ДВИГАТЕЛЬ С ДЕЗАКСИАЛЬНЫМ КРИВОШИПНО-ШАТУННЫМ МЕХАНИЗМОМ
ENGINE WITH OFFSET CRANK GEAR

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, в частности поршневым двигателям внутреннего сгорания.
Разнообразие областей применения поршневых двигателей внутреннего сгорания обуславливает и разнообразие конструкций, размеров и массы их [2, стр.9-13].
Наиболее близким по технической сути или прототипом является тепловозный дизель 10Д100, рядный, двухтактный, бесклапанный, вертикальный, с противоположно движущимися поршнями, двумя коленчатыми валами, связанными через вертикальную передачу [1, стр.276-282]. Выпускные окна открываются нижними поршнями, а впускные окна верхними поршнями [1, стр.281, рис.165]. Нижний коленчатый вал опережает верхний на 12 градусов, что определяет режим выпуска, прямоточной продувки, дозарядки цилиндра воздухом давлением выше атмосферного и определяет, что нижний коленчатый вал развивает 70% мощности двигателя [1, стр.281, рис.165]. Угол запаздывания (опережения) определяет соотношение мощности верхнего и нижнего валов, при этом мощность запаздывающего всегда меньше опережающего. Верхний коленчатый вал развивает 30% мощности, но испытывает усилия, равные нижнему валу, следовательно, имеет соответствующую массу и размеры. Недостатком такого технического решения является снижение мощности на единицу массы двигателя за счет верхней, запаздывающей поршневой группы.
Задачей изобретения является при сохранении таких достоинств прототипа, как отсутствие клапанов, прямоточная продувка и дозарядка цилиндра воздухом давлением выше атмосферного, увеличить мощность на единицу массы.
Указанный технический результат достигается тем, что заявляемый двигатель двухтактный, каждые два цилиндра его имеют один коленчатый вал и общую камеру сгорания, из них один цилиндр с поршнем, опережающим по фазе движения, а второй с поршнем, запаздывающим по фазе движения. Цилиндр с опережающим поршнем имеет выпускные окна, а с запаздывающим поршнем впускные окна. Для создания угла запаздывания (опережения) между поршнями в цилиндрах с общей камерой сгорания, по крайней мере, один из поршней должен иметь дезаксиальный кривошипно-шатунный механизм. Цилиндры с общей камерой сгорания имеют один коленчатый вал, а оси этих цилиндров повернуты в параллельных плоскостях так, чтобы совместить положения верхних мертвых точек поршней в них полностью или частично. Диаметр и рабочий объем цилиндра с запаздывающим и опережающим поршнем примерно равны. Следовательно, мощности, развиваемые этими цилиндрами, примерно равные. Следовательно, повысится мощность на единицу массы двигателя.
Сопоставимый анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый двигатель с дезаксиальным кривошипно-шатунным механизмом будет иметь выше мощность на единицу массы двигателя в сравнении с прототипом. Автору не известна подобная конструкция двигателя с цилиндрами по два, имеющими общую камеру сгорания, в которых, по крайней мере, один из поршней имеет дезаксиальный кривошипно-шатунный механизм. Следовательно, заявляемое решение соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с прототипом позволило выявить в нем признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «Изобретательский уровень».
Сущность технического решения подтвеждается чертежами (фиг.1, фиг.2), на которых представлена конструкция двигателя с дезаксиальным кривошипно-шатунным механизмом с одним коленчатым валом для цилиндров с общей камерой сгорания и опережающими и запаздывающими по фазе движения поршнями.
