Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания

(51)5 Г 02 В 71/О ИЯ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ВЗМЫВАЯАф ДЯфф с ф 7 ЕЬЖ 2 28,05,90 св к днигателестбоднопорш невым 00(2 Д моточдвижу"ет два енвалы точным ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР 1(54) СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ(57) Изобретение относится к двигателестроения. Использование; преобразованиедвижения поршней, свободно установленных в цилиндрах, во вращение выходноговала,.Сущность изобретения: двигатель со- .держит два параллельно расположенныецилиндра 1,2 с размещенными в них встречйо движущимися поршнями 13 - 16, образуЮщими между собой камеры сгорания.Механизм преобразования движения поршней 13 - 16 во вращение выходного вала 49,айполненный в виде двух параллельно расположенных промежуточных валов 27, 28,соединенных между собой при помощи синхронизирующей зубчатой передачи 29 - 32,каждый из которых связан с одним из поршней 13 - 16 каждого цилиндра 1, 2, а также Изобретение относитроению, а частности к сводизелям.. Известен двухтактный дизель Д100) с неразделенной квмерой и пря ной щелевой продувкой с встречно щимися поршнями, который име коленвала - верхний и нижний, Кол связаны между собой - промежу муфт 46, 47 свободного хода с заклинивающими элементами и ведомой и ведущей полумуфтами, установленных между поршнями 13 - 16 и выходным валом 49. Предусмотрена система впрыска топлива и впрыска охлаждающей воды в цилиндры 1, 2. Для этого в камерах сгорания установлены топливные 7, 8 и водяные 9, 10 форсунки, датчики 11, 12 давления газа, а в корпусе-датчики остановки маховика 34, 35 и скорости его движения 36, 37, Кроме этого, каждый цилиндр 1, 2 снабжен электронным блоком 38, 39 управления, входы которого связаны с задающим устройством (40, 41) впрыска и датчиками 11, 12 давления газа, датчиками остановки 34, 35 и скорости движения маховиков 36, 37, а выходы - с ф топливной (7, 8) и водяной (9, 10) форсунками, Такое устройство обеспечивает качест-М венное опережение впрыска топлива, а ( " также внутреннее охлаждение цилиндров 1, 2 за счет впрыска охлаждающей воды после момента максимальнОго значения температуры горения с последующим низкотемпературным и низкотоксичным выхлопом4 зп. ф-лы,4 ил. вертикальным валом и двумя парами конических шестерен. При этом коленвалы вращаются в противоположные стороны. С верхним коленвалом шатунами связаны верхние поршни, управляющие открытием продувочных оконс нижним коленвалом шатунами связаны нижние поршни, управляющие открытием выпускных окон. Охлаждение в этих дизелях водяное с отводом излишнего тепла в окружающую среду.10 15 20 25 30 35 40 45 50 Недостатком существующих тепловозных и судовых двухтактных дизелей на базе Д - 100 (2 Д 100) типа 10 Д 100 М, 11 Д 100;13 Д 100, 14 Д 100 и 15 Д 100, выпускаемых промышленностью в настоящее время, является наличие в них коленчатых валов, на которых с участием шатунов усилие, создаваемое газами, разлагается на активную и пассивную составляющие, теряя при этом мощность.Известен также двухтактный дизельный двигатель с встречно движущимися свободными поршнями и буферными камерами, который имеет два параллельно расположенные цилиндры, сообщенные с продувочными и выпускными окнами, а также с топливными форсунками. Внутри цилиндров встречно установлены поршни, связанные через штоки с зубчатыми штангами, которые входят в зацепление с ведущими полумуфтами роликовых обгонных муфт, ведомые полумуфты которых жестко закреплены на боковых валах. Последние через центробежные буферы, зубчатую и зубчатоременные передачи связаны с выход,м валом, В наружных частях цилиндров двигателя имеются воздушные буферные камеры, Двигатель снабжен турбокомпрессо ром,Недостатками известного двигателя являются наличие в нем воздушных буферных камер, усложняющих его конструкцию, и применение в нем реечно-шестеренчатого зацепления, подвергающегося максимальным нагрузкам давления горения, а также наличие в элементах привода боковых валов роликовых муфт свободного хода с малой площадью элементов заклинивания, а также наличие в них наружной системы охлаждения с отводом тепла в окружающую среду.