Соосный двигатель внутреннего сгорания без коленчатого вала - RU2539224C2

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания для совершения работы и, в частности, к соосному/реверсивному двигателю внутреннего сгорания без коленчатого вала.

Предпосылки создания изобретения

Двигатели внутреннего сгорания возвратно-поступательного действия находят широкое и повсеместное применение, и в них обычно используется кривошипно-шатунный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение для приведения в действие механизма, такого как транспортное средство. Ввиду возвратно-поступательного характера движения таких двигателей, во время движения происходит потеря энергии, что снижает кпд двигателя и вызывает разбалансировки, приводящие к износу элементов двигателя, их неизбежной вибрации и к высокому уровню шума.

Предпринимались многочисленные попытки по решению указанных проблем. Например, роторные двигатели, планетарные двигатели, двигатели внутреннего сгорания с разделенным циклом, эксцентриковые двигатели, осевые двигатели, бочкообразные двигатели представляют собой двигатели, в которых коленчатый вал был заменен иным механизмом для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение, и за счет создания указанных двигателей был устранен ряд проблем, связанных по сути дела с разбалансированным коленчатым валом.

Такие двигатели способны приводить в движение механизмы, включающие лопасти или роторы, либо аналогичные механизмы, установленные на конце приводного вала, передающего движение механизму (например, лодке, самолету, подводной лодке, вертолету и т.д.). В частности, в машинах военного назначения использовались соосные роторы для вращения пары роторов или винтов в противоположных направлениях, однако они установлены на одном валу с одной и той же осью вращения за исключением устройств противоположного вращения, в которых роторы или винты вращаются на отдельных валах на отдельных осях в противоположных направлениях. Для любой из указанных схем требуется коробка передач определенного типа для преобразования работы одного вала в два вала противоположного вращения или соосных валов.

Планетарную зубчатую передачу или аналогичную коробку передач соосного исполнения используют для преобразования вращения приводного вала от двигателя к валу с соосной схемой или схемой противоположного вращения для приведения в действие соосных винтов или винтов противоположного вращения. Такие системы, например, находят применение в морских судах. Два винта или ротора расположены друг за другом, и мощность передается от двигателя через зубчатую передачу. Обеспечивается уменьшение вихревого движения потока, за счет чего через винты или роторы равномерно проходит максимальное количество воздуха или воды, в результате чего достигается более высокий кпд и сокращение энергетических потерь. Такие системы также позволяют сократить или исключить величину крутящего момента, создаваемого существующими одновинтовыми и роторными системами. Тем не менее, указанные двигатели и связанные с ними трансмиссионные системы обычно являются дорогостоящими, механически сложными, более тяжелыми, более дорогостоящими в плане технического обслуживания, создающими повышенный уровень шума и подверженными выходу из строя. Например, в соосном вертолете коробка передач и втулка несущего винта характеризуются исключительной сложностью и включают многочисленные системы тяг, пластины и иные детали, которые могут выйти из строя ввиду необходимости одновременного приведения в действие двух роторных дисков в противоположном направлении.

В патенте Австралии AU 629,238 (содержание которого инкорпорировано в настоящий патент путем отсылки) предлагается двигатель, сложная конструкция которого могла бы быть упрощена за счет создания двигателя возвратно-поступательного движения без коленчатого вала. Такой двигатель мог бы включать, по меньшей мере, один цилиндр, два противолежащих поршня, предназначенных для совершения возвратно-поступательного движения в противоположных направлениях вдоль продольной оси каждого цилиндра, при этом поршни образуют общую камеру сгорания, расположенную между ними, главный вал, расположенный параллельно продольной оси, и на расстоянии от продольной оси каждого цилиндра, и две аксиально расположенные на расстоянии друг от друга замкнутые сплошные, в основном синусоидальные, гусеничные ленты, установленные на главном валу для вращения вместе с ним, при этом гусеничные ленты взаимно соединены с поршнями таким образом, чтобы возвратно-поступательное движение поршней придавало вращательное движение главному валу. Двигатель дополнительно включает небольшую зарядную и запальную камеру, сообщающуюся с общей камерой сгорания, и устройство для впуска топлива в зарядную и запальную камеру для формирования в ней заряда обогащенной топливной смеси и для формирования заряда обедненной топливной смеси с воздухом в общей камере сгорания. Устройство зажигания расположено в зарядной и запальной камере и предназначено для поджигания в ней заряда обогащенной топливной смеси.