На фиг.1 цилиндр 2 с запаздывающим поршнем 8 и впускными окнами, цилиндр 1 с опережающим поршнем 7 и выпускными окнами. Поршень 8, запаздывающий по фазе движения, в цилиндре 2 имеет дезаксиальный кривошипно-шатунный механизм, а поршень 7 опережающий в цилиндре 1 аксиальный. Цилиндры 1, 2 имеют общую камеру сгорания 3, шатун 4 запаздывающего поршня 8, шатун 5 опережающего поршня 7, общий коленчатый вал 6. Поршни в цилиндрах 1,2 одновременно проходят верхние мертвые точки, следовательно, развивают примерно равную мощность. Требуемый угол запаздывания [3, стр.78] обеспечивается дезаксиальным кривошипно-шатунным механизмом поршня в цилиндре 2 и взаимным поворотом осей цилиндров 1, 2 для совмещения положений верхний мертвых точек их поршней.
На фиг.2 цилиндр 2 с запаздывающим поршнем 8, цилиндр 1 с опережающим поршнем 7. Поршень 8, запаздывающий по фазе движения, в цилиндре 2 имеет дезаксиальный кривошипно-шатунный механизм, а поршень 7, опережающий по фазе движения, в цилиндре 1 аксиальный кривошипно-шатунный механизм. Цилиндры 1, 2 имеют один коленчатый вал 6 и общую камеру сгорания 3. Положение шатуна 4 запаздывающего поршня 8 совмещается с положением шатуна 5 опережающего поршня 7. Требуемый угол запаздывания [3, стр.78] обеспечивается дезаксиальным кривошипно-шатунным механизмом поршня 8 в запаздывающем цилиндре 2 и углом 9 поворота оси цилиндра 2 относительно оси цилиндра 1. Это позволит совместить положение верхних мертвых точек поршней в цилиндрах 1, 2 с общей камерой сгорания 3, следовательно, мощности цилиндров будут примерно равными. Конструкция заявляемого двигателя с одним коленчатым валом значительно проще, чем у прототипа. Два цилиндра с общей камерой сгорания могут работать отдельно или объединяться в классические схемы компановки двигателей [2. стр.9-13]. Возможна конструкция заявляемого двигателя с частичным совмещением верхних мертвых точек поршней запаздывающих и опережающих по фазе движения, что уравняет мощности цилиндров этих поршней в большей степени, чем у прототипа. Возможна конструкция заявляемого двигателя, где поршни всех цилиндров имеют дезаксиальные кривошипно-шатунные механизмы.
Следовательно, конструкция двигателя с дезаксиальным кривошипно-шатунным механизмом обеспечивает режим выпуска, прямоточной продувки и дозарядки цилиндров воздухом (смесью) давлением выше атмосферного, позволяет уравнять мощности цилиндров с опережающими и запаздывающими по фазе движения поршнями, при одном коленчатом вале конструкция двигателя упрощается в сравнении с прототипом. Следовательно, мощность на единицу массы двигателя с дезаксиальным кривошипно-шатунным механизмом больше, чем у прототипа.
Для понимания сущности технического решения, предлагаемого автором, приведу подробное описание дезаксиального кривошипно-шатунного механизма и заявляемого двигателя с ним. На фиг.3 представлен дезаксиальный кривошипно-шатунный механизм с эксцентриситетом 14, где поршень 10 и шатун 12 показаны в положении верхней мертвой точки, а поршень 11 и шатун 13 - в положении нижней мертвой точки. При прямом ходе угол поворота кривошипа больше 180 градусов на угол 15, а обратном на тот же угол меньше. Следовательно, скорость перемещения поршня в отношении к углу поворота кривошипа при прямом ходе меньше, а обратном больше, чем у аксиального кривошипно-шатунного механизма [4, стр.195-199]. На фиг.1 поршни в цилиндрах 1, 2 одновременно проходят верхние мертвые точки, следовательно, запаздывание поршня с дезаксиальным кривошипно-шатунным механизмом в цилиндре 2 в отношении поршня с аксиальным кривошипно-шатунным механизмом в цилиндре 1 максимальное в положении нижней мертвой точки поршня в цилиндре 2. Следовательно, поршень в цилиндре 2 будет отставать от поршня в цилиндре 1 до достижения нижней мертвой точки, затем его догонять до достижения верхней мертвой точки, что обеспечит режим выпуска, прямоточной продувки и дозарядки цилиндров воздухом (смесью) давлением выше атмосферного.
