ДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)
ENGINES (VERSIONS)

Изобретение относится в основном к двигателям внутреннего сгорания /далее ДВС/ всех типов, а также обратимым пневмогидромашинам.
Известны ДВС и машины с кинематикой типа "качающаяся шайба", состоящие из цилиндра, поршня, штока, качающейся шабы и углового вала.
При работе таких ДВС и машин во всех фазах вращения, кроме двух точек, шток не соосен цилиндру, что вызывает появление сравнительно больших радиальных и касательных /относительно вала/ боковых сил, прижимающих поршень к цилиндру. И хотя в двигателях с качающейся шайбой эти силы в несколько раз меньше, чем в кривошипно-шатунном, они вызывают износ поршней и цилиндров, потери мощности на трение, дополнительный нагрев поршней и цилиндров.
Есть подкласс таких двигателей и машин, в которых шток расположен в направляющей втулке. В них указанные боковые силы реализуются во втулке. Прототип - патент России №2059518.
Техническим результатом изобретения является снижение износа, повышение механического кпд, уменьшение нагрева, а также /вариант/ уменьшение габаритов, а также /вариант/ оптимизация рабочего процесса.
Поставленная задача достигается в части первого варианта двигателя тем, что в двигателе, состоящем из механизма качающейся шайбы, цилиндров и поршней, согласно изобретению вал выполнен прямым, имеющим косую поверхность, к которой прикреплен диск качающейся шайбы, при этом плоскость качающейся шайбы, на которой расположены точки крепления штоков, расположена от цилиндров дальше, чем точка изгиба оси вала.
Поставленная задача достигается также тем, что радиус качающейся шайбы до точек крепления на ней штоков может быть не равен расстоянию между осями цилиндра и вала.
Поставленная задача в части первого варианта достигается также тем, что точка крепления штока на качающейся шайбе может быть сдвинута по фазе относительно цилиндра.
Поставленная задача в части первого варианта достигается также тем, что качающаяся шайба может быть соединена с корпусом двигателя посредством шарнира равных угловых скоростей или шарнира Кардана, в частности со сквозным отверстием, закрепленного жестко или через продольно-подвижное соединение.
Поставленная задача в части первого варианта достигается также тем, что вал двигателя или качающаяся шайба могут быть на валу закреплены продольно-подвижно с возможностью управляемого или самоуправляемого изменения их положения.
Поставленная задача в части первого варианта достигается также тем, что вал или качающаяся шайба могут быть подпружинены упругим элементом в направлении к цилиндру и снабжены демпфером или поджаты гидроцилиндром с управляемым перепускным клапаном.
Поставленная задача в части первого варианта достигается также тем, что качающаяся шайба может иметь вид втулки с рычагом, а в цилиндре имеется прорезь для этого рычага.
Поставленная задача в части первого варианта достигается также тем, что шток может быть соединен с поршнем и качающейся шайбой посредством шарниров Гука.
Поставленная задача в части второго варианта двигателя достигается тем, что в оппозитном двигателе, состоящем из двух механизмов качающихся шайб, цилиндра и поршней, согласно изобретению оси изогнутых участков на угловом валу расположены со сдвигом по фазе относительно друг друга.
Поставленная задача в части второго варианта достигается также тем, что один или оба шарнира равных угловых скоростей или шарнира Кардана соединены с корпусом двигателя или с качающейся шайбой продольно-подвижным соединением.
Поставленная задача в части второго варианта достигается также тем, что встроенный нагнетатель в виде продольного цилиндра с поршнями, присоединенными к качающейся шайбе, может быть расположен с отставанием по фазе на 150-250°.
Поставленная задача в части второго варианта достигается также тем, что несколько востренных нагнетателей могут быть соединены коллектором-накопителем.
Поставленная задача в части второго варианта достигается также тем, что угловой вал может быть выполнен с двумя утолщениями в виде наклонного цилиндра.
Поставленная задача в части второго варианта достигается также тем, что угловой вал может быть выполнен с двумя утолщениями, к которым крепятся проставки с одной поверхностью в виде основания наклонного цилиндра.
Поставленная задача в части второго варианта достигается также тем, что угловой вал может быть выполнен из трех частей, и оконечные из них соединены со средней частью через диск качающейся шайбы по поверхностям в виде оснований наклонного цилиндра.
Поставленная задача в части второго варианта достигается также тем, что может иметь турбонаддув, компрессор которого соединен с турбиной и/или стартером, и/или валом двигателя через обгонную муфту.
Поставленная задача в части второго варианта достигается также тем, что угловой вал или часть его могут быть закреплены с возможностью управляемого сдвига в продольном направлении.
