бесшатунный двухтактный двигатель

Классы МПК:F02B75/28 двигатели с двумя или более поршнями в одном и том же цилиндре или в нескольких соосных цилиндрах
F02B33/14 поршень двигателя и поршень нагнетателя выполнены в виде одного ступенчатого поршня 
Автор(ы):, , , , ,
Патентообладатель(и):21 НИИИ АТ Минобороны России
Приоритеты:
подача заявки:
1997-06-26
публикация патента:

Изобретение относится к двухтактным поршневым двигателям внутреннего сгорания. В одном цилиндре двигателя расположены два поршня двойного действия, с двумя коленчатыми валами, кинетически связанные между собой парой шестерен. Коленчатый вал и поршень соединены звеном связи, размещенным в пазу поршня и охватывающим шатунную шейку коленчатого вала, при этом ориентированные к друг другу днища поршней образуют камеру сгорания, противоположные днища - продувочную часть. Двигатель оснащен поршнями, в которых паз для размещения звена связи выполнен под углом 80o к оси поршня (наклонный паз), а для улучшения очистки цилиндра или создания избыточного давления в нем продувочные части цилиндра имеют больший диаметр, чем диаметр его рабочей части. Технический результат заключается в том, что неравномерность возвратно-поступательного движения поршней увеличивается так, что в конце такта сжатия и в конце рабочего хода поршень останавливается в верхней мертвой точке раньше, чем центр шатунной шейки пересекает ось цилиндра. Указанная особенность кинематики поршня используется для организации смесеобразования и сгорания основной части топлива, в расчетном объеме камеры сгорания, а также для улучшения продувки цилиндра и заполнения его свежим зарядом воздуха за относительно меньший ход поршней. Разница в диаметрах цилиндра в его рабочей и продувочной части обеспечивает улучшение продувки и наддув двигателя. 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

Формула изобретения

Бесшатунный двухтактный двигатель с противоположно расположенными в одном цилиндре двумя поршнями двойного действия, с двумя коленчатыми валами, кинематически связанными между собой одной парой шестерен, в котором коленчатый вал и поршень соединены звеном связи, размещенным в пазу поршня и охватывающим шатунную шейку коленчатого вала, при этом ориентированные к друг другу днища поршней образуют камеру сгорания, противоположные днища - продувочную часть, отличающийся тем, что паз в поршне для размещения звена связи выполнен наклонным, под углом 80o к оси поршня, а диаметр продувочных частей каждого цилиндра в 1,2 - 1,3 раза больше, чем диаметр его рабочей части.

Описание изобретения к патенту

Настоящее техническое решение относится к области двигателестроения, а более конкретно к поршневым двигателям.

Известен двигатель с противоположно расположенными поршнями (патент Японии N 58-5317, МПК F 02 B 75/28, 1983).

Двигатель содержит блок цилиндров (или один цилиндр) с размещенными в цилиндре двумя поршнями и установленными с каждой стороны цилиндра по коленчатому валу, каждый в автономном картере. В картере размещены также опоры коренных шеек коленчатого вала. Связь между шатунной шейкой вала и поршнем реализуется обычным шатуном.

К преимуществам такого двигателя относятся взаимная уравновешенность поршней, возможность исполнения бесклапанной и безгазового стыка камеры сгорания при двухтактном цикле. Однако в этой схеме сложен передаточный механизм между двумя коленчатыми валами, состоящий из нескольких пар шестерней, соответственно валики габаритные размеры двигателя по картеру одного и другого коленчатого вала, значительная часть рабочего хода поршней приходится на процесс продувки.

Лучшими показателями по габаритным размерам обладает известный двигатель с поршнями двойного действия (патент Японии N 49-17962 МПК F 01 B 1/08, 1974).

У этого двигателя поршень и коленчатый вал соединены звеном связи, размещенным в пазу поршня и охватывающим шатунную шейку коленчатого вала. Оба днища поршня рабочие.

