Патент на изобретение №2251008

(54) БЕСШАТУННЫЙ ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ СО ВСТРЕЧНО-ДВИЖУЩИМИСЯ ПОРШНЯМИ В РАБОЧИХ КАМЕРАХ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ФОРМЫ, ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ, С ДВУМЯ РАБОЧИМИ КАМЕРАМИ В БЛОКЕ

(57) Реферат:

Изобретение относится к машиностроению, касается усовершенствования поршневых двигателей внутреннего сгорания и может найти применение при разработке конструкций двигателей со встречно-движущимися поршнями. Технический результат заключается в возможности значительного повышения КПД двигателя при его минимальной себестоимости в серийном производстве. Согласно изобретению бесшатунный двухтактный двигатель внутреннего сгорания имеет встречно-движущиеся поршни, помещенные в, по меньшей мере, две рабочие камеры прямоугольной формы, которые установлены между двумя картерами. В каждом картере помещены три коленчатых вала, совмещенные с шестернями синхронного вращения. Причем средние коленчатые валы в каждом картере совмещены шестернями, составляющими редуктор для передачи вращения рабочему валу. Шейки кривошипов коленчатых валов попарно помещены в криволинейные пазы коромысел, на которых установлены штоки с поршнями, помещенными в рабочие камеры. По торцам рабочих камер установлены клапанные коробки, всасывающие клапаны которых соединены с турбокомпрессором, и нагнетательные клапаны с ресивером подачи воздуха в рабочие камеры. В ресивере установлены трубы выхлопного коллектора, соединенные с выхлопными окнами рабочих камер, и на выходе из ресивера соединены с турбовентилятором. В центре рабочих камер установлены дроссельные клапаны, соединенные коллектором с ресивером, которые снабжены электромагнитными регуляторами величины открытия проходного сечения клапана. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

Настоящее изобретение относится к машиностроению, касается усовершенствования поршневых двигателей внутреннего сгорания и может найти применение при разработке конструкций двигателей со встречно-движущимися поршнями в рабочих камерах.

Известен двухтактный двигатель (см. патент СССР №3092, МПК F 02 B 33/14, опублик. 30.06.1927), состоящий из двух цилиндров с двумя встречно-движущимися поршнями в каждом цилиндре. Цилиндры имеют рабочую часть в центре и две компрессионные части по торцам, при этом компрессионные части имеют больший диаметр. Поршни также имеют рабочую часть и компрессионную часть большего диаметра. Компрессионные части цилиндров имеют окна для всасывания и нагнетания воздуха. Рабочие части цилиндров имеют окна для нагнетания воздуха и отвода отработанных газов. Окна для нагнетания воздуха в рабочую часть цилиндров соединены коллектором с компрессионной частью. Окна для отвода газов объединены коллектором с выхлопной трубой. В двигателе установлена форсунка.

Использование комбинированных поршней с целью нагнетания воздуха в рабочую часть цилиндров усложняет конструкцию двигателя, что ведет к его удорожанию. Односторонняя продувка рабочей части цилиндров не обеспечивает дополнительной подачи воздуха в рабочую часть цилиндров, следовательно, не обеспечивается дополнительная мощность, которую мог бы дать компрессионный ход поршней. Следовательно, конструкция двигателя экономически нецелесообразна, что подтверждается отсутствием двигателя по патенту СССР №3092 в серийном производстве.

В основу настоящего изобретения положена задача разработки конструкции поршневого двигателя со встречно-движущимися поршнями в рабочих камерах прямоугольной формы, в котором при минимальной себестоимости двигателя в серийном производстве возможно значительное повышение КПД.

Согласно изобретению бесшатунный двухтактный двигатель внутреннего сгорания со встречно-движущимися поршнями в рабочих камерах прямоугольной формы имеет, по меньшей мере, две рабочие камеры, которые установлены между двумя картерами. В картерах помещены по 3 коленчатых вала, совмещенные с шестернями синхронного вращения. Причем средние коленчатые валы в каждом картере совмещены шестернями, составляющими редуктор для передачи вращения рабочему валу. Шейки кривошипов коленчатых валов попарно помещены в криволинейные пазы коромысел, на которых установлены штоки с поршнями, помещенными в рабочие камеры. По торцам рабочих камер установлены клапанные коробки, всасывающие клапаны которых соединены с турбокомпрессором, и нагнетательные клапаны с ресивером подачи воздуха в рабочие камеры. В ресивере установлены трубы выхлопного коллектора, соединенные с выхлопными окнами рабочих камер, и на выходе из ресивера соединены с турбовентилятором. В центре рабочих камер установлены дроссельные клапаны, соединенные коллектором с ресивером, которые снабжены электромагнитными регуляторами величины открытия проходного сечения клапана.