Поставленная задача в части третьего варианта достигается тем, что в двигателе, состоящем из механизма качающейся шайбы, цилиндров и поршней и вала с изогнутой и прямой частями, согласно изобретению ось вала и ось изогнутой части перекрещиваются в пространстве.
Чтобы понять сущность первого варианта изобретения, рассмотрим обратную (относительно вала, то есть считаем вал неподвижным, а корпус двигателя и качающуюся шайбу вращающимися) траекторию движения цилиндра и точки крепления штока на плоскости качающейся шайбы (см. фиг.1). Здесь и далее: точка О - ось вала, тонкая линия - окружность движения центра цилиндра А, толстая линия - траектория движения точки В крепления штока к качающейся шайбе, пунктирная линия - вспомогательная, отрезок АВ - плечо несоосности вала и штока. Как видно из фиг.1, плечо максимально в нижней и, самое главное, в верхней мертвой точке (далее - ВМТ), где давление в цилиндре, а следовательно, усилие в паре "цилиндр - поршень" близко к максимальному.
В практическом диапазоне нагрузок считается, что износ в первом приближении пропорционален четвертой степени нагрузка. То есть износ в фазе горения и активного расширения (приблизительно 0-60 от ВМТ в зависимости от типа двигателя и режима работы) с учетом влияния на износ и скорости движения поршня примерно в 10000 раз больше, чем в оставшейся части цикла, особенно двухтактного. А с учетом инерционных сил и упругости поршневых колец - примерно в 1000 раз (более точные цифры можно получить только опытным путем).
То есть для снижения трения и его последствий надо обеспечить максимальную соосность вала и штока в упомянутом износоопасном интервале 0-60°, мало принимая во внимание несоосность в других фазах цикла, но все же не допуская отклонения штока более чем на 15-20°.
Для каждого двигателя этот интервал свой. Режим работы следует рассматривать максимальный, как наиболее износоопасный.
Для достижения указанной локальной соосности возможны 4 способа:
Способ 1. Следует сдвинуть проекцию качающейся шайбы в сторону ВМТ, т.е. плоскость качающейся шайбы, на которой расположены точки крепления штоков, расположена от цилиндров дальше, чем точка изгиба оси вала (см фиг.2). Габариты при этом не увеличиваются, так как фактически можно приблизить точку изгиба вала.
Способ 2. Уменьшить несоосность на нужном участке можно и увеличением радиуса качающейся шайбы (до точек крепления на ней штоков), см. фиг.3, где вспомогательная пунктирная линия - увеличенный радиус качающейся шайбы. Причем при совокупном применении 1 и 2 способов возможен вариант, когда радиус качающейся шайбы можно наоборот уменьшить.
Способ 3. Из фиг.2 и 3 видно, что дальнейшего уменьшения несоосности можно добиться сдвигом проекции качающейся шайбы на обратной характеристике вбок (влево или вправо на чертеже в зависимости от увеличения или уменьшения радиуса качающейся шайбы). То есть сдвигом в пространстве оси изогнутой части углового вала относительно оси вала, т.е. их оси не пересекаются, а перекрещиваются в пространстве. Причем в зависимости от того, увеличен или уменьшен радиус качающейся шайбы сдвиг может быть как вправо, так и влево (положительный или отрицательный относительно направления вращения).
В варианте двигателя со встроенным нагнетателем (см. ниже) большое смещение выбирать не следует, т.к. износоопасная зона нагнетателя находится во втором квадранте.
Способ 4. Визуальное совпадение траекторий на обратной характеристике еще не означает отсутствия несоосности, так как плечо несоосности может быть касательно к траектории. Для максимального уменьшения несоосности в упомянутом износоопасном интервале точки крепления штоков на качающейся шайбе следует расположить со сдвигом по фазе относительно цилиндров двигателя (фиг.4 - углы α и β).
Фазность определяется в поперечном к валу положении качающейся шайбы. Причем в зависимости от выбора предыдущих трех факторов сдвиг может быть положительным или отрицательным.
При совместном применении всех 4 способов можно добиться минимальной несоосности в износоопасном участке траектории.
Желательно так подобрать сочетание указанных 4 способов, чтобы обратная траектория точки В (толстая линия) полностью лежала внутри или снаружи круга, описываемого точкой А, и касалась его в износоопасной зоне. При этом не будет происходить перекладка поршня. Но и пересечение траекторий с небольшим плечом несоосности не опасно, так как угловое отклонение штока будет очень небольшим (доли градуса), и перекладка поршня будет происходить очень мягко.
