ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F02B75/32 

Изобретение относится к двигателестроению, преимущественно к силовым установкам для транспортных машин, в частности, с поршневыми двигателями внутреннего сгорания.

Известен двигатель, представляющий собой бесшатунный механизм, содержащий два кривошипа, на которых жестко насажены вращающиеся шестерни с радиусом начальной окружности, равным одной четверти хода поршней, а также пара неподвижных шестерен внутреннего зацепления с радиусом начальной окружности, равным половине хода поршней, при этом вращающиеся шестерни установлены с возможностью взаимодействия с неподвижными шестернями. С целью повышения долговечности и уменьшения габаритов механизм снабжен опорой и установленным в ней дополнительным коленом, шарнирно связывающим вращающиеся шестерни между собой с возможностью перемещения последних в противофазе [1] .

Недостатком механизма является то, что он содержит два кривошипа и дополнительное колено, шарнирно связывающее вращающиеся шестерни. Вследствие этого подвижное звено, соединяющее шарнирно поршень с кривошипом, будет оказывать одностороннее боковое реактивное воздействие на поршень, рубашка цилиндра будет изнашиваться неравномерно, образуя в сечении цилиндра вместо окружности эллипс, большая ось которого будет располагаться в плоскости движения соединительного звена и кривошипа. Кроме того механизм, как и все кривошипно-ползунные механизмы, обладает одним крупным недостатком: в период установления кривошипа по оси движения ползуна крутящий момент на коленчатый вал не передается, что является причиной низкого его КПД, появления вибраций с частотой вращения коленчатого вала, неравномерных динамических нагрузок и т. д.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с цилиндрами, поршни со штоками, равноплечие коромысла, соединенные со штоками общими шарнирами и с выходным валом через первый и второй планетарные механизмы, имеющие колесо внутреннего зацепления, свободное водило, центральную шестерню и два сателлита, механизм ограничения и регулирования хода поршня, выполненный в виде наружного и внутреннего эксцентриков и шатуна, соединенного подвижно с общим шарниром одного из штоков и с наружным эксцентриком. С целью повышения надежности работы и эксплуатационных характеристик в корпусе между планетарными механизмами неподвижно установлено зубчатое колесо внутреннего зацепления с двумя сателлитами, один из которых жестко соединен с осью сателлита первого планетарного механизма, а другой - с осью сателлита второго планетарного механизма, водила подвижно установлены на выходном валу и кинематически соединены с сателлитами и через равноплечие коромысла - со штоками поршней, причем центральные шестерни неподвижно закреплены на выходном валу, а колеса внутреннего зацепления планетарных механизмов размещены в корпусе с возможностью вращения. Водила выполнены крестообразными, причем водило первого планетарного механизма одним концом через ось сателлита и коромысло шарнирно связано со штоком поршня первого цилиндра, а другим концом через коромысло - со штоком поршня второго цилиндра, водило второго планетарного механизма одним концом через ось сателлита и коромысло шарнирно связано со штоком поршня второго цилиндра, а другим концом через коромысло - со штоком поршня первого цилиндра [2] .

Недостатком двигателя является то, что он выполнен с зубчатым колесом внутреннего зацепления с двумя сателлитами, один из которых жестко соединен с осью сателлита первого планетарного механизма, а другой - с осью сателлита второго планетарного механизма, и содержит водила, выполненные крестообразными, дополнительные колеса внутреннего зацепления планетарных механизмов, размещенные в корпусе с возможностью вращения. Эти признаки усложняют конструкцию двигателя, так как только на одну поршневую группу необходимо иметь водило сложной крестообразной формы с двумя блоками сателлитов и с двумя отдельными сателлитами, одно подвижное зубчатое колесо с внутренним зацеплением. Планетарные механизмы выполнены как редуктор Давида с двумя внутренними зацеплениями, который, как известно, имеет низкий КПД.

Цель изобретения заключается в упрощении конструкции двигателя.

Цель достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус, по меньшей мере два цилиндра с расположенными в них в противофазе поршнями, каждый из которых соединен при помощи двух равноплечих коромысел с одним из механизмов преобразования движения, который выполнен в виде солнечного колеса, жестко установленного на выходном валу, коронной шестерни с внутренним зацеплением, размещенной в корпусе с возможностью ее свободного вращения, по меньшей мере одного сателлита, установленного подвижно на оси водила и зацепленного с коронной шестерней и солнечным колесом, и механизма регулировки хода, размещенного на валу и связанного с одним из поршней, причем водило одного механизма непосредственно связано с первым коромыслом одного поршня, а водило другого - с его вторым коромыслом при помощи двуплечего рычага, расположенного на оси выходного вала, согласно изобретению, сателлиты обоих механизмов зацеплены с общей коронной шестерней, первое коромысло другого поршня соединено с механизмом регулировки хода, а его второе коромысло связано со свободным концом двуплечего рычага при помощи оси, параллельной выходному валу.

На фиг. 1 и 2 изображена кинематическая схема двигателя в двух проекциях.

Двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 1, по меньшей мере два цилиндра 2 и 3 с расположенными в них в противофазе поршнями 4 и 5, каждый из которых соединен при помощи двух равноплечих коромысел 6, 7, 8 и 9 с одним из механизмов преобразования движения, который выполнен в виде солнечного колеса 10 и 11, жестко установленного на выходном валу 12, коронной шестерни 13 с внутренним зацеплением, размещенный в корпусе 1 с возможностью ее свободного вращения, по меньшей мере одного сателлита 14 и 15, установленного подвижно на оси водила 16 и 17 и зацепленного с коронной шестерней 13 и солнечным колесом 10 и 11, и механизм 18 регулировки хода, размещенный на валу 12 и связанный с одним из поршней 5, причем водило 16 одного механизма непосредственно связано с первым коромыслом одного поршня 4, а водило 17 другого - с его вторым коромыслом 7 при помощи двуплечего рычага 19, расположенного на оси выходного вала 12. Сателлиты 14 и 15 обоих механизмов зацеплены с общей коронной шестерней 13, одно коромысло 9 другого поршня 5 соединено с механизмом 18 регулировки хода, а его второе коромысло 8 связано со свободным концом двуплечего рычага 19 при помощи оси 20, параллельной выходному валу 12. Механизм 18 регулировки хода выполнен в виде эксцентрика, установленного неподвижно на валу 12, и втулки 21 с кольцевым пазом, надетой на эксцентрик и соединенной подвижно с коромыслом 9.

Механизмы преобразования движения выполнены в виде редуктора Давида с одним внешним и одним внутренним зацеплением, имеющим высокий КПД. Обе поршневые группы с помощью двуплечего рычага 19 и оси 20 взаимосвязаны между собой, причем дифференциальный зубчатый механизм рабочей в данный момент поршневой группы, у которой поршень перемещается вниз, замыкается через коронную шестерню 13 и нерабочую поршневую группу. В следующем такте поршневые группы меняются ролями, так как их механизмы преобразования движения идентичны друг другу. Шестерня 13, входя в замыкающие цепочки обеих поршневых групп и опираясь на водило нерабочей поршневой группы, вращающееся с иной частотой в противоположную сторону, чем водило рабочей поршневой группы, воспринимает опорный или реактивный момент. Это можно установить сопоставлением угловых частот вращения вала 12 и шестерни 13, рассматривая дифференциальные механизмы поршневых групп. Угловые частоты вращения водил 16 и 17 согласно уравнению Виллиса для дифференциальных механизмов
ω₁₆= U_16;10¹³˙ω₁₀+U_16;13¹⁰˙ω₁₃ ; (1)
-ω₁₇= U_17;11¹³˙ω₁₁-U_17;13¹¹˙ω₁₃ , (2) где ω₁₆ и ω₁₇ - угловые частоты вращения водил 16 и 17, причем ω₁₇имеет знак (-), так как водило 17 вращается в противоположную сторону, чем водило 16, вращающееся в принятом за положительное направление по часовой стрелке;
ω₁₀ и ω₁₁ - угловые частоты вращения центральных солнечных колес 10 и 11, причем ω₁₀ = ω₁₁, так как колеса 10 и 11 закреплены на одном и том же валу 12. ω₁₀ и ω₁₁ всегда положительны, так как при рабочем ходе того или иного поршня 4 или 5 вал 12 вращается в сторону направления вращения водила 16 или 17 рабочей поршневой группы по часовой стрелке. Значения ω₁₀ или ω₁₁ всегда устанавливаются минимально возможные, так как вал 12, связанный с ходовыми колесами, преодолевает полезное сопротивление;
ω₁₃- угловая частота вращения коронной шестерни 13. Как показывают уравнения (1) и (2), шестерня 13 вращается под действием водила 16 по часовой стрелке, а под действием водила 17 - против часовой стрелки (см. также планы скоростей на фиг. 1). Поэтому на шестерне 13, свободной от полезного сопротивления, складываются две скорости от двух ведущих водил 16 и 17, определяемые уравнениями Виллиса:
ω₁₃= U_13;10¹⁶˙ω₁₀+U_13;16¹⁰˙ω₁₆ ; (3)
ω₁₃= U_13;11¹⁷˙ω₁₁-U_13;17¹¹˙ω₁₇ . (4)
Так как числа зубьев центральных колес 10 и 11 одинаковы, т. е. Z₁₀= Z₁₁, также равны числа зубьев сателлитов 14 и 15, то передаточные отношения U_13;16¹⁰ и U_13;17¹¹ от шестерни 13 до водила 16 или 17 при неподвижном колесе 10 или 11 равны между собой. Тогда, складывая уравнения (3) и (4), получаем:
2 ω₁₃= U_13;10¹⁶˙ω₁₀+U_13;11¹⁷˙ω₁₁ , где передаточные отношения равны
U1613

При равных Z₁₀ = Z₁₁ и ω₁₀= ω₁₁
2ω₁₃= -2 · ω₁₀ или
ω₁₃= - · ω₁₀. (5)
Уравнение (5) показывает, что угловая частота вращения шестерни 13 равна алгебраической сумме скоростей от водил 16 и 17 (см. также планы скоростей на фиг. 1) и имеет постоянную величину, определяемую уравнением (5). Знак (-) в уравнении (5) показывает, что шестерня 13 вращается в противоположную сторону по сравнению с водилом 16 и с колесами 10 и 11, т. е. против часовой стрелки. Тогда с учетом знака (-) угловой частоты ω₁₃ согласно уравнению Виллиса угловая частота вращения солнечного колеса 10 будет
ω₁₀= U_10;13¹⁶˙(-ω₁₃)+U_10;16¹³˙ω₁₆ , где U_10;13¹⁶ - передаточное отношение от колеса 10 до шестерни 13 при неподвижном водиле 16;
U_10;16¹³ - передаточное отношение от колеса 10 до водила 16 при неподвижной шестерне 13.

U1610

2ω₁₀= 1 + ;
ω₁₀= · w₁₆; (6)
ω₁₃= - · ω₁₆= - · ω₁₆ (7)
По уравнениям (6) и (7) определяются угловые частоты вращения колеса 10 или вала 12 и шестерни 13 по известной частоте вращения водила 16 и 17.

Анализ уравнений (1)-(7) и планы скоростей на фиг. 1 показывают, что шестерня 13 вращается в 2 раза с большей скоростью от водила 17 против часовой стрелки, чем по часовой стрелке от водила 16 (см. сплошные и штрих-пунктирные линии, векторы V₁₃ и V₁₃' на плане скоростей). В итоге сложением скоростей на общем замыкающем звене обоих дифференциальных механизмов устанавливается единственная определенная угловая частота вращения шестерни 13 с модулем, равным частоте вращения отдельно от водила 16, но направленная в сторону вращения водила 17. Так замыкающее звено-шестерня 13, как и во всех замкнутых дифференциальных механизмах, уравнивает скорости движения подвижных звеньев двух взаимосвязанных дифференциальных механизмов, но и сообщает им одно единственное определенное движение со степенью подвижности W₁ равной единице. На плане фиг. 1 векторы скоростей V₁₆ и V₁₇ водил 16 и 17 при совместном рассмотрении движений обоих дифференциальных механизмов, что имеет место в реальном двигателе, равны нулю что позволяет шестерне 13, опираясь на водило нерабочей поршневой группы, воспринимать опорный или реактивный момент в механизме рабочей поршневой группы, вследствие чего передается в этой группе крутящий момент от водила центральному колесу, т. е. валу 12.

Числа зубьев Z₁₄; Z₁₅; Z₁₀ и Z₁₃ выбираются таким образом, чтобы всегда имели место благоприятные углы давления между водилами 16 и 17 с одной стороны и коромыслами 6 и 8 с другой. Только в этом случае в отличие от известных кривошипно-ползунных механизмов, в которых, когда шатун накладывается на кривошип или является его продолжением при углах давления, равных 90^о, не передается момент на коленчатый вал, будет почти постоянен крутящий момент на выходном валу 12. Кроме того, эти числа зубьев выбираются таким образом, чтобы достигались наибольшие значения углов поворота водил 16 и 17, следовательно, большие значения ходов поршней 4 и 5.

Согласно уравнению (6):
ϕ₁₀= · ϕ₁₆, (8)
ϕ₁₀ - угол поворота вала 12, принимаем равным 180^о за один ход поршня;
ϕ₁₆ - угол поворота водила 16 принимаем равным 120^о, при котором достигается достаточный ход поршней при благоприятных углах давления, не превышающих 30^о, между водилами и коромыслами.

180^° = · 120^°; 1,5·2·Z₁₀= Z₁₀+Z₁₃
3Z₁₀-Z₁₀= Z₁₃; 2Z₁₀= Z₁₃; Z₁₀=
Принимаем Z₁₄ = 18.

Тогда согласно условию сборки
Z₁₃= 2Z₁₄+ Z₁₀= 36 + ;
2Z₁₃= 72+Z₁₃; Z₁₃= 72
Z₁₀ = = 36
Модули всех зубчатых колес одинаковы. Двигатель содержит 12 подвижных звеньев, 15 кинематических пар Vкл. и 5 кинематических пар IVкл. в виде зубчатых зацеплений и пальца в пазу эксцентриков 18 и 21. Степень подвижности W двигателя равна единице, следовательно, он является механизмом.

Двигатель разработан на базе малолитражного двигателя модели УД2-М1, выпускаемого Ульяновским моторным заводом, имеющего два вертикально рядно расположенных цилиндра диаметром и ходом поршней соответственно 72 и 75 мм. Суммарный эксцентриситет эксцентриков 28 и 21 равен ходу поршня. Ход поршней 4 и 5 регулируется изменением положения наружного эксцентрика 21 относительно внутреннего эксцентрика 28, закрепленного на выходном валу 12.

Двигатель работает следующим образом. В случае, например, двухтактного двигателя в одном цилиндре 2 происходит рабочий ход (поршень 4 вначале находится в крайнем верхнем положении), а в другом цилиндре 3 - сжатие (поршень 5 вначале находится в крайнем нижнем положении). При этом водило 16 вращается по часовой стрелке, а водило 17 - против часовой стрелки, блок сателлитов 14, обкатываясь своими сателлитами по колесам 13 и 10, отталкиваясь от колеса 13, вращает колесо 10, а вместе с ним выходной вал 12 и колесо 11 по часовой стрелке. Одновременно во втором дифференциальном механизме ведущие входы: водило 17 и колесо 11 вращают ведомый выход, а именно шестерню 13 против часовой стрелки, заставляя воспринимать опорный или реактивный момент в первом механизме, при этом блок 15 своими сателлитами обкатывается по колесам 13 и 11 и вращает водило 17 против часовой стрелки, которое через коромысло 8 поднимает вверх поршень 5. Так ведущими звеньями: водилом 17 и колесом 11 реализуется уравнение (4), поддерживая угловую частоту вращения колеса 13 согласно уравнению (5). Вернее и нижнее крайние положения поршней 4 и 5 в конце хода ограничиваются эксцентриками 28 и 21 через коромысло-шатун 9.

При рабочем ходе поршня 5 поршень 4 поднимается вверх, водило 16 вращается против часовой стрелки, а водило 17 - по часовой стрелке, в цилиндре 2 происходит сжатие, а в цилиндре 3 - расширение. В этом случае идентичные первый и второй дифференциальные механизмы поменяются ролями с той лишь разницей, что уравнение (1) будет справедливо для второго дифференциального механизма, а уравнение (2) - для первого дифференциального механизма. Поэтому вал 12 будет продолжать вращение по часовой стрелке, а колесо 13 - против часовой стрелки согласно уравнениям (6) и (7). Изменяя относительное положение эксцентриков 28 и 21, можно регулировать угол поворота водил 16 и 17 за один ход поршней 4 и 5.

Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания, как и прототип, имеет значительные преимущества по сравнению с известными приводами в виде кривошипно-ползунных механизмов поршневых двигателей. Основное преимущество заключается в постоянстве крутящего момента на выходном валу 12, вследствие этого на подвижные звенья двигателя действуют меньшие силы инерции, динамические нагрузки, машину с таким приводом меньше трясет, так как двигатель не является источником вибраций и колебаний с частотой вращения коленчатого вала. В двигателе отсутствуют такие неуравновешенные детали типа шатунов, вследствие симметричной передачи движущих сил от поршней на равноплечие коромысла в две противоположные стороны достигается строго вертикальное перемещение поршней в цилиндрах, исключаются боковые нагрузки на поршневую группу. Этим самым резко ограничивается износ поршневых колец, рубашки цилиндра, внутренняя поверхность которой вместо цилиндрической становится эллиптической с большей осью, расположенной в плоскости перемещения шатуна с кривошипом, и т. д. Привод позволяет полнее в течение всего цикла, соответствующего одному обороту выходного вала, использовать движущие силы поршней, не привлекая для этих целей дополнительные маховые массы, при наиболее благоприятных углах давления между водилами и коромыслами, что намного повышает его КПД, позволяет достичь равномерной скорости вращения выходного вала, меньшего коэффициента неравномерности хода. Предлагаемый привод всетопливный, так как, регулируя общий эксцентриситет эксцентриков 28 и 21 и тем самым одинаково ход поршней, можно изменять степень сжатия горючих смесей и заодно частоту вращения выходного вала.

Привод малогабаритный, так как он выполнен в виде коаксиально расположенных коленорычажных механизмов и дифференциальных зубчатых передач вокруг общей оси двигателя. Эти механизмы и передачи надежны в работе и удобны в эксплуатации.

По сравнению с прототипом двигатель проще по конструкции, так как он содержит вместо 19 лишь 12 подвижных деталей, не имеет сложных сдвоенных водил крестообразной формы, имеет вместо трех лишь одно крупногабаритное колесо с внутренним зацеплением. Предлагаемый двигатель по сравнению с прототипом имеет значительно выше КПД, так как в нем при одной и той же частоте вращения выходного вала намного больше ход поршней, что достигнуто поворотом водил 16 и 17 вместо 45^о на 120^о. Кроме того, оба дифференциальных механизма выполнены на основе планетарного механизма Давида с одним внешним и с одним внутренним зацеплением, имеющего КПД значительно выше, чем планетарные механизмы Давида с двумя внутренними зацеплениями, примененными в прототипе.

В двигателе нет неподвижного звена, воспринимающего опорный или реактивный момент и передающего при этом всевозможные толчки и вибрации на корпус двигателя. Поэтому предлагаемый двигатель с замыкающим обе поршневые группы звеном гасит вибрации в замкнутых цепях подвижных звеньев, работает более бесшумно и плавно. Отсутствие планетарного механизма в составе двигателя позволяет ему регулировать частоту вращения выходного вала плавным изменением частоты вращения шестерни 13, соединив его, например, с маховиком или с другим регулятором.

Сущность изобретения: двигатель внутреннего сгорания содержит корпус, по меньшей мере два цилиндра с расположенными в них в противофазе поршнями, каждый из которых соединен при помощи двух равноплечих коромысел с одним из механизмов преобразования движения, который выполнен в виде солнечного колеса, жестко установленного на выходном валу, коронной шестерни с внутренним зацеплением, размещенной в корпусе с возможностью вращения по меньшей мере одного сателлита, установленного на водиле и зацепленного с коронной шестерней и солнечным колесом, и механизма регулировки хода, размещенного на валу и связанного с одним из поршней, причем водило одного механизма непосредственно связано с первым коромыслом одного поршня, а водило другого - с его вторым коромыслом при помощи двуплечего рычага, расположенного на оси выходного вала. Двигатель отличается тем, что сателлиты обоих механизмов зацеплены с общей коронной шестерней, первое коромысло другого поршня соединено с механизмом регулировки хода, а его второе коромысло связано со свободным концом двуплечего рычага при помощи оси, параллельной выходному валу. Двигатель имеет значительные преимущества по сравнению с известными приводами в виде кривошипно-ползунных механизмов. Он имеет постоянный крутящий момент на выходном валу, не имеет боковых нагрузок на поршневую группу, не является источником вибраций и колебаний, обладает меньшим коэффициентом неравномерности хода, на его детали действуют меньшие силы инерции и динамические нагрузки. Двигатель составлен из передач и механизмов, имеющих высокий КПД, проще по конструкции по сравнению с известными двигателями с прямым выходным валом вместо коленчатого, меньшей габаритами и массой. Двигатель всетопливный, позволяет регулировать степень сжатия топлива и частоту вращения выходного вала. 2 ил.

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий корпус, по меньшей мере два цилиндра с расположенными в них в противофазе поршнями, каждый из которых соединен при помощи двух равноплечих коромысел с одним из механизмов преобразования движения, который выполнен в виде солнечного колеса, жестко установленного на выходном валу, коронной шестерни с внутренним зацеплением, размещенной в корпусе с возможностью ее свободного вращения, по меньшей мере одного сателлита, установленного на водиле и зацепленного с коронной шестерней и солнечным колесом, и механизма регулировки хода, размещенного на валу и связанного с одним из поршней, причем водило одного механизма непосредственно связано с первым коромыслом одного поршня, а водило другого - с его вторым коромыслом при помощи двуплечего рычага, расположенного на оси выходного вала, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, сателлиты обоих механизмов зацеплены с общей коронной шестерней, первое коромысло другого поршня соединено с механизмом регулировки хода, а его второе коромысло связано со свободным концом двуплечего рычага при помощи оси, параллельной выходному валу.