ДВИГАТЕЛЬ С КОЛЬЦЕВЫМ ЦИЛИНДРОМ
MOTOR WITH RING CYLINDER

Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно к поршневым двигателям внутреннего сгорания. Аналогами предлагаемого двигателя являются двигатели с кольцевым цилиндром - ДКЦ, рассмотренные в статье с аналогичным наименованием в журнале «Автомобильная промышленность» №12 за 1993 г. Прототипом предлагаемого двигателя является ДКЦ по II схеме в указанной статье. ДКЦ-аналоги состоят из одного цилиндра с боковыми крышками, 4-х или 8-ми лопастных поршней, расположенных в цилиндре на 2-х соосных ступицах, и из кривошипно-шатунного или другого силового механизма. Цилиндр и ступицы образуют кольцевой цилиндр. Его объем разделяется лопастными поршнями на рабочие камеры. ДКЦ-прототип состоит из одного цилиндра с боковыми крышками, 4-х лопастных поршней, расположенных в цилиндре попарно на 2-х соосных ступицах, и из силового механизма. Механизм состоит из 2-х рычагов, 2-х шатунов и коленчатого вала. ДКЦ-прототип по сравнению с предлагаемым ДКЦ имеет следующие недостатки. Он развивает значительно меньшую максимальную мощность. При равной мощности он имеет больший диаметр цилиндра, а следовательно, больший габаритный объем и массу, имеет больший рабочий объем, а следовательно, большую площадь стенок рабочих камер, а поэтому большие потери тепла, а следовательно, больший расход топлива. Кроме того, ДКЦ-прототип имеет большие нагрузки в силовом механизме.
Предлагаемый ДКЦ имеет принципиальную схему, показанную на фиг.1 и на фиг.2. Он состоит из цилиндра 1 с впускными и выпускными клапанами и с топливными форсунками, из боковых крышек 2 цилиндра, ввернутых в цилиндр или привинченных к нему, из 4-х лопастных поршней 3 с 4-мя рядами пластинчатых уплотнителей, размещенных в 2-х канавках на каждом поршне, и из 2-х соосных ступиц 4 поршней. Поршни попарно приварены к ступицам или отлиты за одно целое с ними.
Ступицы установлены на подшипниках в боковых крышках цилиндра. Силовой механизм ДКЦ состоит из 2-х рычагов 5 с противовесами, закрепленных на концах ступиц посредством шлицев, из 2-х шатунов 6, связанных с рычагами, и из коленчатого вала 7 с 2-мя шатунными и 2-мя коренными шейками и противовесами. ДКЦ также имеет (не показанные на фиг.1 и фиг.2) маховик на коленвале, картер для масла и оборудование систем охлаждения, смазки, подачи топлива и других систем. У предлагаемого ДКЦ имеются следующие отличительные от прототипа признаки.
1) Отношение высоты поршней к их ширине и к диаметру цилиндра равно 1:1,5:3 вместо 1:1,5:4 у ДКЦ-прототипа.
2) Отношение длины рычагов к среднему радиусу кольцевого цилиндра равно 2:1 вместо 1:1 у ДКЦ-прототипа.
3) Рычаги с шатунами расположены с одной стороны ДКЦ вместо их расположения с двух сторон у ДКЦ-прототипа.
4) Угол между шатунными шейками у коленчатого вала равен 180° вместо 45° у ДКЦ-прототипа.
Таким образом, предлагаемый двигатель с кольцевым цилиндром, состоящий из одного цилиндра с боковыми крышками, из 4-х лопастных поршней, установленных в цилиндре и закрепленных попарно на 2-х соосных ступицах, и из силового механизма, состоящего из 2-х рычагов, закрепленных на соосных ступицах, из связанных с рычагами 2-х шатунов и из коленчатого вала, связанного с шатунами, отличается тем, что отношение высоты лопастных поршней к их ширине и к диаметру цилиндра равно 1:1.5:3, отношение длины рычагов к среднему радиусу кольцевого цилиндра равно 2:1, рычаги с шатунами расположены с одной стороны двигателя, а шатунные шейки у коленчатого вала развернуты на угол 180°.
Указанные отличительные признаки предлагаемого ДКЦ при его общих с прототипом признаках обеспечивают ему следующие преимущества относительно ДКЦ-прототипа.
