ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Заявленное техническое решение относится к изделиям машиностроения и, в частности, к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) - устройствам для преобразования в механическую работу энергии, выделяемой при сжигании топливовоздушной смеси в замкнутых камерах со взаимоподвижными стенками.
Широко известны и повсеместно применяются ДВС, в которых функцию неподвижных стенок рабочих камер выполняют цилиндрические полости с торцевыми перегородками, а функцию подвижных стенок выполняют поршни, перекрывающие поперечные сечения цилиндрических полостей и совершающие возвратно-поступательное движение под давлением сгорающей топливной смеси или под действием момента инерции маховика вала отбора мощности, совершающего однонаправленное вращательное движение.
Взаимозависимые движения поршней и вращение вала отбора мощности в таких ДВС обеспечиваются применением т.н. кривошипно-шатунных механизмов (КШМ), содержащих шарнирно закрепленные на поршнях шатуны, которые также шарнирно закреплены на кривошипах, жестко установленных на общем валу, называемом коленчатым и выполняющим функции вала отбора мощности (см. Политехнический словарь. - М.: Советская энциклопедия. 1976, стр.132.). За более чем вековой опыт проектирования, изготовления и эксплуатации таких двигателей была оптимизирована каждая их деталь и геометрические соотношения между звеньями механизма двигателя; по результатам многолетних исследований были оптимизированы параметры работы различных устройств и систем: газораспределения, смазки, охлаждения, приготовления рабочей смеси и ее воспламенения, уплотнений, отработана технология массового производства. Таким образом, конструкторские и технологические заделы по ДВС с КШМ являются одной из основных причин их доминирующего положения в двигателестроении, а технико-экономические показатели современных ДВС с КШМ считаются вполне удовлетворительными. Однако общие недостатки ДВС с КШМ общеизвестны и к ним относятся:
- наличие существенного бокового давления поршней на стенки цилиндров от действующих в процессе работы двигателя сил и реакций между деталями КШМ. Указанный фактор снижает механический КПД ДВС, снижает его ресурс и требует дополнительного отвода тепла от пар трения поршень-цилиндр;
- относительно большое количество деталей и пар трения в КШМ, которое также снижает механический КПД и удорожает производство двигателей;
- наличие повышенных требований к точности изготовления и жесткости коленчатого вала;
- невозможность применения шарикоподшипников в шарнирных соединениях шатунов с кривошипами и в опорах коленчатого вала;
- сложность подвода масла к парам трения деталей КШМ;
- габаритный объем ДВС с КШМ в десятки раз превышает объемы его камер сгорания; велика суммарная масса ДВС, приходящаяся на единицу развиваемой мощности;
- повышенная материалоемкость изготовления ДВС, что особенно актуально в автомобилестроении при многомиллионных тиражах производства двигателей.
Известен ряд конструктивных решений, позволяющих снизить или полностью исключить боковое давление поршней на стенки цилиндров (см. Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. - М. Машиностроение, 1987, стр.33) К наиболее известным двигателям с использованием указанных решений относится бесшатунный двигатель Баландина (см. Баландин С.С. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1968).
Однако применение данных решений существенно усложняет конструкцию ДВС в целом, требует повышенной точности изготовления его составных элементов, дополнительной балансировки подвижных деталей и повышает стоимость производства двигателей.
Другим из возможных направлений совершенствования ДВС является применение не возвратно-поступательного, а возвратно-вращательного движения поршней в пределах угловых секторов кольцеобразных рабочих камер различной формы в поперечном радиальном сечении. Такие двигатели называют лопастными, шиберными или двигателями с качающимися рабочими органами.
Известен двигатель внутреннего сгорания по международной заявке WO/1995/008055, в котором поршень прямоугольного по уплотнительному контуру сечения с помощью рычага закреплен на дополнительном валу, а стенки рабочей камеры выполнены в виде углового сектора кольца с радиальным сечением, совпадающим с уплотнительным контуром поршня. В данном двигателе траекторию движения поршня определяют не стенки рабочей камеры, а шарнирные опоры промежуточного вала, т.о. обеспечивается минимальный постоянный конструктивный зазор между поршнем и стенками рабочей камеры и исключение их силового взаимодействия. Двигатель при этом должен обладать более высоким механическим КПД, а также появляется возможность непосредственного охлаждения поршня жидкостью, подаваемой через центральное отверстие в промежуточном валу.