Изобретение не подразумевает единственного решения даже для одного и того же двигателя. Возможно поле решений, когда различным сочетанием указанных 4 способов можно добиться примерно одинакового эффекта. Тем более решения будут разными для разных типов двигателей и разных условий их эксплуатации.
Все известные способы фиксации качающейся шайбы от угловых перемещений имеют различные недостатки: несинфазность при работе, массивность или шумность. В данном двигателе качающаяся шайба соединена с корпусом двигателя шарниром равных угловых скоростей (далее - ШРУС), закрепленным жестко или продольно подвижным соединением, например шлицевым. То есть с возможностью воспринимать только крутящий момент или еще и осевое усилие.
Сравнительно большой допускаемый диаметр ШРУС делает особенно целесообразным применение ШРУС из спаренных рычагов (см. Артоболевский И.И. «Механизмы в современной технике», М., «Наука», 1979, механизм №762).
Качающаяся шайба может быть соединена с корпусом также шарниром Кардана. Он при работе вносит небольшие фазные искажения положения качающейся шайбы относительно корпуса. Но при небольшом угле перекоса качающейся шайбы (10-15°) эти искажения не столь существенны.
Для изменения степени сжатия в зависимости от сорта топлива или режима работы двигателя угловой вал или качающаяся шайба закреплены продольно-подвижно. Сдвиг качающейся шайбы приводит к незначительному отклонению ее траектории на обратной характеристике от оптимальной, поэтому лучше и удобнее сдвигать вал. Сдвигать можно исполнительным механизмом по программе борткомпьютера, но возможен и упрощенный вариант.
А именно: в большинстве видов ДВС оптимальный рабочий процесс происходит при одном и том же максимальном давлении. Это позволяет конструктивно просто обеспечить автоматическое поддержание оптимального рабочего процесса при изменении режима работы. Для этого в данном двигателе продольно-подвижно закрепленный вал или качающаяся шайба подпружинены пружиной с параллельным гидравлическим демпфером в направлении к цилиндру, или поджаты гидроцилиндром с перепускным клапаном. При этом во время работы будет происходить самоустановка вала относительно блока цилиндров. Для изменения степени сжатия перепускной клапан может быть регулируемым.
Для уменьшения продольного габарита двигателя качающаяся шайба выполнена в виде втулки с радиальным рычагом, а в стенке цилиндра имеется прорезь для этого рычага. Прорезь не доходит до рабочей зоны цилиндра.
В известных двигателях с качающейся шайбой штоки крепятся к поршням и качающейся шайбе шаровыми шарнирами, что не всегда удобно. В частности, затрудняет ориентацию замка поршневых колец относительно окон цилиндра. В данном двигателе эти соединения выполнены посредством шарниров Гука.
Известны двигатели с двумя оппозитными поршнями в одном цилиндре. Их преимущества хорошо известны: хорошая сбалансированность, замыкание продольных усилий на валу, малая поверхность охлаждения, возможность организовать в двухтактных двигателях линейную продувку от одного конца цилиндра к другому без применения клапанов.
В данном двигателе (вариант) в одном цилиндре оппозитно расположены два поршня, которые движутся со сдвигом по фазе относительно друг друга (см. диаграммы на фиг.7, 8), для чего две качающиеся шайбы расположены на угловом валу со сдвигом по фазе.
Для прохода вала по крайней мере один из ШРУС имеет сквозное отверстие.
При этом ВМТ и НМТ получаются вполне определенными, но как бы плавающими, при сближении и расхождении поршней геометрическая середина расстояния между ними смещается по цилиндру влево-вправо от середины цилиндра (см. фиг.8).
Наибольшие преимущества это дает двухтактным двигателям. Причем при сдвиге поршней по фазе в ту или иную сторону получаются разные, но одинаково ценные преимущества. Рассмотрим вариант, когда отстает по фазе поршень П1 у впускного окна (см. диаграмму на фиг.6, где отстающая фаза расположена правее опережающей). Это дает возможность увеличить фазу наполнения относительно фазы выпуска.
Для описания процессов в таком двигателе потребуется ввести 2 новых термина - "фаза наполнения" и "фаза наддува", так как в таком двигателе впускное окно закрывается позже выпускного, что совершенно невозможно в обычном двухтактном двигателе. То есть после продувки, когда открыты оба окна, следует дозаполнение цилиндра - фаза наддува. Продувка и наддув вместе образую фазу наполнения (в обычных двухтактных двигателях фаза наполнения равна фазе продувки).
Если в обычных двухтактных ДВС выпуск вынужденно всегда больше продувки и составляет в среднем 150°, а продувка в среднем 120°, то в данном ДВС возможно равное время впуска и выпуска, или даже время впуска больше, чем время выпуска, что невозможно в обычных двухтактных ДВС.