Поставленная задача решается тем, что рабочие камеры цилиндрической формы сложной конфигурации (см. патент СССР №3092) заменены рабочими камерами прямоугольной формы, по торцам которых установлены клапанные коробки, а поршни, помещенные в рабочие камеры, установлены на штоки бесшатунных механизмов, помещенных в картеры, между которыми установлены, по меньшей мере, две рабочие камеры с клапанными коробками.

В каждом из двух картеров установлено перпендикулярно к продольной оси рабочих камер по три коленчатых вала, шейки кривошипов которых помещены в криволинейные пазы коромысел. Причем средние коленчатые валы в каждом картере соединены между собой шестернями синхронного вращения, средняя из которых служит для передачи рабочего момента потребителю.

С целью активизации продувки и заполнения рабочих камер воздухом с давлением выше атмосферного всасывающие клапаны коробок подсоединены к турбокомпрессору, а нагнетательные клапаны подсоединены к ресиверу, в котором установлен выхлопной коллектор, работающий как глушитель. Коллектор с одной стороны соединен с продувочными окнами рабочих камер, а с другой стороны – с турбовентилятором, также заглушающим звук.

Для продувки и заполнения воздухом рабочих камер в ресивере установлены дроссельные клапаны с соленоидными регуляторами, что сделано с целью дозированной подачи воздуха в рабочие камеры в соответствии с задаваемой мощностью двигателя. Топливная форсунка также должна быть оборудована сигнальным устройством, дозирующим подачу топлива по норме поданного в рабочую камеру воздуха.

Кинематическая схема двигателя предопределяет позднее зажигание топливной смеси, что может быть обеспечено форсункой, описанной в патенте СССР №3092.

Использование в двигателе бесшатунных механизмов сократит габарит двигателя. Прямоугольная форма рабочих камер определяет механический способ их изготовления, что намного снизит себестоимость двигателя. Прямоугольная форма рабочих камер принята с целью применения пружинного поджатия уплотнительных пластин, что исключит потерю мощности двигателя в процессе эксплуатации, а значит, перерасход топлива, также исключит выброс СО (экономика с экологией).

Применение турбокомпрессора для подачи воздуха под поршни создает избыточный объем воздуха в ресивере, что обеспечивает полную продувку рабочих камер и достаточное количество воздуха для наполнения рабочей камеры при резком увеличении мощности двигателя.

Выхлопной коллектор, помещенный в ресивер, повышает температуру воздуха, дросселируемого в рабочую камеру, и работает как глушитель, не уменьшая мощности двигателя. Турбовентилятор, подключенный к выхлопному коллектору, также заглушает звук. В центре рабочих камер устанавливаются форсунки прерывистой подачи топлива в момент сжатия воздуха, описанные патентом СССР №3092, что позволяет увеличить время реакции топливной смеси, что увеличивает время активизации механической энергии, воздействующей на поршни.

Отработавшие газы, проходя через коллектор, установленный в ресивере, передают тепловую энергию нагнетаемому в ресивер воздуху, тем самым активизируя процесс воспламенения топливной смеси, что способствует увеличению мощности двигателя.

Перечисленные преимущества обеспечивают конкурентоспособность заявляемого к экспертизе двигателя.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено:

фиг.1 – сечение двигателя по поперечной оси картеров;

фиг.2 – сечение двигателя по продольным осям коленчатых валов;

фиг.3 – кинематическая схема двигателя;

фиг.4, 5, 6, 7 – полезный момент работы шеек кривошипов коленчатых валов;

фиг.8 – сечение двигателя по клапанным коробкам;

фиг.9 – сечение двигателя по выхлопным окнам;

фиг.10 – сечение двигателя по дроссельным клапанам.

На чертежах применены следующие обозначения: 1₁ и 1₂ – рабочие камеры; 2₁, 2₂ и 2₃, 2₄ – клапанные коробки; 3₁, 3₂ и 3₃, 3₄ – поршни; 4₁, 4₂ и 4₃, 4₄– штоки; 5₁, 5₂ и 5₃, 5₄ – коромысла; 6₁, 6₂, 6₃ и 6₄, 6₅, 6₆ – коленчатые валы; 7₁ и 7₂ – картеры; 8₁, 8₂ и 8₃, 8₄ – всасывающие клапаны; 9 – коллектор; 10₁, 10₂ и 10₃, 10₄ – нагнетательные клапаны; 11 – ресивер, 12 – выхлопной коллектор; 13 – продувочные окна; 14₁, 14₂ – дроссельный клапан; 15₁, 15₂ – соленоид; 16₁ и 16₂ – форсунки; 17₁, 17₂, 17₃ и 17₄, 17₅, 17₆ – шестерни синхронного вращения валов; 18₁, 18₂ – промежуточные шестерни; 19 – шестерня рабочего вала; 20 – рабочий вал; 21 – редуктор; 22 – турбокомпрессор; 23 – турбовентилятор.