Однако в данном двигателе для передачи движения от качающегося поршня к валу отбора мощности или наоборот применен КШМ, содержащий шарнирно закрепленный на поршне шатун, который также шарнирно закреплен на кривошипе вала отбора мощности. При этом присутствуют все вышеперечисленные недостатки двигателей с КШМ кроме наличия бокового давления поршня на стенки рабочей камеры. Промежуточный вал, совершающий качательное движение, используется только для базирования поршня и придания ему необходимой траектории движения, а дополнительные пары трения в опорах промежуточного вала снижают механический КПД двигателя.
Известны преобразователи однонаправленного вращательного движения в возвратно-вращательное (см. Кожевников С.Н., Есипенко Я.И., Раскин Я.М. Механизмы. Справочное пособие. - М.: Машиностроение, 1976, стр.122, рис.2.202; стр.128, рис.2.221; стр.564, рис.9.58), представляющие собой пространственные сферические механизмы, содержащие в общем случае ведущий вал с кривошипом, ведомый вал, ось которого пересекает ось ведущего вала под прямым углом, и дополнительное звено, образующее с ведомым валом и кривошипом высшие или низшие кинематические пары. Например, на рис.2.202 и рис.2.221 в качестве дополнительного звена используется поводок, шарнирно соединенный с кривошипом так, что ось шарнирного соединения поводка с кривошипом образует с осью ведущего вала острый угол и проходит через точку пересечения осей обоих валов, а ось шарнирного соединения поводка с ведомым валом ортогональна оси шарнира между поводком и кривошипом, ортогональна оси ведомого вала и также проходит через точку пересечения осей обоих валов. На рис.9.58 вместо поводка применена кулиса, жестко соединенная с ведомым валом и содержащая полукольцевой паз, равноудаленный от точки пересечения ведущего и ведомого валов и с которым взаимодействует цилиндрический выступ на кривошипе. Ось цилиндрического выступа проходит через точку пересечения обоих валов. Выступ на кривошипе образует с боковыми поверхностями паза высшую кинематическую пару с контактом по двум линиям на цилиндрической поверхности выступа.
Указанные механизмы находят узкое применение в приводах мешалок, смесителей, текстильных и ткацких машинах для обеспечения заданных комбинированных движений рабочих органов.
Известен Обратимый преобразователь направления движения и машина объемного вытеснения на его основе по патенту России №2133833, являющийся аналогом сферического кулисного механизма на рис.9.58 вышеупомянутого издания. Их отличия заключаются в том, что кривошип с цилиндрическим выступом заменен на сферическое водило, помещенное в геометрический центр механизма, а кольцевой паз на качающемся звене заменен на кольцевой паз на сферическом водиле, при этом плоскость симметрии кольцевого паза расположена к оси вала однонаправленного вращения под углом, равным углу между осью цилиндрического выступа кривошипа и осью вала однонаправленного вращения на рис.9.58, а цилиндрический выступ перенесен с кривошипа на качающееся звено кольцеобразной формы, охватывающее сферическое водило и содержащее на внешней стороне два консольных полувала для установки на опорах корпуса преобразователя. Полувалы имеют общую ось, совпадающую с геометрическим центром преобразователя. Данный преобразователь позволяет использовать не консольный, а двухопертый вал однонаправленного вращения с жестко установленным на нем сферическим водилом. Качающееся звено преобразователя может выполнять функцию поршня или пары поршней, взаимодействующих своими уплотнительными контурами со сферической поверхностью водила и с внутренней поверхностью корпуса преобразователя, совпадающей с внешней поверхностью, сметаемой поршнями при их качательном движении. С целью уменьшения контактных нагрузок между цилиндрическими выступами поршней и пазом водила, а также с целью исключения перетекания топливовоздушной смеси в запоршневое пространство, в кольцевой паз водила установлен кольцеобразный вкладыш с внешней поверхностью, совпадающей со сферической поверхностью водила, который передает усилие от водила на цилиндрические выступы поршней посредством низших кинематических пар. Для выполнения функций поршневой машины (изменения объемов рабочих камер при качательном движении поршней) в корпусе преобразователя должна располагаться перегородка с уплотнительным контуром по сферической поверхности водила.