Целью изобретения является снижение максимальных нагрузок в механизме путем установки маховиков на каждом промежуточном валу, связанных с поршнями.Поставленная цель достигается тем, что свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания содержит два параллельно расположенные цилиндры, сообщенные с продувочными и выпускными окнами, а также с топливными и водяными форсунками с электроуправлениями (электроприводами) и датчиками давления газа. Внутри цилиндров встречно установлены поршни, связанные через шатуны и мотылевые пальцы с маховиками(или с коромыслами), состоящими из двух дисков, мотылевых пальцев и промежуточных валов, соединенных между собой при помощи синхронизирующих, коиическик зубчатых колес и вертикального вала, На маховиках установлены подвижные части датчиков остановки их и скорости их движения, неподвижные части которых установлены на корпусе двигателя. Эти датчики являются линейными генераторами переменного тока (могут также устанавливаться и датчики других типов). Каждый цилиндр предложенного двигателя снабжен электронной схемой управления вприска топлива и вприска охлаждающей воды, содержащей блок управления, задающее устройство вприска, датчики давления газа, датчики остановки и скорости движения маховиков, а также топливную и водяную форсунки с электроуправлениями (электроп риводаг 1 и),Поивод выходного вала двигателя выполняется двух типов: с применением клиновых муфт свободного хода, а также с применением конических клиновых муфт свободного хода.Привод выходного вала с применением клиновых муфт свободного хода выполнен таким образом, что вертикальный вал через две пары конических шестерен, две клиновые муфты свободного хода связан с цилиндрической шестерней и выходным валом,Привод выходного вала с применением конических клиновых муфт свободного хода выполнен таким образом, что синхронизирующие конические шестерни, входящие в зацепление с коническими шестернями вертикального вала, выполнены заодно с маховиками. С нижней синхронизирующей конической шестерней, выполненной заодно с нижним маховиком, входят в зацепление ведущие полумуфты конических клиновых муфт свободного хода, ведомые полумуфты которых жестко связаны с выходным валом (при необходимости вывода второго выходного вала нужно его вывести с верхней синхронизирующей шестерни аналогично, как он выведен уже с нижней синхронизирующей шестерни),На фиг. 1 изображена схема свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания с приводом выходного вала с применением клиновых муфт свободного хода; на фиг. 2 - то же, с применением конических клиновых муфт свободного хода; на фиг. 3 - схема клиновой муфты свободного хода; на фиг, 4 - схема конической клиновой муфты свободного хода.Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания содержит два параллельно расположенные цилиндры 1, 2 сообщенные с продувочными 3, 4 и выпускными 5, б, окнами, а также с топливными 7,8 и водяными 9, 10 форсунками и датчиками 11, 12 давления газа, Внутри цилиндров 1,2встречно установлены поршни.13 - 16, связанные через шатуны 17 - 20 и мотылевыепальцы 21 - 24 с маховиками 25, 26, состоящими из двух дисков, мотылевых пальцев и промежуточных валов 27, 28, соединенных между собой при помощи синхронизирующих конических зубчатых колес 29 - 32, ивертикального вала 33. С маховиками 25, 26 связаны датчики 34, 35 остановки маховиков и датчики 36, 37 скорости движениямаховиков,Каждый цилиндр предложенного двига-теля снабжен электронной схемой управления впрыска топлива и впрыскйохлаждающей