ДВУХТАКТНЫЙ АКСИАЛЬНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к двигателестроению, в частности, к двухтактным поршневым двигателям внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использована в различных энергетических установках, автомобилях, летательных аппаратах, речных и морских катерах и т.п.
Известны двухтактные поршневые ДВС [Попык К.Г. Конструирование и расчет автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа, 1973. 400 с,; Учебник под ред. Орлина А.С., Круглова М.Г. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых двигателей. М.: Машиностроение, 1980. 288 с.] с однорядным или двухрядным расположением цилиндров, поршней и кривошипношатунных механизмов, передающих мощность и крутящие моменты на выходной вал двигателя, и от него к потребителям энергии.
Известны конструкции аксиально-поршневых ДВС (АПДВС) [а.с. СССР №761771, МПК F16H 21/18, опубликовано 07.09.1980; а.с. СССР №689624, МПК F02B 75/26, опубликовано 30.09.1979], содержащие корпус, блок цилиндров, камеры сгорания, поршни, размещенные в цилиндрах, систему топливоподачи, при этом вал двигателя имеет наклонный участок, на который воздействует наклонная качающаяся шайба к которой с помощью шатунов и сферических шарниров прикреплены поршни. Недостатком таких АПДВС являются известные конструктивные сложности в создании долговечных сферических шарниров, трудности в балансировке двигателя. Все это удорожает конструкцию двигателя, уменьшает его к.п.д. и снижает надежность конструкции.
Наиболее близким техническим решением является АПДВС [а.с. СССР №1375892, МПК F16H 23/00, опубликовано 23.02.1980], содержащий корпус, блок цилиндров, поршни, размещенные в цилиндрах, камеры сгорания, шатуны, присоединенные цилиндрическими шарнирами к поршням и к наружной качающейся рамке, которая в свою очередь шарнирно соединяется с внутренней рамкой, установленной на наклонном кривошипе выходного вала, к которому подключены потребители энергии. К недостаткам прототипа следует отнести то, что такая схема двухтактного двигателя имеет неэффективную систему образования рабочей смеси, ее горения, и эта конструкция имеет значительные потери механической энергии из-за больших контактных нагрузок трущихся деталей и низких экологических показателей, присущих двухтактным двигателям. Помимо этого, повышенная теплонапряженность поршня со стороны выпуска выхлопных газов приводит к его прогоранию.
Задачей полезной модели является повышение к.п.д. двигателя, его экологичности, а также надежности и долговечности за счет улучшения конструкции двигателя и повышения эффективности рабочего процесса.
Поставленная задача решается двухтактным аксиально-поршневым двигателем внутреннего сгорания, содержащим корпус, блок цилиндров с входными продувочными и выхлопными отверстиями, поршни, размещенные в цилиндрах, камеры сгорания, шатуны, прикрепленные цилиндрическими шарнирами к поршням и к наружной рамке, которая в свою очередь шарнирно прикреплена к внутренней рамке, установленной на наклонном кривошипе выходного вала, к которому подключены потребители энергии, в котором все цилиндры двигателя расположены таким образом, что расстояние от осей цилиндров до оси двигателя равно h=(R+Rcosα):2, где R - расстояние от центра шарнира крепления шатуна к наружной рамке до оси ее крепления к корпусу двигателя, α - угол между осью кривошипа и перпендикуляром к оси вала двигателя, причем входные продувочные отверстия для продувки и заполнения цилиндров воздухом выполнены наклонными в одну сторону по окружности цилиндра и образуют завихритель входящего воздуха в цилиндре, а камера сгорания образована вогнутыми торцевыми поверхностями поршней.
Совокупность перечисленных признаков полезной модели позволяет организовать высокоэффективный двухтактный цикл и получить высокий к.п.д. Сопоставительный анализ с прототипом показал, что заявленный двигатель отличается от известного расположением цилиндров в двигателе, наличием системы воздушной продувки цилиндров с повышением экологических показателей, понижением температуры выхлопных газов, за счет их более полного расширения, также исключается прогар поршней при выходе выхлопных газов. Все эти признаки обеспечивают соответствие полезной модели критерию новизна.
1
2
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена принципиальная схема предлагаемого АПДВС, на фиг.2 геометрическая иллюстрация принципа установки цилиндров в двигателе. АПДВС состоит из корпуса 1, вала 2 с наклонными кривошипами 3, на которых расположены внутренние рамки-втулки 4, шарнирно соединенные с наружными рамками 5, совершающими колебательные движения в подшипниках корпуса вокруг точек O и O. К рамкам 5 с помощью цилиндрических шарниров прикреплены шатуны 6, а к их противоположным концам также цилиндрическими шарнирами прикреплены поршни 7, которые размещаются внутри цилиндров 8 двигателя. На фиг.1 также показаны входные продувочные отверстия 9, камера сгорания 10, расположенная между вогнутыми, торцевыми поверхностями поршней 7, форсунка 11 и выхлопные отверстия 12.
Установка цилиндров в двигателе, фиг.2, осуществляется таким образом, что центральная ось располагается от оси двигателя на расстоянии
мах
мах
где R - расстояние от центра шарнира крепления шатуна к наружной рамке до оси ее крепления к корпусу двигателя; α - угол между осью кривошипа и перпендикуляром к оси вала двигателя. При такой установке цилиндров угол наклона шатуна к оси цилиндров минимален, и его наибольшее значение равно  где а=АВ - длина шатуна. Такое значение угла ψ будет, когда шатунный шарнир, расположенный в наружной рамке, будет находиться в точке К. Расчеты показывают, что для реальных конструкций АПДВС при учете зависимости (1) угол ψ (2) равен 1,5-2°, что практически исключает боковые нагрузки на поршень и снижает механические потери, вибрацию и значительно уменьшает износ трущихся деталей.
1
2
Работа двухтактного АПДВС осуществляется следующим образом. Когда поршни максимально удалены друг от друга, как это показано в нижнем цилиндре на фиг.1, свежий закрученный воздух через входные продувочные отверстия 9, выполняющие функцию завихрителя, от объемного накопителя (на схеме не показан) поступает в цилиндр 8 и выдавливает выхлопные газы, которые покидают цилиндр через выхлопные отверстия 12. Через небольшой промежуток времени все отверстия закроются, и начнется сжатие воздуха. Наличие завихрителя воздуха обеспечит высокую степень турбулизации воздуха и рабочей смеси после впрыска топлива через форсунки 11, повышенную полноту сгорания топлива. Имеется возможность работать на бедных смесях, что обеспечивает экономию топлива. Далее происходит рабочий ход. Поршни давят на наружные рамки 5, они поворачиваются вокруг осей O и O, перпендикулярных плоскости фиг.1. Затем наружная рамка 5 через внутреннюю рамку 4 давит на наклонный кривошип 3, который обеспечивает регулярное вращение валу 2 двигателя. При окончании рабочего хода поршни приходят в крайние положения. Сначала правый поршень открывает выхлопные отверстия 12. Затем открываются входные продувочные отверстия 9, и цилиндр заполняется свежим воздухом. Процесс повторяется.
Использование предлагаемой полезной модели обеспечит лучшую эффективность работы двигателя - повышение к.п.д., ресурса работы, уменьшение расхода топлива и повышение экологичности за счет:
- предложенной геометрической установки цилиндров двигателя, исключающей вибрацию благодаря полному уравновешиванию сил отдвижущихся деталей двигателя, отсутствию боковых сил при работе поршней;
- использования входных продувочных отверстий в качестве завихрителя воздуха для продувки цилиндров двигателя.