К недостаткам данного преобразователя в случае его использования в качестве ДВС можно отнести:
- конструктивные и технологические трудности одновременного размещения в относительно малом объеме систем охлаждения, смазки, газораспределения и уплотнений рабочих камер, что существенно ограничивает оптимизацию указанных систем;
- конструктивная сложность деталей уплотнений и необходимость в дополнительном уплотнении кольцевого вкладыша в пазу водила;
- большая тепловая нагрузка на детали, выполняющие двойную функцию как стенок рабочих камер и как кинематических звеньев преобразователя, а также противоречивые требования к материалам этих деталей;
- дополнительная кинематическая пара между кольцевым водилом и вкладышем снижает механический кпд двигателя, а ее расположение в непосредственной близости от камеры сгорания приводит к перегреву и преждевременному износу контактирующих поверхностей, а также требует дополнительного уплотнения между звеньями этой пары;
- необходимость в высокой точности механической обработки базовых поверхностей составных деталей преобразователя, в т.ч. и внутренних поверхностей деталей, имеющих конструктивно-технологические разъемы по плоскостям симметрии;
- компоновочная сложность реализации на базе преобразователя 4-х камерного поршневого двигателя с двумя тактами рабочего хода на один оборот вала отбора мощности;
- неудобство работ по техническому обслуживанию и ремонту двигателя;
- невозможность унификации основных составных деталей при производстве конструктивных рядов двигателей с отличающимися рабочими объемами.
Известна поршневая машина по патенту России №2269663, являющаяся прототипом заявленного технического решения. Это устройство включает взаимодействующие со стенками рабочих камер и с промежуточным валом поршни, выходной вал, механизм преобразования качательного движения промежуточного вала в однонаправленное вращение выходного вала, выполненный в виде сферического механизма, включающего промежуточный вал, жестко закрепленный на консольной части выходного вала кривошип и поводок, шарнирно соединенный с промежуточным валом и кривошипом таким образом, что ось шарнирного соединения поводка с кривошипом расположена под острым углом к оси выходного вала, равном половине диапазона углового перемещения промежуточного вала, ось шарнирного соединения поводка с промежуточным валом ортогональна к оси промежуточного вала и к оси шарнирного соединения поводка с кривошипом, а оси обоих шарнирных соединений проходят через точку пересечения осей промежуточного вала и выходного вала. Данный ДВС представляет собой сумму плоских кривошипно-шатунных механизмов (с рабочими камерами и поршнями цилиндрической формы) и последовательно присоединенного к ним одного пространственного сферического механизма. Кривошипы промежуточного вала совершают возвратно-вращательное (качательное) движение в пределах относительно малого угла, угловое смещение шатунов относительно траектории движения поршней невелико, но боковое давление поршней на стенки цилиндров полностью не исключено.
Но данное устройство частично унаследовало такие недостатки кривошипно-шатунного механизма, как динамическая неуравновешенность шатунов, приводящая к дополнительным вибрациям работающей машины. Наличие дополнительных пар трения в опорах промежуточного вала, в шарнирах соединения поводка с обоими валами уменьшает механический КПД машины, а присутствие дополнительных деталей повышает стоимость ее производства, эксплуатации, обслуживания и ремонта. Увеличение габаритов машины из-за включения в конструкцию дополнительных подвижных деталей (даже при уменьшении зон, сметаемых кривошипами) приводит к повышению ее материалоемкости и, как следствие, массы машины и стоимости ее изготовления.
Задачей заявленного технического решения является определение совокупности конструктивных признаков, присутствующих в устройствах-аналогах, которую можно использовать в одном предлагаемом двигателе внутреннего сгорания с обеспечением большинства частных достоинств и преимуществ аналогов, а также определение и выявление новых конструктивных признаков и компоновочных решений, усиливающих положительные качества предлагаемого устройства.
Технический результат от использования заявленного технического решения заключается в создании на базе предложенных решений широкой гаммы двигателей внутреннего сгорания различного назначения с более высокими техническими характеристиками и потребительскими качествами, а именно:
- увеличенным механическим кпд и, как следствие, повышенной экономичностью двигателя;
- существенно уменьшенными габаритными размерами, конструктивной массой и металлоемкостью;
- уменьшенным количеством составных деталей более простой конфигурации;
- возможностью использования ранее разработанных систем и устройств оптимизации работы двигателей;
- упрощением сборочных операций при производстве двигателей, при их техническом обслуживании и ремонте.
Заявленное техническое решение поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 и фиг. 2 изображена компоновка четырехкамерного варианта предлагаемого двигателя со снятыми боковой крышкой и крышкой газораспределительного механизма;
- на фиг. 3 изображен внешний вид двигателя;
- на фиг. 4 изображен вид двигателя снизу, без нижнего полукорпуса и без масляного насоса;
- на фиг. 5 изображены подвижные детали двигателя;
- на фиг. 6 изображен продольный разрез двигателя по оси выходного вала.
