда криволинейный поршень 6 в одном криволинейном цилиндре 4 подошел к своей верхней мертвой точке, а в другом криволинейном цилиндре 4 он отошел от верхней мертвой точки на 60° угла поворота выходного вала 5 в такт рабочего хода. При этом весь процесс расширения газов в полости криволинейного цилиндра 4 происходит в основном на большом плече поворота сходной поверхности прямоугольного паза наклонного диска выходного вала 5 и при повышенном давлении. Эти процессы, происходящие в полостях криволинейных цилиндров 4, повторяются поочередно по часовой стрелке через каждые 60° поворота выходного вала 5 с перекрытием каждого рабочего хода двумя другими рабочими ходами на 90° и на 30° угла поворота выходного вала 5 до конца рабочего хода, что увеличивает крутящий момент на выходном валу 5 аксиально-поршневого двигателя, повышает его мощность и придает двигателю высокую уравновешенность в его работе.
Источники информации
1. Аксиально-поршневой двигатель внутреннего сгорания DukeАМБС-1; Yandex, сайт Machinepedia.
2. Патент RU 2386047 С2 «Аксиально-поршневой двухтактный двигатель внутреннего сгорания», опубл. 10.04.2010 г. (прототип).