ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к конструкциям поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Известны четырехтактные двигатели внутреннего сгорания (ДВС), основными частями которых являются кривошипно-шатунный механизм (КШМ) и клапанный механизм газораспределения. (RU 82471 U1, МПК F02B 53/00, опубл. 27.04.2009)
Недостатками таких двигателей являются низкий коэффициент полезного действия КШМ и конструктивная сложность механизма газораспределения, значительно повышающая количество возможных неисправностей при эксплуатации. Традиционная конструкция КШМ не позволяет увеличить его КПД выше 40%. Это связано с тем, что при работе КШМ угол между шатуном и кривошипом изменяется в пределах от 0 до 360 градусов, а в мертвых точках его КПД вообще равно нулю.
Известна также конструкция бескривошипного двигателя внутреннего сгорания (DE 102006012814 A1 МПК F02B 75/26, опубл. 27.09.2007)
К недостаткам известной конструкции можно отнести следующие:
- подвод теплоты совершается при уходе поршня из верхней мертвой точки (ВМТ), тогда как термодинамика требует осуществлять подвод теплоты при постоянном объеме камеры сгорания (топливосберегающий процесс).
- конструкция не допускает оперативное регулирование степени сжатия, что необходимо при использовании низкооктановых и альтернативных видов топлива.
Данная конструкция принята за ближайший аналог заявляемой полезной модели.
Задача, на которую направлено предлагаемое техническое решение, заключается в повышении КПД двигателя за счет создания конструкции без кривошипно-шатунного механизма (КШМ) и механизма газораспределения, а также улучшение процесса сгорания топлива в цилиндре путем остановки поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) и осуществления регулирования степени сжатия.
Техническим результатом от использования предложенной конструкции является создание двухтактного, бескривошипного, малооборотного двигателя внутреннего сгорания, не содержащего кривошипно-шатунного механизма и механизма газораспределения, обладающего улучшенной термодинамикой за счет остановки поршня в ВМТ и допускающего оперативное, дистанционное регулирование степени сжатия.
Вышеуказанный технический результат достигается за счет того, что двигатель внутреннего сгорания содержит установленные на раме две пары кронштейнов, в первой паре кронштейнов шарнирно смонтированы валы с жестко закрепленными на них поршневыми дисками, между которыми расположены цилиндры с поршнями, при этом цапфы цилиндров установлены в подшипниках поршневых дисков, а оси цапф каждого цилиндра смещены на величину «е» друг от друга, со второй парой кронштейнов шарнирно соединена пара кулис, на свободных концах которых шарнирно установлены оси с жестко прикрепленными к ним штоковыми дисками, между штоковыми дисками расположены штоки, на одних концах которых выполнены цапфы, шарнирно установленные в подшипниках штоковых дисков, а другие концы штоков расположены с возможностью взаимодействия с поршнями цилиндров, причем оси цапф каждого поршневого штока и оси вращения каждой пары дисков также смещены на величину «е» друг от друга, при этом все четыре оси поршневых и штоковых дисков лежат в одной плоскости.
Двигатель снабжен механизмом остановки поршня в верхней мертвой точке, выполненным в виде приводимого от вала двигателя кулачкового механизма, корпус которого с одной стороны шарнирно соединен с дополнительным кронштейном, смонтированным на основании, а с другой стороны через штангу и тяги шарнирно соединен с концами кулис и шарнирами первой пары кронштейнов.
Двигатель также может быть снабжен приводом регулирования степени сжатия, выполненным в виде червячного механизма, выполненного в одном корпусе с кулачковым механизмом, при этом штанга кулачкового механизма установлена на резьбе в червячном колесе, находящемся в зацеплении с червяком, имеющим привод от шагового электродвигателя.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами.
Фиг.1 - Двигатель, общий вид
Фиг.2 - Сечение по А-А на Фиг.1
Фиг.3 - Сечение по В-В на Фиг.2
Фиг.4 - Механизм регулирования степени сжатия (Узел С на Фиг.1)
Двигатель внутреннего сгорания выполнен следующим образом.
На раме 1 смонтирована пара кронштейнов 2 и 3, в которых вращаются ось 4 и выходной вал 5 с жестко закрепленными на них дисками 6 и 7. Между дисками 6 и 7 расположены цилиндры 8, цапфы которых установлены в подшипниках дисков 6 и 7. При этом оси цапф каждого цилиндра 8 смещены на некоторую величину «е» друг от друга. На раме 1 смонтирована также вторая пара кронштейнов 9 и 10, с которой шарнирно соединена пара кулис 11 и 12. В кулисах 11 и 12 шарнирно установлены оси 13 и 14 с жестко закрепленными на них дисками 15 и 16.
Между дисками 15 и 16 расположены поршневые штоки 18, цапфы которых шарнирно установлены в подшипниках дисков 15 и 16. При этом оси цапф каждого штока 18 также смещены на величину «е» друг от друга.
Оси вращения каждой пары дисков 6 и 7, 15 и 16 смещены друг от друга на ту же величину «е», и все четыре оси 4 и 5, 13 и 14 лежат в одной плоскости.