Сущность заявленного технического решения заключается в том, что предлагаемый двигатель содержит поршни, выполненные в виде жестко закрепленных на промежуточном валу лопастей, взаимодействующих со стенками камер, выполненных в виде угловых секторов полого кольца. Причем каждая пара поршней, размещенных в пределах одного углового сектора полого кольца, объединена в одну деталь - бипоршень - и содержит межпоршневую полость, которая также располагается в угловом секторе полого кольца и имеет угловой размер, превышающий диапазон углового перемещения бипоршней. Корпус двигателя имеет такой разъем по плоскости, совпадающей с осями промежуточного и выходного валов, при котором лопасти бипоршней расположены в нижнем полукорпусе. Двигатель, как и прототип, содержит выходной вал с маховиком и сферический механизм преобразования возвратно-вращательного (качательного) движения бипоршней в однонаправленное вращение выходного вала. При этом сферический механизм содержит жестко закрепленный на выходном валу кривошип и поводок, шарнирно взаимодействующий с промежуточным валом и кривошипом. Причем, ось шарнирного соединения поводка с кривошипом проходит через точку пересечения осей обоих валов и образует с осью выходного вала острый угол, равный половине углового диапазона перемещения бипоршней, а ось шарнирного соединения поводка с промежуточным валом ортогональна к оси последнего и к оси шарнирного соединения поводка с кривошипом и также проходит через точку пересечения осей обоих валов.
Предлагаемый ДВС (см. фигуры 1-6) имеет разъем по плоскости, совпадающей с осями промежуточного вала 5 и выходного вала 7. Корпус двигателя состоит из двух полу корпусов: нижнего полу корпуса 1, содержащего рабочие камеры, расположенные в пределах угловых секторов полых колец, в которые помещены бипоршни 10, содержащие в пределах межпоршневых полостей ребра жесткости 11. Бипоршни 10 жестко закреплены на промежуточном валу 5 и взаимодействуют своими контурами, содержащими элементы уплотнений 12, со стенками рабочих камер. Промежуточный вал 5, находящийся в плоскости разъема полукорпусов 1 и 2, через подшипники установлен на опорах 6 в боковых стенках двигателя соосно с осью угловых секторов рабочих камер. Нижний полукорпус 1 содержит также масляный картер 21, сообщающийся посредством отверстий 24 с межпоршневыми полостями бипоршней 10, и масляный насос 20, приводимый в движение зубчатым колесом 19 от зубчатого колеса выходного вала 17. На подшипниках, находящихся в плоскости разъема полукорпусов 1 и 2 установлен выходной вал 7, ось которого пересекается с осью промежуточного вала 5 под прямым углом и который содержит жестко закрепленные на нем кривошип 9 и маховик 4. На промежуточном валу 5 и кривошипе 9 шарнирно установлен поводок 8 таким образом, что ось шарнирного соединения кривошипа 9 с поводком 8 образует острый угол, а с осью выходного вала 7 - угол, равный половине диапазона углового перемещения бипоршня 10, и проходит через точку пересечения осей промежуточного вала 5 и выходного вала 7. Ось шарнирного соединения промежуточного вала 5 и поводка 8 ортогональна оси промежуточного вала 5 и оси шарнирного соединения кривошипа 9 с поводком 8.
В верхнем полукорпусе 2 двигателя расположены камеры сгорания 13, содержащие впускные и выпускные клапаны 14 газораспределительного механизма. В варианте двигателя на легких видах топлива в камеру сгорания выведены электроды свечей зажигания 25. Верхний полукорпус содержит также устройство газораспределения традиционного типа, включающее распредвал 16 с зубчатым колесом 18, коромысла 15 привода клапанов 14, впускные каналы 22 и выпускные каналы 23. Верхний полукорпус 2 сверху закрыт крышкой 3 газораспределительного механизма.
При работе предлагаемого двигателя в установившемся режиме роль рабочих камер аналогична роли цилиндров в традиционном ДВС, а роль лопастей бипоршней аналогична роли поршней в традиционном ДВС. Последовательность тактов в рабочих камерах предлагаемого двигателя аналогична такой же последовательности в четырехцилиндровом ДВС традиционной конструкции. В начале такта «рабочий ход» одной из камер предлагаемого двигателя, ось соединения кривошипа 9 с поводком 8 перпендикулярна к оси промежуточного вала 5. При тактах «выпуск», «впуск» и «сжатие» ведущим звеном механизма двигателя является выходной вал 7, получающий кинетическую энергию от маховика 4 и передающий крутящий момент на кривошип 9. Тангенциальное усилие от кривошипа 9 преобразуется поводком 8 в крутящий момент на промежуточном валу 5, при повороте которого вместе с бипоршнем осуществляется циклическое изменение объемов рабочих камер при вышеуказанных тактах.