Массово-габаритные показатели двигателя выше, чем двигателя с шатунами, однако одиночный поршень двойного действия обладает значительной массой, для уравновешивания которой необходимы соответствующие противовесы на коленчатом валу.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению, принятым за прототип, является бесшатунный двухтактный двигатель с противоположно расположенными в одном цилиндре двумя поршнями двойного действия, с двумя коленчатыми валами, кинематически связанными между собой парой шестерней, в котором коленчатый вал и поршень соединены звеном связи, размещенным в пазу поршня и охватывающим шатунную шейку коленчатого вала, при этом ориентированные к друг другу днища поршней образуют камеру сгорания, а противоположные днища - продувочную часть, известный из заявки ФРГ N 3039536, МПК F 01 B 9/02, 1982.

Недостаток известного двигателя заключается в увеличенной скорости поршней перед верхней и нижней мертвыми точками (ВМТ и НМТ), что ухудшает эффективность работы двигателя.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы двигателя.

Поставленная задача решается тем, что бесшатунный двухтактный двигатель с противоположно расположенными в одном цилиндре двумя поршнями двойного действия, с двумя коленчатыми валами, кинематически связанными между собой одной парой цилиндрических шестерней, коленчатый вал и поршень двигателя соединены звеном связи, размещенным в пазу поршня и охватывающим шатунную шейку коленчатого вала, ориентированные друг к другу днища поршней образуют камеру сгорания, противоположные же днища используются для продувки и заполнения цилиндра свежим зарядом воздуха, причем паз для размещения звена связи выполнен под углом 80o к оси поршня (наклонный паз), а для улучшения очистки цилиндра, или создания избыточного давления в нем в процессе продувки продувочные части цилиндра имеют больший диаметр в 1,2-1,3 раза больше, чем диаметр его рабочей части.

Схема бесшатунного двигателя приводится на фиг. 1.

Кинематика поршня бесшатунного двигателя с наклонным пазом в поршне приведена на фиг. 2, а кинематика поршня с прямым пазом в поршне - на фиг. 3.

Двигатель (фиг. 1) содержит разъемный по коренным опорам цилиндр 1; крышки цилиндра 2, 12 с нагнетательным и обратными клапанами (на фиг. 1 клапаны не показаны); продувочные полости цилиндров 3, 13; диаметром D2 поршни 4, 14; коленчатые валы 5, 15; шатунные шейки коленчатых валов 6, 16; звенья связи 7, 17; пазы поршней 8, 18; рабочую полость цилиндра диаметром D1 9; форсунку 10; водяную рубашку цилиндра 11; (продувочные окна и каналы, а также шестерни кинематической связи валов, на схеме не показаны).

Двигатель работает следующим образом: при синхронном вращении коленчатых валов круговое движение шатунной шейки вала с помощью звена связи раскладывается на возвратно-поступательное движение поршня вдоль оси цилиндра и на движение звена связи по пазу поршня. При встречном движении поршней в рабочей полости цилиндра осуществляется сжатие воздуха, а в продувочных полостях их наполнение свежим зарядом, на обратном ходу, соответственно, рабочий ход, продувка и нагнетание продувочного воздуха. Расчетный коэффициент избытка воздуха получают принятием отношения D1/D2 цилиндра.

Расположение паза в поршне наклонным увеличивает неравномерность возвратно-поступательного движения поршней, таким образом, что в конце такта сжатия и в конце рабочего хода поршень останавливается в ВМТ раньше, чем центр шатунной шейки коленчатого вала пересечет ось цилиндра. Тем самым увеличивается (по углу поворота коленчатого вала) длительность движения поршня с минимальной скоростью в конце такта сжатия и в конце рабочего хода. Соответственно повышается скорость движения поршня на такте рабочего хода. Изложенное поясняется диаграммой (фиг. 2).

На диаграмме (фиг. 2) обозначено бесшатунный двухтактный двигатель, патент № 2133847 = (10) градусов - угол наклона паза поршня относительно перпендикуляра к продольной оси поршня, бесшатунный двухтактный двигатель, патент № 21338471 = 20 градусов - угол поворота коленчатого вала, соответствующий минимальной скорости движения поршня, а бесшатунный двухтактный двигатель, патент № 2133847S1 - ход поршня за угол поворота коленчатого вала, равный 20o в конце такта сжатия. Соответственно бесшатунный двухтактный двигатель, патент № 21338472 = 20o и ход поршня бесшатунный двухтактный двигатель, патент № 2133847S2 в конце рабочего хода.

Указанные обозначения сохранены на диаграмме (фиг. 3), которая приводится для сравнения при бесшатунный двухтактный двигатель, патент № 2133847 = 0 (прямой паз в поршне).

