ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ)
INTERNAL COMBUSTION ENGINE (VERSIONS)

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано при конструировании, изготовлении и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания модульного типа для беспилотных и сверхлегких летательных аппаратов, например мотопарапланов.
Известен авиационный двухтактный рядный шестицилиндровый двигатель с противоположно движущимися поршнями в цилиндрах, состоящий из блока, в котором помещены цилиндровые втулки, верхний и нижний коленчатые валы и опоры передней передачи, передней крышки, в которой расположены вторые опоры передней передачи и вал воздушного винта, верхней и нижней крышек картера. Оба коленчатых вала соединены между собой посредством пяти цилиндрических колес, два крайних из которых закреплены на коленчатых валах, одно на валу втулки винта и два паразитных колеса на отдельных осях (Т.М. Мелькумов. Авиационные дизели. - М.: Госвоениздат наркомобороны СССР, 1940, с.172-194).
Недостатком известного двигателя является низкий механический КПД. Кроме того, значительная масса двигателя, обусловленная в том числе большим количеством зубчатых колес с валами, осями и опорами, находящихся в зацеплении, влечет уменьшение мощности двигателя и снижает его надежность.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является четырехтактный бензиновый двигатель внутреннего сгорания жидкостного охлаждения, имеющий корпус, содержащий блок, в котором расположены четыре пары сопряженных цилиндров, к торцам которых примыкают разъемные картеры с размещенными в них коленчатыми валами, перпендикулярно расположенными к осям цилиндров, при этом одна часть картера выполнена заодно со стенками блока цилиндров, а другая часть выполнена в виде крышки картера, объединяющей все опоры коленчатого вала, переднюю крышку корпуса, в которой размещены передние опоры коленчатых валов и короткого вала, имеющего вторую опору на переднем торце блока. Оба коленчатых вала соединены между собой посредством передней передачи, состоящей из трех цилиндрических зубчатых колес, оси которых лежат в одной плоскости, при этом два крайних зубчатых колеса имеют одинаковое число зубьев и закреплены на передних концах коленчатых валов, а центральное зубчатое колесо закреплено на коротком валу. Зубчатые колеса могут быть выполнены сменными и разного диаметра (патент США №1889946 кл. 123-51 за 1932 г.).
К недостаткам известного двигателя можно отнести значительную массу, затрудненные быстрый монтаж и демонтаж зубчатых колес. Опоры коленчатого вала выполнены с подшипниками скольжения, обладающими большим трением, что снижает механический КПД, уменьшает мощность и надежность двигателя. Подшипники расположены не через каждый цилиндр, что увеличивает прогиб коленчатого вала, также снижая надежность работы. Общая для всех опор крышка картера увеличивает массу, затрудняет непосредственный доступ к каждому подшипнику и контроль качества сборки. Кроме того, ввиду фиксированной мощности известного двигателя сужена область его применения, в частности невозможно использовать в качестве силовой установки для сверхлегких и беспилотных летательных аппаратов.
Задачей изобретения является создание надежного двигателя внутреннего сгорания, в том числе модульного типа, достаточной мощности (при сниженной массе) для использования, например, в сверхлегких и беспилотных летательных аппаратах.
Поставленная задача решается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, включающем корпус, имеющий, по крайней мере, пару сопряженных цилиндров, к торцам которых примыкают разъемные картеры с размещенными в них коленчатыми валами, перпендикулярно расположенными к оси цилиндра, и передачу, включающую три цилиндрических зубчатых колеса, оси которых лежат в одной плоскости, при этом два крайних зубчатых колеса имеют одинаковое число зубьев и закреплены на передних концах коленчатых валов, а центральное зубчатое колесо расположено между ними, согласно новому техническому решению сопряженные цилиндры имеют общую головку, на торце которой консольно закреплена опорная ось с расположенной на ней ступицей, на которой с одной стороны закреплено центральное зубчатое колесо, а с другой - потребитель мощности.
Поставленная задача решается также тем, что в двигателе внутреннего сгорания, включающем корпус, имеющий, по крайней мере, пару сопряженных цилиндров, к торцам которых примыкают разъемные картеры с размещенными в них коленчатыми валами, перпендикулярно расположенными к оси цилиндра, и передачу, включающую три цилиндрических зубчатых колеса, оси которых лежат в одной плоскости, при этом два крайних зубчатых колеса имеют одинаковое число зубьев и закреплены на передних концах коленчатых валов, а центральное зубчатое колесо расположено между ними, согласно новому техническому решению дополнительно введен, по меньшей мере, один соосно расположенный корпус, сопряженные цилиндры каждого из корпусов имеют общую головку, на торце которой консольно закреплена опорная ось с расположенной на ней ступицей, на которой с одной стороны закреплено центральное зубчатое колесо, а с другой - потребитель мощности, при этом выходные концы коленчатых валов и общая головка сопряженных цилиндров последующего корпуса расположены соосно и соединены соответственно с выходными концами коленчатых валов и общей головкой сопряженных цилиндров предыдущего корпуса.