Такое выполнение обеспечивает плоскопараллельное перемещение цилиндров и штоков и постоянную пространственную ориентацию их осей независимо от угла поворота дисков. Двигаясь по круговым орбитам навстречу друг другу, поршневые штоки и соответствующие им цилиндры всегда расположены оппозитно (противоположно) друг другу и оси их совпадают.
Поршни 17 отделены от поршневых штоков 18 и находятся в цилиндрах 8. В процессе работы двигателя поршни и поршневые штоки лишь периодически вступают в контакт для осуществления тактов «сжатие» и «рабочий ход». Угол поворота вала 5 за один рабочий цикл зависит от конструкции двигателя и составляет 50-60 градусов, тогда как в серийных двухтактных ДВС эта величина равна 360, а в четырехтактных - 720. Таким образом, мощность на валу заявленного ДВС складывается из малой частоты вращения и большого крутящего момента.
Топливо по трубопроводу через вращающиеся уплотнения 19 и 20 по каналам в цапфах подается на плунжерные насосы высокого давления 21, установленные на каждом цилиндре и приводимые в действие упорами 22 на поршневых штоках.
На диске 6 смонтирована воздушная турбина 23 радиального типа, которая через каналы в цапфах цилиндров 8 осуществляет подачу воздуха, необходимого для работы двигателя и охлаждения цилиндров. Отвод выхлопных газов производится при помощи аналогичной турбины 24 диска 7. Крутящий момент снимается через вал 5.
Для осуществления остановки поршней в верхней мертвой точке (ВМТ) и регулирования степени сжатия диски 15 и 16 с поршневыми штоками 18 установлены на паре подвижных кулис 11 и 12, шарнирно установленных в кронштейнах 9 и 10. Положение кулис 11 и 12 фиксируется на раме при помощи штанги 25 и двух тяг 26. Эксцентриковый кулачок 27 закреплен на валике 28 и вращается в корпусе 29. Привод кулачка осуществляется от вала двигателя. Угловые скорости вала и кулачка точно согласованы: за один оборот вала кулачок совершает число оборотов, равное числу цилиндров. В тот момент, когда поршень начинает уходить из ВМТ, кулачок сообщает ему дополнительное движение вперед, что приводит поршень в состояние покоя относительно цилиндра.
Регулирование степени сжатия выполняется путем изменения положения ВМТ поршня при помощи штанги 25. Штанга ввинчена в гайку 30, выполненную в виде червячного колеса, которое находится в зацеплении с червяком 31, имеющим привод от шагового электродвигателя 32. Весь механизм шарнирно установлен в кронштейне 33, смонтированном на основании 1. При подаче управляющего сигнала шаговый двигатель вкручивает или выкручивает штангу, тем самым изменяя длину хода поршня в цилиндре на заданную величину.
Двигатель работает следующим образом. При рабочем ходе поршень 17 воздействует на шток 18, принуждая его к линейному перемещению, но такое перемещение неразрывно связано с поворотом дисков и выходного вала 5.
Рабочий цикл состоит из двух тактов: «сжатие» и «рабочий ход». Такт сжатия начинается, когда произойдет контакт поршневого штока 18 с поршнем 17. В конце такта сжатия в определенном, точно заданном положении поршня 17 упор 22 поршневого штока воздействует на плунжер насоса 21 и осуществляет подачу топлива в камеру сгорания. Начинается «рабочий ход», в конце которого поршень открывает вначале выхлопные, а затем продувочные окна цилиндра. Выхлопные газы выбрасываются в область разряжения турбины диска 7, где смешиваются с поступающим снаружи воздухом и удаляются из двигателя. По завершении рабочего хода поршень теряет контакт со своим штоком и, совершая круговое движение, какое-то время находится в относительном покое. В этот момент турбина диска 6 через каналы в цапфах и продувочные окна в цилиндре нагнетает воздух, который продувает и охлаждает цилиндр до тех пор, пока поршень и шток вновь не войдут в контакт.
После того как отработал первый цилиндр, поршень второго цилиндра вступает в контакт с соответствующим поршневым штоком и начинается рабочий цикл второго, затем третьего и всех последующих цилиндров.
Механизм остановки поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) работает следующим образом. В конце такта сжатия, когда начинается уход поршня из ВМТ, кулачок 27 через штангу 25, тяги 26 и шток 18 сообщает поршню 17 дополнительное движение вперед, которое компенсирует его уход назад и приводит его в состояние покоя относительно цилиндра на время, достаточное для впрыска и сгорания топлива. Таким образом, реализуется топливо сберегающий термодинамический цикл «подвод теплоты при постоянном объеме».
Для осуществления дистанционного регулирования степени сжатия необходимо с пульта управления подать электроимпульс на шаговый двигатель 32, который, вращая гайку 30, перемещает штангу 25 вверх или вниз, изменяя положение ВМТ поршня на заданную величину.
Использование описанной полезной модели позволит получить двухтактный, бескривошипный, малооборотный ДВС, обладающего улучшенной термодинамикой за счет остановки поршня в ВМТ и допускающий оперативное, дистанционное регулирование степени сжатия.