При такте «рабочий ход» ведущим звеном механизма двигателя является лопасть бипоршня 10, на которую действует давление сгорающей рабочей смеси. При этом крутящий момент на промежуточном валу 5, создаваемый бипоршнем 10, преобразуется поводком 8 и кривошипом 9 в крутящий момент на выходном валу 7.
Кинематическая схема предлагаемого двигателя обусловливает менее интенсивное движение бипоршня 10 по сравнению с поршнем кривошипно-шатунного механизма при смене рабочих тактов, в т.ч. в конце такта «сжатие» и в начале такта «рабочий ход», когда угол между осью шарнирного соединения кривошипа 9 с поводком 8 и осью промежуточного вала 5 близок к 90 градусам. Этот фактор потребует уменьшения т.н. угла опережения зажигания для оптимизации воспламенения и сжигания рабочей смеси при ее воспламенении от свечи зажигания. Оптимальные значения угла опережения зажигания могут быть определены при конкретной конструкторской проработке двигателя.
При работе двигателя центр масс поводка 8 совершает вращательное движение относительно оси выходного вала 7 и вносимый при этом дисбаланс устраняется изменением формы поводка 8 с целью совмещения его центра массы с точкой пересечения осей промежуточного вала 5 и выходного вала 7 или изменением формы кривошипа 9 с целью смещения центра массы последнего для обеспечения статической балансировки системы «выходной вал 7 - кривошип 9 - поводок 8».
Балансировка системы «бипоршни 10 - промежуточный вал 5» осуществляется введением балансировочной массы в конструкцию бипоршней 10 или в конструкцию промежуточного вала 5.
Предлагаемый двигатель по сравнению с двигателями с кривошипно-шатунными механизмами содержит меньшее количество пар трения между его подвижными звеньями и допускает применение подшипников качения в парах трения. В двигателе также полностью исключено силовое взаимодействие между поршнями и стенками рабочих камер. Данные факторы позволяют повысить механический кпд двигателя и уменьшить частоту вращения выходного вала 7 в режиме холостого хода, а также уменьшить минимально достаточный момент инерции маховика 4 и, соответственно, его размеры.
Более высокий механический кпд предлагаемого двигателя определяет его более высокие эксплуатационные характеристики по сравнению с существующими двигателями внутреннего сгорания. А отсутствие силового взаимодействия бипоршней со стенками рабочих камер увеличивают ресурс двигателя.
В отличие от двигателей с кривошипно-шатунными механизмами, у которых габаритные размеры определяются в первом приближении не только объемами рабочих камер, но и объемами под размещение шатунов и зон, сметаемых кривошипами коленчатого вала, габаритные размеры предлагаемого двигателя определяются только размерами рабочих камер и сферического механизма, общего для всех рабочих камер. При этом двигатель имеет существенно меньшие размеры и - еще в более значительной степени - меньшую конструктивную массу. Данный фактор дает возможность реализовать новые компоновочные решения при размещении двигателя, например, в транспортных средствах или технике иного назначения. А в случае его использования в качестве силовых установок летательных аппаратов повысить их летные характеристики. Помимо вышеописанного конструктивного варианта предлагаемого двигателя, возможны также следующие его исполнения:
- с двухтактным рабочим циклом;
- с бесклапанным газораспределением;
- с водяным, воздушным, масляным и комбинированным охлаждением стенок рабочих камер и выпускных коллекторов;
- с использованием, как легких, так и тяжелых топлив в качестве рабочей смеси и, соответственно, с воспламенением рабочей смеси от внешнего устройства или от ее сжатия;
- с отличающейся от прямоугольной формы формой поперечного сечения рабочих камер и формой уплотнительных контуров поршней;
- с нечетным количеством рабочих камер и поршней, выполненных в виде лопастей.
При разработке и производстве предлагаемого двигателя могут быть использованы конструкторские и технологические заделы разработок и производства двигателей с кривошипно-шатунными механизмами, а также использованы существующие системы и устройства оптимизации их работы.
Заложенные технические решения допускают их использование при разработке не только двигателей внутреннего сгорания, но и при разработке других поршневых машин, например, поршневых насосов и компрессоров.