Сравнивая значения бесшатунный двухтактный двигатель, патент № 2133847S1 и бесшатунный двухтактный двигатель, патент № 2133847 а также бесшатунный двухтактный двигатель, патент № 2133847S2 и бесшатунный двухтактный двигатель, патент № 2133847 (фиг. 2 и 3), можно заключить, что за последние 20o поворота коленчатого вала до ВМТ (или НМТ) поршень с наклонным пазом проходит путь в несколько раз меньший, чем поршень с пазом под прямым углом (фиг. 3) (замеленное движение поршня до ВМТ, например, при частоте вращения вала двигателя 2000 мин-1) достаточно по времени для впрыска топлива, подготовки топливо-воздушной смеси к воспламенению, воспламенения и сгорания основной его части к моменту поворота коленчатого вала, соответствующему расчетному объему камеры сгорания над поршнями.

Замедленное движение поршня перед ВМТ (участок бесшатунный двухтактный двигатель, патент № 2133847S2 ) увеличивает время на продувку цилиндра при минимальной потере рабочего хода поршня, обусловленного необходимостью продувки.

Замедленное движение поршня перед ВМТ и НМТ приводит к увеличению скорости движения поршня во время рабочего хода и сжатия. Такое увеличение способствует снижению объемных потерь рабочего тела и воздуха на указанных тактах.

Таким образом, наклон паза в поршне способствует повышению экономичности двигателя и проявляется при сохранении возможности обеспечения высокой степени уравновешенности и других преимуществ двигателя с противоположным расположением поршней и двумя коленчатыми валами, а также при сохранении компактности бесшатунного двигателя с поршнями двойного действия. Кроме этого поршни двойного действия путем вариации отношений диаметров рабочего и продувочного днищ поршней позволяют выбрать оптимальную степень очистки цилиндра при разработке конструкции двигателя.

Класс F02B75/28 двигатели с двумя или более поршнями в одном и том же цилиндре или в нескольких соосных цилиндрах

двигатель внутреннего сгорания (варианты) -  патент 2529290 (27.09.2014)
двигатель внутреннего сгорания со взаимосоединенными поршнями -  патент 2506443 (10.02.2014)
прямодействующий симметричный двигатель внутреннего сгорания -  патент 2500908 (10.12.2013)
способ организации газообмена в двухтактном двигателе с противоположно движущимися поршнями (варианты) -  патент 2499151 (20.11.2013)
двигатель внутреннего сгорания -  патент 2484270 (10.06.2013)
двигатель внутреннего сгорания -  патент 2436973 (20.12.2011)
двигатель с поршнями, расположенными параллельно приводному валу -  патент 2427719 (27.08.2011)
способ работы двигателя внутреннего сгорания -  патент 2422651 (27.06.2011)
способ пуска бинарного двс -  патент 2407901 (27.12.2010)
двигатель с пилотным воспламенением гомогенного заряда и оппозитными поршнями -  патент 2395700 (27.07.2010)

Класс F02B33/14 поршень двигателя и поршень нагнетателя выполнены в виде одного ступенчатого поршня 

аксиально-поршневой двигатель -  патент 2454544 (27.06.2012)
четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с грибовидным поршнем -  патент 2213872 (10.10.2003)
способ сжатия воздушно-топливной смеси с досжатием до воспламенения, способ использования горячих газов высокого давления и эксцентрик механизма досжатия (варианты) -  патент 2189467 (20.09.2002)
двухтактный двигатель внутреннего сгорания -  патент 2188959 (10.09.2002)
двухтактный двигатель внутреннего сгорания -  патент 2178823 (27.01.2002)
двигатель внутреннего сгорания -  патент 2177066 (20.12.2001)
двигатель внутреннего сгорания с пирамидальным поршнем и механизмом досжатия (дизель) -  патент 2141569 (20.11.1999)
способ сжатия воздушно-топливной смеси и использования горячих газов высокого давления в двигателе внутреннего сгорания -  патент 2140547 (27.10.1999)
двигатель внутреннего сгорания "супербан" -  патент 2109967 (27.04.1998)
механизм газораспределения двигателя внутреннего сгорания с наддувом -  патент 2105888 (27.02.1998)
Наверх