воды, содержащей блоки 38, 39 управления, задающие устройства 40, 41 впрыска, датчики 11, 12 давления газа, датчики 34, 35 остановки маховика, датчики 36, 37 скорости движения маховика, а такжетопливные 7, 8 и водяные 9, 10 форсунки,Привод выходного вала двигателя выполняется двух типов: с применением клиновых муфт свободного хода и с применением конических клиновых муфтсвободного ходаПривод выходного вала с применением клиновых муфт свободного хода (фиг, 1) выполнен такию образом, что вертикальный вал 33 через две пары конических шестерен42, 43 и 44, 45, две клиновые муфты 46, 47 свободного хода связан с цилиндрической шестерней 48 и выходным валом 49.Привод выходного вала с применением конических клиновых муфт свободного ходавыполнен таким образом. что синхронизирующие конические шестерни 29, 31, входящие в зацепление с коническими шестернями 30, 32 вертикального вала 33, выполнены заодйо с маховиками 25, 26, Снижней синхронизирующей конической шестерней 31, выполненной заодно с нижним маховиком 26, входят в зацепление ведущие полумуфты конических клиновых муфт свободного хода, ведомые полумуфты которых жестко связаны с выходным валом. Клиновая муфта свободного хода (фиг. 3) . состоит из ведущей полумуфты, ведомой полумуфты и клиньев 50 - 55 с пружинами 56. На ведомой полумуфте 54 нет.цилиндрического зубчатого венца 57.Клиновая муфта свободного хода работает следующим образом.При вращении ведущей полумуфты против часовой стрелки клинья 50 - 55 поддействием этого вращения, давления пружин 56 и сил трения заклинивают ведущую с ведомой полумуфтой и далее вся клиновая муфта свободного хода вращается как одно целое, приводя во вращение своим зубчатым венцом 57 далее расположенные шес 10 15 20 25 30 35 40 50 55 терни. При вращении ведущейполумуфтыпо часовой стрелке клинья 50 - 55 свободнопроскальзывают по ведомой полумуфте изаклинивания не происходит. Ведомая полумуфта в это время не вращается и далеевращение не передается.Коническая клиновая муфта свободногохода (фиг. 4) состоит из ведущей полумуфты58, ведомой полумуфты 59 и профилированных клиньев с пружинами. На ведущей полумуфте 58 имеется конический зубчатыйвенец,Коническая клиновая муфта свободногохода работает следующим образом,При вращении ведущей полумуфты 58против часовой стрелки клинья поддействием этого вращения, давления пружин 61 исил трения заклинивают ведущую 58 с ведомой полумуфтой 59, далее вся коническаяклиновая муфта свободного хода вращаетсякак одно целое, приводя во вращение связанные с ее ведомой полумуфтой 59 элементы.При вращении ведущей полумуфты 58по часовой стрелке клинья свободно проскальзывают по ведомой полумуфте 59 изаклинивания не происходит, Ведомая полумуфта в это время не вращается и далеевращение не передается.Свободнопоршневой двигатель, внутреннего сгорания работает следующим образом,В цилиндре 1 происходят рабочий ход,выпуск отработанной газопаровой смеси ипродувка его сжатым воздухом (от газотурбонаддува) через продувочное окно 3 и выпускное окно 5. Далее поршни 13, 14движутся от крайних наружных положенийк крайним внутренним положениям, Приэтом поршнем 13 перекрывается. продувочное окно 3, а поршнем 14 перекрываетсявыпускное окно 5 и в этом цилиндре 1 производится сжатие воздуха до момента подхода поршней 13, 14 к крайнемувнутреннему положению, Затем топливнойфорсункой 7 производится вприск топливав цилиндр 1 и в нем начинается процессгорения-расширения. Поршни 13, 14 начинают двигаться от крайнего внутреннего положения к крайнему наружномуположению. управляющий сигнал на топливную форсунку 7 подается электроннымблоком 39 управления с необходимым опережением в зависимости от поступающихна него сигналов с датчика 35 остановкимаховика, датчика 37 скорости движениямаховика и задающего устройства 41 вприска.