См. диаграмму на фиг.6, где фаза выпуска - 100°, фаза наполнения -100°, т.е. продувка - 80°, наддув - 20°.
Это дает возможность увеличить фазу рабочего хода (например, со 105° до 120° на фиг.6) и, следовательно, увеличить кпд ДВС, и улучшить наполнение цилиндра воздухом или рабочей смесью, да еще и поджать ее, что приведет к увеличению литровой удельной мощности.
Более того, впускное окно закрывается позже выпускного и появляется возможность турбонаддува двухтактного двигателя.
Продувка в таком двигателе может быть организована четырьмя способами. Во-первых, традиционно: из подпоршневого пространства, ограниченного дном с вытеснителем и направляющей втулкой (шток при этом должен быть составным). Или может осуществляться от отдельного нагнетателя трех основных типов:
а) от встроенного нагнетателя, то есть от продольных облегченных цилиндров с поршнями, присоединенными к тем же качающимся шайбам. Причем в отличие от подпоршневого нагнетателя, вынужденно работающего точно в противофазе к рабочему цилиндру, встроенный нагнетатель может работать в фазе, обеспечивающей наилучшее наполнение цилиндра, например, с отставанием на 210°. А в многоцилиндровом двигателе несколько нагнетателей могут работать на общий коллектор-накопитель, выполняющий функцию ресивера;
б) от выносного нагнетателя, расположенного на выходном валу двигателя. Нагнетатель может быть объемного типа (лопаточный, шестеренчатый) или динамического (центробежный, продольно-осевой). Причем последние могут быть соединены с валом через вариатор.
в) от турбонаддува. При этом компрессор во время пуска должен вращаться стартером, например, через обгонную муфту. Чтобы при этом напрасно не вращать турбину, компрессор может быть соединен с ней также через обгонную муфту.
При этом турбина в выпускном тракте может выполнять функцию отражателя настроенного выхлопа.
Применение динамического нагнетателя или турбонаддува особенно целесообразно для двигателей, работающих преимущественно на номинальных оборотах: авиационных, судовых, электрогенераторных. Возможно сочетание способов, например, динамического нагнетания и турбонаддува: на холостых и малых оборотах компрессор приводится в действие от выходного вала двигателя, а после определенных оборотов - турбиной.
Предлагаемый оппозитный двухтактный двигатель в варианте с традиционной продувкой из подпоршневого пространства, кроме указанного основного преимущества (фазы), имеет еще одно существенное преимущество: вследствие малых нагрузок в паре поршень - цилиндр (а при плавающем креплении штока к поршню - полном отсутствии этих нагрузок, они будут замыкаться в направляющей втулке) содержание масла в бензине может быть уменьшено до 0,5-0,25%, так как все детали кинематики кроме цилиндра могут смазываться в масляном картере.
А в варианте с нагнетателем предлагаемый двигатель будет иметь еще 6 преимуществ: во-первых, полное отсутствие масла в топливе, и, кроме того, если объем продувочного воздуха будет значительно больше рабочего объема цилиндров, то:
а) будет быстрая, короткая /80-60°/ продувка из коллектора-накопителя;
б) будет происходить внутреннее воздушное охлаждение цилиндра и поршней;
в) будет происходить наддув двигателя;
г) будет происходить дожигание выхлопных газов в выпускном тракте избыточным поступлением воздуха, т.е. повышение экологичности ДВС;
д) возможна реализация дизельного цикла, так как возможна подача чистого воздуха, а не топливовоздушной смеси.
При этом в бензиновых двигателях обязателен непосредственный впрыск топлива или инжекторное топливораспределение. При карбюраторном топливоснабжении объем продуваемого воздуха должен быть примерно 90% от рабочего объема, и часть преимуществ будет потеряна.
При сдвиге поршней по фазе (вариант), когда отстает поршень П2 у выпускного окна, и фаза выпуска получается намного больше фазы продувки, появляется возможность реализовать цикл с продолженным расширением.
Часть воздуха после продувки вытесняется в выпускной тракт и поэтому объем сжимаемого воздуха меньше объема, до которого расширяются газы при рабочем ходе. Например, на фиг.7 при сдвиге по фазе 30°, фазе продувки 80° и фазе выпуска 180° объем расширения примерно в 1,7 раза больше объема сжатия.
Цикл с продолженным расширением снижает удельную литровую мощность, что может быть легко компенсировано, но зато имеет очень актуальные в наше время преимущества: высокий кпд, более полное сгорание топлива, меньший звук выхлопа.