Тем не менее, в отношении выше предлагаемого двигателя необходимо решить проблемы, связанные с соосным вращением двух валов в противоположных направлениях, и проблемы, связанные с износом и сложностью механизма. Кроме того, для данного двигателя необходима коробка передач для преобразования мощности и крутящего момента, передаваемых с одновального двигателя на соосный приводной механизм.

Таким образом, существует необходимость в создании двигателя, обеспечивающего передачу всей мощности и крутящего момента при требуемой скорости вращения устройства на концентрические соосные валы, исключая при этом необходимость в коробке передач.

Цель настоящего изобретения

Цель настоящего изобретения заключается в основном в преодолении или, по меньшей мере, в устранении одного или нескольких недостатков устройств предшествующего уровня техники или, по меньшей мере, в создании приемлемой альтернативы.

Краткое изложение существа настоящего изобретения

В настоящем патенте раскрывается соосный двигатель внутреннего сгорания без коленчатого вала, содержащий:

по меньшей мере, один цилиндр, образующий продольно расположенную ось;

пару поршней, установленных для совершения возвратно-поступательного движения в противоположных направлениях вдоль продольной оси цилиндра, при этом пространство между поршнями образует общую камеру сгорания;

первый вал, расположенный в основном параллельно продольной оси цилиндра и сбоку на расстоянии от продольной оси цилиндра;

второй вал, расположенный в основном параллельно продольной оси цилиндра и сбоку на расстоянии от продольной оси цилиндра, при этом второй вал снабжен сквозным продольным отверстием, через которое может проходить и вращаться первый вал, при этом каждый поршень соединен с аксиально разнесенными эксцентриками, при этом первый эксцентрик опирается на первый вал, в то время как второй эксцентрик опирается на второй вал,

в результате чего при использовании возвратно-поступательное движение поршней передает на соответствующие валы вращательное движение в противоположных направлениях для приведения двигателя в действие.

Соосный двигатель внутреннего сгорания без коленчатого вала, предпочтительно включающий несколько цилиндров, размещенных вокруг валов.

Соосный двигатель внутреннего сгорания без коленчатого вала, предпочтительно включающий два цилиндра и четыре поршня, при этом поршни в одном цилиндре перемещаются со сдвигом по фазе 180° по отношению к поршням в другом цилиндре.

Соосный двигатель внутреннего сгорания без коленчатого вала, предпочтительно включающий три цилиндра и шесть поршней, расположенных по треугольной схеме на равном расстоянии вокруг валов.

Соосный двигатель внутреннего сгорания без коленчатого вала, предпочтительно включающий четыре или более цилиндров.

Соосный двигатель внутреннего сгорания без коленчатого вала, в котором эксцентрики расположены зеркально по отношению друг к другу.

Соосный двигатель внутреннего сгорания без коленчатого вала, в котором эксцентрики предпочтительно являются однолепестковыми, многолепестковыми, наклонными, скошенными или синусоидальными эксцентриками.

Соосный двигатель внутреннего сгорания без коленчатого вала, в котором каждый из поршней в противоположных цилиндрах, расположенных на одной и той же стороне двигателя, предпочтительно соединен с одним и тем же кулачком.

Соосный двигатель внутреннего сгорания без коленчатого вала, в котором поршни предпочтительно приводят в движение эксцентрики в противоположных направлениях, создавая соосное контрвращение валов.

Соосный двигатель внутреннего сгорания без коленчатого вала, в котором первая рама служит опорой первого вала, и вторая рама служит опорой второго вала.

Соосный двигатель внутреннего сгорания без коленчатого вала, предпочтительно включающий первое зубчатое колесо, функционально соединенное с первым валом.