В цилиндре 2 происходят сжатие воздуха, вприск топлива топливной форсункой 8и в нем начинается процесс горения-расширения,",правляющий сигнал на топливную форсунку 8 подается электронным блоком 38 управления с необходимым опережением в зависимости от поступающих на него сигналов с датчика 34 остановки маховика, датчика 36 скорости движения маховика и задающего устройства 40 вприска, При этом поршни 15, 16 дникутся от крайнего внутреннего положения к крайнему наружному положению. При достижении в цилиндре 2 давления горения максимального значения и начала его спада датчик 12 давления газа дает об этом электрический сигнал на электронный блок 38 управления. Сюда же подаются сигналы с датчика 36 скорости движения маховика и задающего устройства 40 вприска, С учетом всех этих сигналов электронный блок 38 угравления выдает управляовий на водянуо форсунку 10 сигнал В момест после досикени 5 температуры горения максил 1 ального значения, производится обильный вприск охлаждаощей воды в цилиндр 2 (в существующих Д В С с кривошипно-шатунныл механизмолд моме максимального значения гемпературы горения наступает за 3-5" поворота криво- шипа после наступления моменга максимального значения давления горения), При этом вода, ин генсивно испаряясь, ахлакдает цилиндо 2 и увеличиваег за счет образовавшегося пара д,еле:е расширения и мощность дизеля, Порини 15. 16, двигаясь к крайнему наружему положеио, иткры. Оают выпускное окно 6, родуночное Око 4 и в цилиндре 2 производятся выпуск отработанной газопаровой смеси, продувка его сжатым воздухом через продувочное ок о 4 и выпускное окно 6. Далее поршни 15 16, двигаясь от крайнего наружного положения к коайнему внутреннему положению, псрекрывают продувочное окно 4 и выпускное окно 6, После чего в цилиндре 2 начинаегся процесс сжа гия воздуха,При достижении в цилиндре 1 давления горения максимального значения и ачале его спада датчик 11 давлеия газа дает об этом электрический сигнал в электронный блок 39 управления, Сюда же подаются сигналы с датчика 37 скорости двикения маховика и задающего устройсгва 41 вприска. С учетом всех этих сигналов электронный блок 39 управления выдает управляющий сигнал на водяную форсунку 9 в момент после достижения температуры горения максимального значения, ней производится обильный вприск охлаждающей воды в цилиндр 1. При этом вода, интенсивно испаряясь, охлаждает цилиндр 1 и увеличивает за счет образовавшегося пара давление рас При совершении рабочих ходов в ци 20 линдрах 1, 2 маховики 25, 26 совершают 25 10 15,5Г 40 4 Г,50 ширения, увеличивая этим самым мощность дизеля, Далее поршни 13, 14, двигаясь к крайнему наружному положению, открывают выпускное окно 5 и продувочное окно 3, в цилиндре 1 производятся выпуск отработанной газопаровой смеси через выпускное окно 5, а такке продувка его сжатым воздухрм через продувочное окно 3 и выпускное окно 5. Далее процесс в этом цилиндре 1 повторяется снова,В цилиндре 2 поршни 15, 16 движутся при сжатии воздуха от крайнего наружного полокения к крайнему внутреннему полокеию, При подходе поршней 15, 16 к крайнему внутреннему положению топливной форсункой 8 впискивается топливо в цилиндр 2. Далее процесс в этом цилиндре 2поиоряется снова,колебательные двикения, которые передактгся через валы 27, 28, две пары конических шестерен 29, 30 и 31, 32 на вертикальный вал 33, с которого движения передаются через две пэры конических шестерен 42, 43 и 44, 45 на клиновые муфты 46, 47 свободно- и хода, которые эти колебательные движения поочередно "выпрямляют" и однонаправленное движение передают на выходную цилиндрическуо шестерню 48 и вь ходной вал 49, а далее через конические зубчаые зацепления с шестерни 31, выполненой заодно с маховиком 26, на коническис:;линовые муфты 50, 51 свободного хода, которые зти колебательные движения поочередно "выпрямляют" и далее однонаправленное движениее передают на выходной вал 52.