2
-1
2
-1
-1
N
N
N
Первый отличительный признак обеспечивает предлагаемому ДКЦ значительное увеличение максимальной мощности, а при равной мощности с ДКЦ-прототипом - уменьшение габаритного объема и массы. Так, например, при равных значениях у предлагаемого ДКЦ и ДКЦ-прототипа среднего эффективного давления Ре=7 кгс/см, средней скорости поршней Сср=10 м/с и частоты вращения коленвала n=2000 мин максимальная мощность предлагаемого ДКЦ будет Nемакс=751,1 кВт (1022 л.с.), а у ДКЦ-прототипа Neмакс=336 кВт (454 л.с.). Увеличение мощности в 2,25 раза обеспечивается увеличением в 2,25 раза площади лопастных поршней, а следовательно, увеличением рабочего объема ДКЦ в 2,25 раза. Уменьшение габаритного объема и массы предлагаемого ДКЦ относительно ДКЦ-прототипа при одинаковой мощности этих ДКЦ может достигаться при равных значениях Ре, Сер и площади поршней F. Так, например, при Neмакс=336 кВт (454 л.с.) Ре=7 кг/см, Сср=10 м/с и F=243,4 см будем иметь диаметр цилиндра у предлагаемого ДКЦ Д=38,2 см, а у ДКЦ-прототипа Д=50,8 см. Уменьшение в 1,33 раза диаметра цилиндра у предлагаемого ДКЦ обеспечивает ему существенное уменьшение габаритного объема и массы по сравнению с ДКЦ-прототипом. Уменьшение диаметра цилиндра достигается уменьшением диаметра ступиц поршней и уменьшением среднего диаметра кольцевого цилиндра. При этом ход поршней уменьшается в 1,5 раза, от чего в 1,5 раза уменьшается и рабочий объем ДКЦ. При меньшем ходе поршней в 1,5 раза можно иметь большую в 1,5 раза частоту вращения коленвала ДКЦ n=3000 мин вместо n=2000 мин у ДКЦ-прототипа, что обеспечивает указанные выше значения Nемакс и Сер, одинаковые с ДКЦ-прототипом. Дополнительно к уменьшению габаритного объема и массы у предлагаемого ДКЦ за счет уменьшения рабочего объема уменьшается отвод тепла в систему охлаждения, то есть уменьшаются потери тепла, а поэтому будет снижаться расход топлива.
Второй отличительный признак обеспечивает уменьшение в 2 раза нагрузок, передаваемых в шатуны и на шатунные и коренные подшипники коленчатого вала, что позволяет уменьшить массу шатунов и уменьшает механические потери и износ подшипников коленчатого вала.
Третий и четвертый отличительные признаки позволяют рычагам с шатунами иметь противоположное движение, что также при противоположном движении поршней будет почти в 2 раза уменьшать нагрузки на коренных подшипниках коленчатого вала и обеспечивать динамическую уравновешенность ДКЦ. При этом для более полной динамической уравновешенности ДКЦ нужно за счет подбора масс указанных противоположно движущихся деталей и противовесов иметь равные моменты их инерции.
Предлагаемый ДКЦ по сравнению с обычными поршневыми двигателями может иметь еще больше преимуществ.
Предлагаемый ДКЦ обладает значительно более простой конструкцией и меньшим количеством деталей, чем 4-, 8-, 12- и 24-поршневые двигатели, которые он может заменять и при этом иметь значительно меньшие значения габаритного объема и массы. В сравнении с 24-поршневым двигателем эти значения меньше в 5 раз, а в сравнении с 8-поршневым двигателем меньше примерно до 10 раз. Эти преимущества обеспечивают соответственно меньшую трудоемкость и стоимость проектирования, меньшие затраты металла, энергии труда и соответственно меньшую стоимость изготовления предлагаемого ДКЦ. Обычная и простая форма деталей ДКЦ и поэтому обычная и простая технология их изготовления не требуют больших затрат на дооборудование их производства.
Предлагаемый ДКЦ имеет значительно меньшие механические и тепловые потери, а следовательно, меньший расход топлива, чем обычные поршневые двигатели (примерно в 1,5 раза меньше). Это обеспечивается меньшим количеством подшипников, отсутствием силового контакта лопастных поршней с цилиндром и его боковыми крышками, уменьшением отвода тепла в систему охлаждения в связи с большим, чем у поршневых двигателей, снижением рабочего объема ДКЦ при уменьшении мощности, а поэтому в связи с меньшей площадью стенок рабочих камер, чем площадь стенок во многих цилиндрах поршневых двигателей, а также в связи с меньшей внешней теплоизлучающей площадью корпуса ДКЦ. Также важным преимуществом является меньшее от 5-ти до 10-ти раз время разогрева ДКЦ, чем поршневых двигателей, для запуска при низкой температуре воздуха. В условиях северных районов страны это обеспечивает не только более быстрый выезд транспортного или другого средства, но и меньшие затраты топлива.