Кроме того, общая головка сопряженных цилиндров с примыкающей частью картеров выполнены как одно целое, а другая часть картеров выполнена в виде крышек, имеющих плоскости разъема, проходящие параллельно оси коленчатого вала.
Общая головка и сопряженные цилиндры выполнены как одно целое и соединены с картерами посредством фланцев.
Соединение частей картера выполнено параллельно или перпендикулярно оси коленчатого вала.
Соединение сопряженных цилиндров и общей головки выполнено фланцевым или резьбовым.
Сопряженные цилиндры и общая головка имеют оребренную наружную поверхность.
Зубчатые колеса выбирают такие, чтобы передаточное число составляло 2,5.
Центральное зубчатое колесо выполнено из полимерного материала, например полиамида.
Опорная ось имеет теплоизолирующую втулку.
В качестве потребителя мощности использован воздушный винт.
Общие головки соединены между собой посредством шпильки или штифта.
На фиг.1 представлен вариант двигателя внутреннего сгорания с одной парой цилиндров в корпусе (поперечный разрез); на фиг.2 - вариант двигателя внутреннего сгорания с двумя парами цилиндров в корпусе (поперечный разрез); на фиг.3 - вариант двигателя внутреннего сгорания с двумя корпусами (поперечный разрез); на фиг.4 - вариант выполнения общей головки сопряженных цилиндров с примыкающими к ним картерами.
Двигатель внутреннего сгорания содержит корпус, имеющий, по крайней мере, пару сопряженных цилиндров 1, к торцам которых примыкают разъемные картеры 2 с размещенными в них коленчатыми валами 3, расположенными перпендикулярно к оси цилиндра 1. Оба коленчатых вала 3 соединены между собой посредством передачи, включающей три цилиндрических зубчатых колеса 4, 5, 6, оси которых лежат в одной плоскости. При этом два крайних зубчатых колеса 4, 5 имеют одинаковое число зубьев и закреплены на передних концах коленчатых валов 3, а центральное зубчатое колесо 6 расположено между ними. Сопряженные цилиндры 1 имеют общую головку 7, на торце которой со стороны потребителя мощности консольно закреплена опорная ось 8 с расположенной на ней ступицей 9, на которой с одной стороны закреплено центральное зубчатое колесо 6, а с другой - потребитель мощности, например воздушный винт 10.
Двигатель внутреннего сгорания может дополнительно содержать, по меньшей мере, еще один соосно расположенный корпус. Сопряженные цилиндры в каждом корпусе имеют общую головку 7, на торце которой консольно закреплена опорная ось 8 с расположенной на ней ступицей 9, на которой с одной стороны закреплено центральное зубчатое колесо 6, а с другой - потребитель мощности, например воздушный винт 10. При этом выходные концы коленчатых валов 3 и общая головка 7 сопряженных цилиндров каждого последующего корпуса расположены соосно и соединены соответственно с выходными концами коленчатых валов 3 и общей головкой 7 сопряженных цилиндров предыдущего корпуса.
Работает двигатель внутреннего сгорания следующим образом.
В цилиндрах 1 двигателя поршни движутся навстречу друг другу, происходит такт сжатия, при этом объем в камерах сгорания становится минимальным. В такте сжатия топливно-воздушная смесь воспламеняется от электрической искры свечей зажигания. Далее поршни двигаются в такте рабочего хода к крайним положениям, преобразуя свое возвратно-поступательное движение во вращательное движение коленчатых валов 3. Коленчатые валы 3 передают вращение зубчатым колесам 4 и 5, от которых вращение передается на центральное зубчатое колесо 6, расположенное на ступице 9, а с нее на воздушный винт 10.
В зависимости от серийности производства общая головка 7 может иметь различные варианты исполнения: а) общая головка 7 (фиг.4) сопряженных цилиндров 1 с примыкающей частью картеров 2 выполнены как одно целое, а другая часть картеров 2 выполнена в виде крышек 11, имеющих плоскости разъема, проходящие параллельно оси коленчатого вала 3; б) общая головка 7 (фиг.1) и сопряженные цилиндры 1 выполнены как одно целое и соединены с картерами 2 посредством фланцев; в) общая головка 7 (фиг.2) и сопряженные цилиндры 1 выполнены разъемными и соединены посредством фланцев друг с другом.
Соединение частей картера может быть выполнено перпендикулярно (фиг.1) или параллельно (фиг.2) оси коленчатого вала 3.