С помощью конических шестерен.30, 32, входящих в зацепление с коническими шес рнями 29, 31, связанных с маховиками 25, 26 и вертикального вала 33 производится синхронизация движения поршней 13 - 16, Радиусы маховиков(или коромысел) до центра мотылевых пальцев Ям выполняются таксй величины, что при нахождении поршней под максимальным давлением горения (при номинальной степени сжатия) шатуны его находятся в вертикальном полокении, а плео, создаваемое крутящий момент, равно в это время не менее, чем 0,9 Ял,Количество вприскиваемой воды для охлаждения цилиндров должно быть таким, чтобы температура выхлопа газопаровой смеси была порядка 110-120 С, чтобы пар в цилиндрах не конденсировался. Количество вприскиваемой воды устанавливается задатчиком вприска, а корректируется с помощью сигнала датчика скорости движениямаховика,Применение свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания предложенной . конструкции позволит снизить максимальные нагрузки в механизме путем установки маховиков на каждом промежуточном валу, 5 связанном с поршнями. Кроме того, будут снижены максимальные нагрузки в элементах привода выходного вала за счет применения клиновых и конических клиновых муфт свободного хода. Применение в пред ложенном двигателе электронной системы управления, обеспечивающей качественное опережение вприска топлива, позволит в нем поучить большие мощности. Водяные форсунки, применяемые для внутреннего 15 охлаждения цилиндров, позволят в нем также увеличить мощность, избавиться от наружной системы охлаждения, а также уменьшить токсичность выхлопа.Формула и зоб рете н и я 20 1, Свободнопоршневой двигатель внут.- реннего сгорания, содеркащий корпус, по меньшей мере два параллельно расположенных цилиндра с размещенными в них . встречно движущимися поршнями, образу ющими между собой камеры сгорания, механизм преобразования движения поршней во вращение выходного вала, выполненный в виде двух параллельно расположенных промежуточных валов, соединенных между 30 собой при помощи синхронизирующей зубчатой передачи, каждый из которых связан с одним из поршней каждого цилиндра, а также муфт свободного хода с заклинивающими элементами и ведомой и ведущей по лумуфтами,: установленных между поршнями и выходным валом, и систему впрыска топлива, выполненную в виде топливных форсунок, установленных в каждой камере сгорания и связанных с блоком уп равления с возможностью поочередной подачи на форсунки управляющего сигнала, о т л и ч э ю щ и й с я тем, что, с целью снижения максимальных нагрузок в механизме, на каждом промежуточном валу установлен маховик, связанный с поршнями, а синхронизирующая передача выполнена в виде вала, расположенного перпендикулярно промежуточным валам и зацепленного с ними при помощи конических зубчатых колес.2.Двигатель по и. 1, отл ича ю щий с я тем, что заклинивающие элементы выполнены в виде клиньев,3, Двигатель по пп. 1 и 2, о т л и ч а ющ и й с я тем, что в камерах сгорания дополнительно установлены водяные форсунки и датчики давления газа, в корпусе установлены датчики остановки маховика и скорости его движения, а каждый цилиндр снабжен блоком управления, входы которого связаны с, задающим устройством впрыска и датчиками давления газа, остановки и скорости движения маховика, а выходы - с топливной и водяной форсунками.4. Двигатель по пп, 1 - 3, о т л и ч э ю щ и йс я тем, что на выходном валу установлена цилиндрическая шестерня, зацепленная с шестернями ведомых полумуфт муфт свободного хода, а ведущие полумуфты зацеп- лены с синхронизирующим валом при помощи конических передач.5. Двигатель по пп, 1 - З,отл ич а ющи йс я тем, что ведомые полумуфты муфт свободного хода жестко установлены на выходном валу, а конические шестерни промежуточных валов выполнены заодно с маховиками, одна из которых зацеплена с обеими ведущими полумуфтами.Приоритет по пунктам:03,05,90 пп, 1 - 4;28,05.90 по и. 5.