Соосный двигатель внутреннего сгорания без коленчатого вала, предпочтительно включающий второе зубчатое колесо, функционально соединенное со вторым валом.

Соосный двигатель внутреннего сгорания без коленчатого вала, в котором первое и второе зубчатые колеса, соединенные с валами, предпочтительно связаны с помощью устройства для обеспечения временной синхронизации между валами.

Соосный двигатель внутреннего сгорания без коленчатого вала, в котором устройство предпочтительно является зубчатым колесом, обеспечивающим приведение в действие вала отбора мощности под углом приблизительно 90° по отношению к первому и второму валам.

Краткое описание чертежа

Ниже приведено подробное описание предпочтительного примера осуществления настоящего изобретения чисто иллюстративного характера со ссылками на прилагаемый чертеж, на котором:

Фиг. 1 - вид в поперечном сечении сбоку примера осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание предпочтительных примеров осуществления настоящего изобретения

На Фиг. 1 проиллюстрирован соосный двигатель внутреннего сгорания без коленчатого вала 1, включающий, по меньшей мере, один цилиндр 3, образующий продольную ось XX. Пара поршней 5, 6 установлена для совершения возвратно-поступательного движения в противоположных направлениях вдоль продольной оси XX цилиндра 3. Пространство 7 между поршнями 5 образует общую камеру сгорания 7. Первый вал 10 расположен в основном параллельно продольной оси XX цилиндра 3 и сбоку на расстоянии от продольной оси XX цилиндра 3. Второй вал 12 также расположен в основном параллельно продольной оси XX цилиндра 3 и сбоку на расстоянии от продольной оси XX цилиндра 3. Второй вал 12 снабжен сквозным отверстием 14, идущим в продольном направлении, через которое может проходить и вращаться первый вал 10. Первый вал 10 вращается в направлении, противоположном вращению вала 12. Поршни 5, 6 соединены с двумя аксиально разнесенными кольцевыми эксцентриками 16, 17. Первый эксцентрик 16 опирается на первый вал 10 и соединен с поршнем 5. Второй эксцентрик 17 опирается на второй вал 12 и соединен с поршнем 6. При использовании возвратно-поступательное движение поршней 5, 6 придает соответствующим валам 10, 12 вращательное движение в противоположных направлениях для приведения в действие двигателя 1.

Принцип работы двигателя, приведенного на Фиг. 1, аналогичен принципу работы известного двигателя внутреннего сгорания. Однако двигатель 1 включает два цилиндра 3, расположенных по противоположным сторонам первого вала 10 и второго вала 12, которые установлены в подшипниках 20 и 21 для обеспечения вращения в противоположных направлениях вокруг горизонтальной оси XX. В соответствии со значением, используемым в настоящем контексте, термины «аксиальный» и «радиальный» относятся к продольной оси YY первого и второго валов 10, 12. К первому валу 10 и ко второму валу 12 прикреплена пара расположенных на расстоянии друг от друга колес 22, вращающихся вместе с валами и имеющими аналогичные внешние цилиндрические поверхности. Каждое колесо 22 служит опорой для эксцентриков 16, 17, выступающих радиально наружу от цилиндрической поверхности соответствующего колеса 22. Эксцентрики 16, 17 профилированы в аксиальном направлении таким образом, чтобы они очерчивали замкнутую траекторию вокруг цилиндрической поверхности колес 22. В предпочтительной форме эксцентрики 16, 17 могут представлять собой однолепестковые, многолепестковые, наклонные, скошенные или синусоидальные эксцентрики, либо могут иметь такую форму, которая обеспечивала бы преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное движение для приведения в действие валов 10, 12. Два эксцентрика 16, 17 являются идентичными, при этом они расположены зеркально по отношению друг к другу.