Предлагаемый к экспертизе двигатель работает следующим образом. Для двигателя применены форсунки 16₁ и 16₂ (фиг.10), состоящие из калоризатора и диффузора с целью двукратной дозировки топлива, подающегося в рабочие камеры. При нахождении поршней 3₁ и 3₂ в верхних мертвых точках в рабочую камеру 1₁ впрыскивается топливо, что задает движение рабочего хода поршням 3₁ и 3₂, а через штоки 4₁ и 4₂ задает движение коромыслам 5₁ и 5₂. Коромысла приводят в движение шейки кривошипов коленчатых валов 6₁, 6₂ и 6₄, 6₅. Вращение коленчатых валов 6₁ и 6₂ через шейку второго кривошипа передается коромыслам 5₂ и 5₄, движение которых задает вращение коленчатым валам 6₃ и 6₆ и через штоки 4₂ и 4₄ движение компрессионного хода поршням 3₂ и 3₄ рабочей камеры 1₂ (фиг.2). Работа поршней потребителю передается через систему шестерней.

При подходе поршней 3₁ и 3₂ к нижним кромкам продувочных окон 13 открывается клапан 14₁ и в рабочую камеру поступает воздух. Отработанный газ через окна 13 поступает в коллектор 12 (фиг.1 и фиг.9) и, проходя по трубам, установленным в ресивере 11, нагревая воздух, находящийся в ресивере 11, выводится турбовентилятором 23 в атмосферу.

Термодинамический цикл двигателя определяется возможностями форсунки, описанной в патенте СССР №3092, в которой дозируется подача топлива в рабочую камеру.

В верхнем положении поршней 3₁ и 3₂ турбокомпрессором 22 (фиг.8) через коллектор 9, клапаны 8₁ и 8₂ в объем рабочей камеры под поршнем нагнетается воздух. При рабочем ходе поршней 3₁ и 3₂ клапаны 8₁ и 8₂ закрываются, и при сжатии воздуха до давления выше давления в ресивере 11 открываются клапаны 10₁ и 10₂ и воздух нагнетается в ресивер 11. При достижении верхней частью поршней 3₁ и 3₂ верхней кромки продувочных окон 13 начинается активный отсос газов турбовентилятором 23 через коллектор 12. При достижении верхней частью поршней 3₁ и 3₂ нижней кромки продувочных окон 13 открывается клапан 14₁ и в рабочую камеру подается воздух. При прикрытии продувочных окон 13 поршнями 3₁ и 3₂ клапаны 14₁ закрывается и начинается процесс сжатия воздуха. При ходе поршней 3₁ и 3₂ к верхним мертвым точкам открываются клапаны 8₁ и 8₂ и в рабочую камеру 1₁ под поршни нагнетается воздух. Газ, проходящий по трубам коллектора 12, расположенного в объеме ресивера 11, отдает тепловую энергию воздуху. Описанная схема отвода газа не снижает мощности двигателя.

Формула изобретения

1. Бесшатунный двухтактный двигатель внутреннего сгорания со встречно-движущимися поршнями в рабочих камерах прямоугольной формы, по меньшей мере, с двумя рабочими камерами, установленными между двух картеров, в которых помещены 3 коленчатых вала, совмещенных с шестернями синхронного вращения, причем средние коленчатые валы в каждом картере совмещены шестернями, составляющими редуктор для передачи вращения рабочему валу, шейки кривошипов коленчатых валов попарно помещены в криволинейные пазы коромысел, на которых установлены штоки с поршнями, помещенными в рабочие камеры, отличающийся тем, что по торцам рабочих камер установлены клапанные коробки, всасывающие клапаны которых соединены с турбокомпрессором, и нагнетательные клапаны с ресивером подачи воздуха в рабочие камеры.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в ресивере установлены трубы выхлопного коллектора, соединенные с выхлопными окнами рабочих камер, и на выходе из ресивера соединены с турбовентилятором.

3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что дроссельные клапаны, установленные в центре рабочих камер и соединенные коллектором с ресивером, снабжены электромагнитными регуляторами величины открытия проходного сечения клапана.

РИСУНКИ