Для технологичности угловой вал может быть выполнен в виде прямого вала с двумя утолщениями с одной косой поверхностью, к которой крепится диск качающейся шайбы. Или утолщения могут быть с поперечными к валу поверхностями, к которым крепятся проставки с одной косой поверхностью. Или вал может состоять из трех частей, крайние из которых соединяются со средней по косым поверхностям, зажимая при этом диск качающейся шайбы.
Изобретение поясняется при помощи чертежей:
На фиг.1-4 изображен первый квадрант траекторий двигателя с качающейся шайбой: на фиг.1 - обычного (прототип); на фиг.2 - с качающейся шайбой, сдвинутой от цилиндров; на фиг.3 - с качающейся шайбой увеличенного диаметра; на фиг.4 - с качающейся шайбой, сдвинутой по всем четырем способам.
На фиг.5 изображен цилиндр 1 со щелью 2, через которую проходит рычаг 3.
1
2
На фиг.6 и 7 изображены диаграммы работы несинфазного оппозитного двигателя, где П1 - положение поршня П1 у впускного окна цилиндра, ω - фаза его движения, П2 - положение поршня П2 у выпускного окна, ω - фаза его движения.
На фиг.8 изображен оппозитный несинфазный двигатель с качающейся шайбой в варианте с выносным нагнетателем. Нагнетатель, окна, коллекторы, кожухи и прочие вспомогательные детали не показаны.
Пример конкретного выбора траектории точки крепления штока на качающейся шайбе. Выбран угол перекоса 30°, траектория сдвинута в сторону ВМТ на 10% от расстояния между осями вала и цилиндра, для чего плоскость качающейся шайбы сдвинута по изогнутой части углового вала от цилиндров на 20% от упомянутого расстояния. Расстояние скрещивания осей углового вала составляет 7% от упомянутого расстояния. Фаза качающейся шайбы сдвинута в сторону вращения траектории на 2°18'. При этом произошло хорошее совпадение траекторий в износоопасной зоне 0-60°, и полная соосность в точке АВ.
Пример выбора работы оппозитного несинфазного двухтактного двигателя (см. фиг.6). Выбран сдвиг по фазе в сторону запаздывания поршня П1 у впускного окна на 20°. Фазы открытия впускного и выпускного окон выбраны равными - по 100°. При этом фаза выпуска составит 20°, фаза наполнения - 100°, из которых продувка - 80°, наддув - 20°, фаза рабочего хода - 120°.
Пример конструктивного выполнения двухтактного оппозитного несинфазного двигателя с нечетным числом цилиндров. Двигатель состоит из корпуса 4 с цилиндрами 1. В корпусе непосредственно или на подшипниках 5 или 6 (показаны все три варианта) закреплен угловой вал 7. На валу имеются утолщения 8 с наискось отфрезерованными или обточенными поверхностями, к которым болтами 9 прикреплены диски 10. На дисках на подшипниках качения 11 заранее закреплены качающиеся шайбы 12 в виде П-образного в сечении кольца. На кольце имеются рычаги 3, которые штоками 13 с шаровыми шарнирами 14 соединены с поршнями 15.
Правая сторона чертежа повернута так, чтобы в плоскость разреза попали рычаги 16, 17 рычажного ШРУС. Рычаги соединены плоскими шарнирами 18 с корпусом двигателя и с качающейся шайбой, а между собой - шаровыми шарнирами 19. Рычагов может быть две или более пары.
В конструкции двигателя есть одна особенность: расчетные расстояния между элементами ШРУС по валу, по корпусу и положение вала в корпусе должны быть позиционированы с точностью не хуже 0,1 мм, что может быть выполнено с помощью регулировочных прокладок.
Работает двигатель так: при вращении вала 7 диски 10, совершая вращение с биением (так называемая восьмерка), периодически перекашивают качающиеся шайбы 12, вращению которых препятствуют рычаги 16, 17.
При круговых колебаниях качающихся шайб соединенные с ними штоки 13 придают поршням 15 возвратно-поступательное движение. При этом в межпоршневом пространстве цилиндра последовательно происходят фазы двухтактного цикла: сжатие - воспламенение - рабочий ход (расширение) - выпуск - продувка - наддув (если он предусмотрен). Цикл повторяется.
Двигатель позволяет производить перенастройку прямо во время работы, сдвигая часть углового вала (по шлицам) или весь вал целиком, можно менять степень сжатия и фазы открытия окон. А сдвигая один из шарниров (ШРУС или Кардана) шайбы, можно менять сдвиг по фазе, при этом несколько меняется и степень сжатия.