Для эффективного использования мощности двигателя частоту вращения воздушного винта выбирают в зависимости от скорости полета, диаметра и шага винта. Для этого подбором зубчатых колес 4, 5 и 6 изменяют передаточное число зубчатой передачи. Так, для двигателя с мощностью 15 л.с. при 6000 об/мин и диаметре воздушного винта 1240 мм оптимальным является передаточное число 2,5. Как вариант, центральное зубчатое колесо выполняют из полимерного материала, например полиамида.
В форсированных двигателях, имеющих большую тепловую нагрузку на опорную ось 8, устанавливают теплоизолирующую втулку 12.
Соединение общих головок между собой может иметь два варианта исполнения: в виде шпильки 13 или штифта.
Рассмотрим вариант двигателя с одним дополнительным корпусом (фиг.3).
В двигателе внутреннего сгорания, содержащем, например, два соосно расположенных корпуса, вращение выходных концов коленчатых валов 3 одного (дополнительного) корпуса передается на выходные концы коленчатых валов 3 другого (основного) корпуса, при этом увеличивается крутящий момент на центральном зубчатом колесе 6, а следовательно, и на воздушном винте 10. Таким образом, установка дополнительных корпусов в двигателе внутреннего сгорания позволит увеличить его мощность. Наиболее оптимальным является использование одного или двух дополнительных корпусов.
Применение общей головки сопряженных цилиндров с консольно закрепленной осью способствует уменьшению массу, упрощению конструкции и технологии изготовления двигателя.
Выполнение коленчатого вала двухопорным позволяет применить подшипники качения, что уменьшает трение в опорах, повышает надежность двигателя и упрощает технологию изготовления.
Консольное расположение зубчатых колес облегчает доступ к ним, сокращает время монтажа, демонтажа и тем самым позволяет осуществлять быстрый подбор зубчатых колес, изменяя передаточное число зубчатой передачи, для эффективного использования мощности двигателя.
Соосное расположение корпусов, выходных концов коленчатых валов и общих головок сопряженных цилиндров позволяет строить модули двигателей внутреннего сгорания и соединять их между собой с минимальным количеством деталей, что влечет снижение массы, упрощение конструкции, а следовательно, и повышение надежности.
Наличие дополнительных корпусов позволяет изменить общую мощность двигателя внутреннего сгорания за счет модульного принципа конструирования и сборки и расширить область его применения.
Соединение общих головок посредством шпильки или штифта упрощает конструкцию и технологию изготовления.
Выполнение общей головки сопряженных цилиндров с примыкающими к ним частями картеров, как одно целое, позволяет повысить прочность и жесткость корпуса, что упрощает конструкцию и повышает надежность.
Расположение общей головки сопряженных цилиндров и части картеров на одной оси позволяет изготовить ее целиком литьем под давлением и (или) на токарном оборудовании, что при массовом производстве упрощает процесс литья и механической обработки, тем самым упрощается технология изготовления.
Выполнение разъема картера параллельно или перпендикулярно оси коленчатого вала позволяет, не разбирая весь двигатель, заменить цилиндропоршневую группу и коленчатый вал, что конструктивно упрощает монтаж и демонтаж двигателя.
Выполнение соединения сопряженных цилиндров и общей головки фланцевым или резьбовым позволяет общую головку изготавливать на токарном и фрезерном оборудовании, а изготовление прокладок под головку не требует сложного оборудования, это упрощает технологию изготовления, что важно при мелкосерийном или индивидуальном производстве.
Выполнение опорной оси с теплоизолирующей втулкой позволяет эксплуатировать двигатель с большей тепловой нагрузкой.
Выполнение центрального зубчатого колеса из полимерного материала позволяет амортизировать ударные нагрузки на зубья колес, что приводит к снижению уровня шума и повышению надежности работы.
Передача с зубчатым колесом из полимерного материала менее чувствительна к неточностям сборки и изготовления, благодаря малой жесткости материала, технология изготовления проще.
При жесткой посадке мотопараплана зубья пластмассовых колес разрушаются, и воздушный винт не наносит повреждений, что обеспечивает безопасность эксплуатации.
Применение узлов и деталей от серийных двигателей позволяет унифицировать изделие и снизить трудоемкость изготовления.
Оребрение цилиндров и общей головки позволяет отвести значительную часть тепла в окружающую среду.
Сборка, изготовление отдельных узлов, таких как головка цилиндров, опорная ось, прокладки под головку, не требует сложного оборудования. Конструкция и сборка двигателя значительно упрощены.
Двигатель внутреннего сгорания (фиг.1), имеющий один корпус, может использоваться для мотопараплана. Двигатель внутреннего сгорания (фиг.3), имеющий два корпуса, может быть ииспользован для мотопараплана с тележкой.
Вышеприведенные примеры двигателей внутреннего сгорания являются реальными конструкциями и проходят испытания.
Предложенное техническое решение позволит использовать его при конструировании, изготовлении и эксплуатации серийных и единичных двигателей и в силу своей простоты и надежности делает доступным для многих потребителей, облегчает применение в авиастроении.