Каждый цилиндр 3 и относящиеся к нему возвратно-поступательные поршни 5, 6 имеют одну и ту же конструкцию. Тем не менее, как видно из Фиг. 1, поршни 5, 6 в верхнем цилиндре 3 перемещаются со сдвигом по фазе 180° по отношению к поршням 5, 6 в нижнем цилиндре 3. Противолежащие поршни 5, 6 предназначены для совершения возвратно-поступательного перемещения в противоположных направлениях вдоль продольной оси XX цилиндра 3. К каждому поршню 5, 6 жестко или шарнирно прикреплен шатун 25, предназначенный для взаимодействия с эксцентриками 16, 17 с помощью одного, двух или нескольких ведущих подшипников 28 и заднего подшипника 29. По каждому торцу двигатель закрыт картером 30. В двигателе может быть использовано любое количество подшипников.

Как показано на Фиг.1, дальний конец шатуна 25 имеет вилкообразную форму для установки в нем одного, двух или более ведущих подшипников 28 на каждом ответвлении. Внешние ответвления выступают за эксцентрик 16 и предназначены для установки на них заднего подшипника 29. Поршни 5, 6 образуют общую камеру сгорания 7, расположенную между ними. Смежно с каждым цилиндром 3 установлена зарядная и запальная камера 40 (камера обогащенной топливной смеси), снабженная отверстием 42, соединяющимся с камерой сгорания 7. На камере 40 установлена свеча зажигания 45 для воспламенения топлива в камере. Топливный инжектор 46 регулирует поступление топлива в зарядную и запальную камеру 40. Процесс горения в двигателе обычно аналогичен процессу горения в существующих двигателях, и, кроме того, горение в камере также может обеспечиваться за счет компрессионного воспламенения при необходимости.

Двигатель 1 также может включать зубчатые колеса 50 или аналогичные элементы. Зубчатые колеса 50 являются коническими зубчатыми колесами или гипоидными колесами, которые могут входить в зацепление с обычным прямозубым коническим зубчатым колесом или гипоидным зубчатым колесом (не показано), установленным непосредственно на верхней части зубчатых колес 50 и первого и второго вала 10, 12, совместно блокируя вращение соосных валов 10, 12. Зубчатое колесо (не показано) также обеспечивает отбор мощности на вспомогательный вал, расположенный под углом 90° к соосным валам 10, 12. Указанная схема расположения валов может быть дублирована вокруг двигателя 1 при необходимости. Конструкция зубчатого колеса может изменяться в зависимости от необходимой скорости вращения, степени изменения передаточного числа и нагружении крутящим моментом вспомогательного устройства, такого как толкающий винт, которое зубчатое колесо приводит в действие, и путем изменения синхронизации указанной трансмиссии в ряде областей практического применения.

Выше настоящее изобретение описано со ссылкой на конкретные примеры, и специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что настоящее изобретение может быть осуществлено во многих других формах.

Реферат

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Соосный двигатель (1) внутреннего сгорания без коленчатого вала содержит по меньшей мере один цилиндр (3), имеющий продольно расположенную ось (XX), пару поршней (5) и (6), установленных для совершения возвратно-поступательного движения в противоположных направлениях вдоль продольной оси (XX) цилиндра (3) и два вала (10) и (12). Пространство между поршнями (5) и (6) образует общую камеру (7) сгорания. Первый вал (10) расположен параллельно продольной оси (XX) цилиндра (3) и сбоку на расстоянии от продольной оси (XX). Второй вал (12) расположен параллельно продольной оси (XX) цилиндра (3) и сбоку на расстоянии от продольной оси (XX) цилиндра. Второй вал (12) снабжен сквозным продольным отверстием (14), через которое может проходить и вращаться первый вал (10). Поршни (5) и (6) соединены с аксиально разнесенными эксцентриками (16) и (17). Первый эксцентрик (16) опирается на первый вал (10). Второй эксцентрик (17) опирается на второй вал (12). Первое зубчатое колесо (50) соединено с первым валом (10). Второе зубчатое колесо (50) соединено со вторым валом (12). Первое и второе зубчатые колеса (50) связаны с помощью устройства для обеспечения временной синхронизации между первым и вторым валами (10) и (12). Возвратно-поступательное движение поршней (5) и (6) передает на соответствующие валы (10) и (12) вращательное движение в противоположных направлениях для приведения двигателя в действие. Технический результат заключается в снижении износа и в упрощении конструкции двигателя. 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула