ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ШКРАБАКОВ Российский патент 1997 года по МПК F02B75/32 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к передаче возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров, поршень, вильчатый шатун-рейку, связанный через поршневой палец с поршнем, и вал с шестернями, размещенными между щеками шатуна рейки, причем внутренние поверхности щек, обращенные к валу двигателя, на длине, соответствующей величине хода поршней, выполнены в виде зубчатых реек-пластин, взаимодействующих с шестернями, последние размещены на пересечении геометрических осей цилиндра и вала двигателя, а число шестерен равно числу цилиндров (заявка Франции N2608711, кл. F 16 H 21/16, 1988).

Недостаток известного двигателя заключается в недостаточной эффективности передачи крутящего момента.

Задачей изобретения является повышение эффективности передачи крутящегося момента, при снижении стоимости двигателя и упрощение его конструкции.

Поставленная задача решается тем, что двигатель содержит блок цилиндров, поршень, который поршневым пальцем соединен с шатуном-рейкой, представляющим собой форму вилки, параллельные внутренние поверхности щек которых (обращенные к валу двигателя), на длине, соответствующей величине хода поршня, выполнены в виде зубчатой рейки-пластины, а наружные поверхности шатуна-рейки (обращенные к блоку цилиндров) выполнены в виде "ласточкиного хвороста" на длине, соответствующей величине хода поршня, при этом, в промежутке (вилки) между двумя шатунами-рейками размещен вал двигателя, снабженный шестернями-дисками с возможностью их взаимодействия с шатунами-рейками на длине, соответствующей величине хода поршня, причем расстояние между вилками (шатунами-рейками) соответствует диаметру шестерен-дисков, которые размещены на пересечении геометрических осей цилиндра и вала двигателя, а количество шестерен-дисков соответствует числу цилиндров двигателя. Кроме того, диаметр шестерни-диска и величина длины окружности в шестернях-дисках, которая снабжена зубьями, зависит от цикла двигателя при цикле, равном 2-м оборотам вала, зубья размещены на половине длин окружности шестерни-диска, диаметр которой соответствует двойному ходу поршня деленному на 3,14; при цикле двигателя 1-му обороту вала зубья двойные, а диаметр шестерни-диска равен величине учетверенного хода поршня, деленной на цифру 3,14.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема; здесь 1 поршень; 2 вал двигателя; 3 шатун-рейка; 4 шестерня-диск; 5 вильчатая часть шатуна-рейки; R радиус шестерни-диска. На фиг. 2 представлена схема шатуна-рейки для обычных 2-х и 4-х тактных двигателей, у которых цикл осуществляется соответственно за 1 и 2 оборота двигателя (за 2 и 4 хода поршня соответственно). Здесь 3 шутун-рейка; 6 левая вильчатая часть (щека) шатуна-рейки, а 7 правая; 8 и 9 -"ласточкин хвост" соответственно на левой и правой частях (щеках) шатуна-рейки. На фиг. 3 представлена схема-сечение шатуна-рейки для двигателя, у которого цикл осуществляется за 1 и 0,5 оборота вала двигателя (4 хода поршня); здесь 6 и 7 соответственно левая и правая вильчатая часть (щека) шатуна-рейки; 8 и 9 -"ласточкин хвост" соответственно на левой и правой вильчатых частях (щеках) шатуна-рейки; 10 шестеренчатая часть вилок шатуна-рейки; 11 плоская часть (зубья сняты) вилок шатуна-рейки.

На фиг. 4 представлена схема вала 4-х цилиндровых обычных 2-х и 4-х тактных двигателей, у которых цикл осуществляется соответственно за 1 (два хода поршня) и 2 (четыре хода поршня) оборота вала двигателя; здесь 2 вал двигателя; 4 шестерни-диски; 12 коренные подшипники; 13 маховик.

На фиг. 5 представлена схема вала 4-х цилиндровых двигателей, у которых цикл осуществляется за 0,5 и 1 оборот вала (4 хода поршня); здесь 2 вал двигателя; 4 шестерни-диски (имеют две части); 12 коренные подшипники; 13 маховик.

На фиг. 6 представлена схема расположения поршней в цилиндрах на валу двигателя при осуществлении тактов расширения-выпуска-впуска -сжатия у обычных 2-х и 4-х тактных двигателей, где процесс осуществляется соответственно за 1 (2 хода поршня) и 2 (4 хода поршня) оборота вала двигателя; здесь 2 вал двигателя; 3 шатун-рейка; 4 шестерня-диск; 12 коренные подшипники; 13 - маховик; 1 положение при начале такта расширения (у 4-х тактных) и расширения-продувки (у 2-х тактных двигателей); П положение при выпуске отработавших газов (у обычных 4-х тактных двигателей) и сжатии (у обычных 2-х тактных двигателей); Ш положение при впуске (у 4-х тактных двигателей) и тоже, что и 1 у 2-х тактных; 1У положение при сжатии воздуха (смеси).

На фиг. 7 представлена схема расположения поршней в цилиндрах шатунов-реек и шестерен-дисков на валу двигателя при осуществлении тактов расширения-выпуска-впуска-сжатия у 4-х цилиндровых двигателей, где цикл осуществления за 4 хода поршня, за 0,5 или 1 оборот вала двигателя; здесь 2 - вал двигателя, 4 шестерня-диск при такте расширения, Б при такте выпуска. В при такте впуска, Г при такте сжатия.

На фиг. 8 представлена схема шестерни-диска для обычных 2-х и 4-х тактных двигателей, где цикл осуществляется соответственно за 2 и 4 хода поршня (1 и 2 оборота вала); здесь 4 шестерня-диск; 14 зубчатая поверхность ее; 15 гладкая поверхность.

На фиг. 9 представлена схема шестерни-диска (блока) для двигателя, у которого цикл осуществляется за 1 оборот вала двигателя (4 хода поршня); здесь 4 шестерня-диск; 14 зубчатая часть шестерни-диска: 15 дисковая часть шестерни-диска; 1 сторона, работающая (входящая в контакт с реечной левой вильчатой части шатуна-рейки) на тактах расширения и впуска; П сторона шестерни-диска, работающая (входящая в контакт с реечной частью правой вильчатой части шатуна-рейки) на тактах выпуска и сжатия. Шестерня-диск для двигателя, у которого цикл осуществляется за 0,5 оборота вала двигателя, отличается от описанной на фиг. 9 тем, что зубчатая и дисковая часть располагается на длине окружности в 2 раза чаще и чередуется периодически в 2 раза чаще.

На фиг. 10 представлена схема размещения щеки вильчатой части шатуна-рейки в блоке посредством пары "ласточкин хвост"; здесь 6 вильчатая часть шатуна-рейки; 10 реечная часть шатуна-рейки; 16 блок двигателя.

На фиг. 11 представлено положение кривошипно-шатунного механизма на такте расширения обычного двигателя внутреннего сгорания, здесь 1 поршень, 2 вал двигателя ( в данном случае коленчатый), 17 шатун; 18 кривошип; α угол между вертикалью и кривошипом в процессе преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение коленчатого вала.

Поршень 1 ( фиг. 1, 2 ) посредством поршневого пальца соединен с шатуном-рейкой 3, который имеет только верхнюю головку (для соединения с поршневым пальцем) и выполнен в виде вилки 5, параллельные внутренние поверхности щек 6 и 7 которых (обращенные к валу двигателя) на длине хода поршня 1 выполнены в виде зубчатой рейки или рейки-пластины (фиг. 2), а наружные 8 и 9 (обращенные к блоку цилиндров) в виде "ласточкиного хвоста" (фиг. 1, 2) на длине не менее хода поршня, щепки шатуна рейки 3 на длине, равной не менее суммы хода поршня 1 и межцентрального расстояния между валом 2 двигателя и поршневым пальцем при положении поршня в нижней мертвой точке, выполняются параллельными с расстоянием между ними, равным диаметру шестерни-диска 4, расположенной на валу 2 двигателя и входящей циклически в контакт с зубчатой частью внутренних щек шатуна-рейки 3 на длине хода поршня 1. Причем у обычных (2-х и 4-х тактных двигателей, где цикл совершается соответственно за 1 и 2 оборота вала) двигателей рейки на внутренних щеках 6 и 7 шатуна-рейки 3 (вильчатая часть их) выполнены симметрично, а у двигателей, где цикл совершается за 0,5 или 1 оборот вала двигателя (4 хода поршня), внутренние поверхности щек вилок выполнены так, что на всей длине хода поршня одна половина ширины каждой щеки 6 и 7 (фиг. 3) выполнена в виде плоской поверхности 11 (снятые зубья рейки); расположение зубьев рейки и плоской поверхности у противоположных сторонах вилок несимметрично.

Вал 2 двигателя (фиг. 4, 5) выполнен цилиндрическим с коренными шейками под коренные подшипники 12 (как обычно) и не имеют кривошипов и шатунных шеек, а снабжен шестернями-дисками 4, число которых равно числу цилиндров, а установлены они на пересечении осей цилиндра и вала двигателя (фиг. 6, 7). Вал двигателя, как обычно, снабжен маховиком 13.

Каждая шестерня-диск 4 (фиг. 8, 9) устроена так, что часть длины окружности ее 14 выполняется зубчатой с модулем зацепления, соответствующим параметрам реечной части внутренней поверхности шатуна-рейки 3, а часть 15 в виде диска ( с этой части поверхности зубья убираются), причем:
для обычных 2-х тактовых и 4-х тактовых двигателей, у которых цикл осуществления соответственно за 1 (2 хода поршня) и 2 (4 хода поршня) оборота вала, шестерня-диск 4 на первой половине длины окружности 14 выполняется шестеренчатой, а на второй 15 в виде диска; при этом диаметр шестерни-диска 4 равен двойному ходу поршня, деленному на 3,14;
для двигателей, у которых цикл осуществляется за 4 хода поршня, но за 1 или 0,5 оборота вала двигателя, шестерня-диск 4 (фиг. 9) устанавливаемая на валу двигателя, имеет диаметр, равный соответственно учетверенному ходу поршня, деленному на 3,14, или восьми ходами поршня, деленному на 3,14. При этом длина окружности шестерни-диска 4 делится в первом случае на 4 части (во втором на 8), две из которых (во втором четыре) 14 выполняются зубчатыми на 0,25 длины окружности каждая (во втором случае на 0,125 длины окружности), а две 15 (во втором случае четыре) в виде диска на той же длине окружности соответственно, причем в такой очередности: "шестеренчатая часть дисковая часть шестеренчатая часть дисковая часть" (и т.д. для второго случая). Шестерня-диск 4 выполняется точно такой, как и первая (с шестеренчатой и дисковой частью), однако сдвинуты они друг относительно друга на 90^o. При этом вильчатая часть шатуна-рейки (реечная часть), перемещающая поршень от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), выполнена такой ширины, что входит в зацепление с зубчатой частью 14 только одной (1) половиной шестерни-диска 4 (фиг. 5), а вильчатая часть шатуна-рейки (реечная часть), перемещающая поршень от НМТ к ВМТ такой ширины, что входит в зацепление с зубчатой частью 14 только другой половины (П) шестерни-диска. Этим исключается соответствующее перекрытие и работоспособность конструкции.

Крепится шестерня-диск 4 на валу 2 двигателя (фиг. 1, 2, 3, 8) так, чтобы при нахождении поршня в ВМТ на такте расширения одна половина (вильчатая часть) шатуна-рейки 3 своей реечной частью 10 начинала входить в контакт с зубчатой частью 14 шестерни диска 4; при положении поршня в НМТ этот контакт кончается, другая же половина (вильчатая часть) шатуна-рейки 3 в описанной ситуации (при достижении поршня от ВМТ к НМТ) своей реечной частью должна свободно перемещаться вниз (от ВМТ к НМТ) на дискообразной (без зубьев) длине 15 окружности шестерни-диска. При движении же поршня от НМТ к ВМТ шестерня-диск 4 своей шестеренчатой частью 14 входит в контакт с рассмотренной реечной частью 10 той вильчатой части шатуна-рейки 3, которая раньше перемещалась свободно вниз, и перемещает ее вверх, обеспечивая этим выталкивание газов или сжатие воздуха (смеси) в цилиндре (в зависимости от того 2-х или 4-х тактный двигатель); указанному перемещению не мешает та половина вильчатой части 10 шатуна-рейки 3, которая перед этим перемещалась вниз на такте расширения или впуска, будучи в контакте с шестеренчатой частью 14 шестерни-диска 4, расположенной на валу двигателя (в это время шестерня-диск 4 повернулась своей ненарезанной частью 15 к реечной части шатуна-рейки, чем обеспечивается свободное перемещение ее вместе с поршнем к ВМТ благодаря перемещению их противоположной вилочной (реечной 10) частью шатуна-рейки).

Число установленных на валу двигателя шестерней-дисков должно быть равно числу цилиндров.

Блок двигателя в плоскостях перемещения шатунов-реек снабжен пазами типа "ласточкин хвост" для фиксации и перемещения в них шатунов-реек, наружные щеки которых также выполнены в виде "ласточкиного хвоста".

Для обеспечения легкости запуска двигателя у двухцилиндровых двигателей при монтаже один из поршней устанавливается в ВМТ, а другой в НМТ, при установке соответствующих зацеплений в парах "шатун-рейка" "шестерня-диск", причем у 4-х тактного двигателя (цикл осуществляется за 2 оборота вала) положение ВМТ должно смениться рабочим ходом, а НМТ ходом сжатия.

У 4-х цилиндровых двигателей двухтактный (цикл осуществляется за 1 оборот вала) два поршня устанавливаются в положении ВМТ, а два в положении НМТ. У 4-х цилиндровых 4-х тактных двигателей (цикл осуществляется за 2 оборота вала) (фиг. 6, 7) один поршень устанавливается в ВМТ с последующим рабочим ходом, другой в НМТ с последующим сжатием, третий и четвертый в середине между ВМТ и НМТ, причем так, что в одном из них осуществляется процесс выталкивания отработавших газов, а во второй процесс впуска; последовательность расположения поршней при монтаже осуществляется в соответствии с порядком работы двигателя.

Работает двигатель следующим образом. При вспышке в одном из цилиндров усилие давления газов через зубчатую часть 10 одной из вилок шатуна-рейки 3 (фиг. 1-11) передается на шестерню-диск 4 вала двигателя и проворачивает его до тех пор, пока поршень не достигнет НМТ; в этот момент зубчатая часть 14 шестерни-диска 4 кончается и выходит из зацепления с зубчатой частью 10 шатуном-рейкой 3. Одновременно с этим зубчатая часть 10 противоположной вилки шатуна-рейки 3 входит в зацепление с зубчатой частью 14 шестерни-диска 4, повернувшейся при входе поршня от ВМТ к НМТ на 180^o, и перемещает поршень от НМТ к ВМТ. Противоположная вошедшей в зацепление с шестерней-диском 4 вилка шатуна-рейки 3 свободно перемещается вверх, т.к. на длине хода поршня от НМТ к ВМТ шестерня-диск вращается дисковой частью 15, где нет зубьев, не мешая перемещению шатуна-рейки к ВМТ (аналогично тому, как это имело место при движении поршня от ВМТ к НМТ, когда соответствующей вилке шатуна-рейки 3 не мешало перемещению вниз то обстоятельство, что шестерня-диск 4 была повернута к этой рейке гладкой частью 14). Выведению поршней из мертвых точек способствует маховик, как у обычного двигателя.

Работа 4-х тактных двигателей, у которых цикл осуществляется за 4 хода поршня, но за 1 оборот вала, осуществляется аналогично с той лишь разницей, что (фиг. 3, 5, 9) одна половина (1) двойной шестерни-диска 4 осуществляет перемещение поршня от ВМТ к НМТ (на длине дуги, соответствующей повороту на 90^o) на такт расширения и впуска (противоположная вилке шатуна-рейки 3 в этом случае перемещение свободно, т. к. вторая половина шестерни-диска 4 повернута к ней в это время дисковой частью 15 и не мешает перемещению шатуна-рейки вниз), а другая (П) от НМТ к ВМТ на тактах выпуска и сжатия (в это время первая половина шестерни-диска 4 занимает положение дисковой частью 15 и не мешает перемещению соответствующей вильчатой части шатуна-рейки 3 от НМТ к ВМТ). Реечные части вилок шатуна-реек 3 имеют ширину рейки, строго соответствующей ширине "своей" шестерни-диска 4 и против них расположены.

У двигателей, осуществляющих цикл за 4 хода поршня, но за 0,5 оборота вала, процесс осуществляется аналогично с той лишь разницей, что за 1 ход поршня вал (шестерня-диск) поворачивается на 45^o.

Перемещение шатуна-рейки 3 от ВМТ к НМТ и наоборот осуществляется в салазках типа "ласточкина хвоста", находящихся по обе стороны блока двигателя на внутренних его поверхностях (фиг. 5).

Преобразование энергии газов у описанных двигателей происходит при постоянном радиусе R (плече, рычаге) см. фиг. 1,11.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: в двигателе внутреннего сгорания поршень соединен с шатуном-рейкой в виде вилки, внутренние поверхности щек которой на длине, соответствующей величине хода поршня, выполнены в виде зубчатой рейки-пластины с возможностью их взаимодействия с шестернями-дисками, размещенными на валу. Количество шестерен-дисков соответствует числу цилиндров двигателя. Кроме того, диаметр шестерни и величина длины окружности в шестернях, которая снабжена зубьями, соответствуют циклу двигателя. Например, при цикле двигателя, происходящем за 2 оборота вала, зубья размещены на половине длины окружности шестерни, диаметр которой соответствует величине двойного хода поршня, деленной на 3,14. 11 ил.

Двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров, поршень, вильчатый шатун-рейку, связанный через поршневой палец с поршнем, и вал с шестернями, размещенными между щеками шатуна рейки, причем внутренние поверхности щек, обращенные к валу двигателя, на длине, соответствующей величине хода поршней, выполнены в виде зубчатых реек-пластин, взаимодействующих с шестернями, последние размещены на пересечении геометрических осей цилиндра и вала двигателя, а число шестерен равно числу цилиндров, отличающийся тем, что наружные поверхности шатуна-рейки, обращенные к блоку цилиндров, выполнены в виде ласточкина хвоста, шестерни выполнены в виде шестерен-дисков, расстояние между щеками шатуна-рейки соответствует диаметру шестерен-дисков, причем диаметр шестерни-диска и величина длины окружности шестерни-диска, снабженной зубьями, выполнены в соответствии с циклом двигателя, так при осуществлении цикла двигателя за два оборота вала зубья размещены на половине длины окружности шестерни-диска, диаметр которой соответствует величине двойного хода поршня, деленной на 3,14, при осуществлении цикла двигателя за один оборот вала зубья выполнены двойными, а диаметр шестерни-диска равен величине учетверенного хода поршня, деленной на 3,14.