На фиг.1 цилиндр 2 с запаздывающим поршнем 8 и впускными окнами, цилиндр 1 с опережающим поршнем 7 и выпускными окнами. Поршень 8, запаздывающий по фазе движения, в цилиндре 2 имеет дезаксиальный кривошипно-шатунный механизм, а поршень опережающий в цилиндре 1 аксиальный. Цилиндры 1, 2 имеют общую камеру сгорания 3, шатун 4 запаздывающего поршня 8, шатун 5 опережающего поршня 7, общий коленчатый вал 6. Поршни в цилиндрах 1, 2 одновременно проходят верхние мертвые точки, следовательно, развивают примерно равную мощность. Требуемый угол запаздывания [3, стр.78] обеспечивается дезаксиальным кривошипно-шатунным механизмом поршня в цилиндре 2 и взаимным поворотом осей цилиндров 1, 2 для совмещения положений верхний мертвых точек их поршней. На фиг.2 цилиндр 2 с запаздывающим поршнем 8, цилиндр 1 с опережающим поршнем 7. Поршень 8, запаздывающий по фазе движения, в цилиндре 2 имеет дезаксиальный кривошипно-шатунный механизм, а поршень 7, опережающий по фазе движения, в цилиндре 1 аксиальный кривошипно-шатунный механизм. Цилиндры 1, 2 один коленчатый вал 6 и общую камеру сгорания 3. Положение шатуна 4 запаздывающего поршня 8 совмещается с положением шатуна 5 опережающего поршня 7. Требуемый угол запаздывания [3, стр.78] обеспечивается дезаксиальным кривошипно-шатунным механизмом поршня 8 в запаздывающем цилиндре 2 и углом 9 поворота оси цилиндра 2 относительно оси цилиндра 1. Это позволит совместить положение верхних мертвых точек поршней в цилиндрах 1, 2 с общей камерой сгорания 3, следовательно, мощности цилиндров будут примерно равными. Конструкция заявляемого двигателя с одним коленчатым валом значительно проще, чем у прототипа. Два цилиндра с общей камерой сгорания могут работать отдельно или объединяться в классические схемы компановки двигателей [2. стр.9-13].
Следовательно, конструкции двигателя с дезаксиальным кривошипно-шатунным механизмом обеспечивает режим выпуска, прямоточной продувки и дозарядки цилиндров воздухом (смесью) давлением выше атмосферного при широком диапазоне мощностей и классических схем компановки [2, стр.9-13], позволяет уравнять мощности цилиндров с опережающими и запаздывающими по фазе движения поршнями. Конструкция заявляемого двигателя с одним коленчатым валом значительно проще, чем у прототипа.
Следовательно, мощность на единицу массы двигателя с дезаксиальным кривошипно-шатунным механизмом больше, чем у прототипа, расширяется диапазон мощностей бесклапанных двигателей, имеющих такой режим выпуска, прямоточной продувки и дозарядки цилиндров воздухом (смесью) давлением выше атмосферного, что сделает производство двигателя с дезаксиальным кривошипно-шатунным механизмом экономически эффективным.
Источники информации
1. А.Э.Симсон, А.З.Хомич и др. Двигатели внутреннего сгорания. Тепловозные дизели. Газотурбинные установки. - М.: Транспорт, 1980. 383 с.
2. А.С.Орлин, М.Г.Круглов и др. Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей. - М.: Машиностроение, 1984. 382 с.
3. А.С.Орлин, М.Г.Круглов и др. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. - М.: Машиностроение, 1983. 374 с.
4. И.И.Артоболевский. Теория механизмов. - М.: Наука, 1967. 719 с.