ОППОЗИТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F01B3/04 F01B9/06 F02B75/24 F02B75/32 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к конструкциям двигателей внутреннего сгорания без коленчатого вала.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий установленные в картере два оппозитно расположенных поршня, связанных между собой общим валом, на котором в центральной его части закреплена втулка, несущая зубчатый венец связи с передачей момента потребителю, при этом на боковой поверхности поршней выполнены синусоидальные канавки, в которых размещены тела качения /ДЕ, патент N 3038673, кл. F 01 B 9/06, 1982/.

Особенностью данного двигателя внутреннего сгорания является то, что возвратно-поступательное движение поршней приводит к вращательному движению общего вала и следовательно, выходного зубчатого венца. Однако, вращение общего вала обеспечивается в результате вращательного перемещения поршней. Таким образом, поршень совершает одновременно два вида движения: поступательное и вращательное, что естественно, усложняет конструкцию двигателя за счет сложности самого поршня.

Поршень, как одна из самых загруженных в тепловом отношении деталей, подвергается неоднородному по длине распределению тепловых нагрузок, что приводит к неравномерному изменению размеров самого поршня. Кроме того, поршень в цилиндре представляет собой основной источник потерь на трение. Поэтому одним из основных требований, предъявляемых к поршням, является обеспечение равномерного увеличения размеров по диаметру и длине и обеспечение возможности меньших потерь на трение. В указанном двигателе эти недостатки усугубляются за счет необходимости изменения нижней части юбки поршня /с целью выполнения канавки увеличение толщины/ и введения вращательного движения поршня /увеличиваются потери на трение/.

Наиболее близким к изобретению является оппозитный двигатель внутреннего сгорания, содержащий по крайней мере, два оппозитно расположенных в цилиндрах поршня, связанных между собой общим штоком, несущим в своей центральной части кулачковый элемент, взаимодействующий с ответной профильной канавкой, выполненной на внутренней поверхности охватывающей шток цилиндрической выходной втулки, оснащенной зубчатым венцом для передачи момента потребителю /ДЕ, патент N 3311021, кл. F 01 B 9/06, 1984/.

Недостатком данной конструкции является смещение осей расположения штока и втулки. В связи с тем, что перемещение поршней вдоль оси штока вызывает появление силы при взаимодействии его пальца с канавкой на втулке, то возможно проворачивание поршней вместе со штоком вокруг оси втулки. А это приводит к заклиниванию, либо к принудительному повороту втулки, приводящему к неравномерному ее вращению.

Кроме того, технологически удобнее обрабатывать все кольцевые поверхности, если они совмещены. В известной конструкции после обработки поверхностей цилиндров необходимо обеспечить переналадку для обработки посадочных поверхностей под втулку.

Выполнение профильной поверхности в виде сопряженных под углом прорезей приводит к созданию напряженной точки в месте сопряжения, где происходит резкая скачкообразная смена направления движения и смена действия сил расклада, возникающих в результате взаимодействия кулачка с боковыми стенками втулки. В результате вместо плавного перехода имеет место ударный эффект.

Настоящее изобретение направлено на решение следующих задач: расположение всех элементов оппозитного двигателя внутри картера вдоль одной общей оси, исключение влияния возможного проворота поршней на передачу момента на выходной втулке.

Достигаемый при этом технический эффект заключается в повышении надежности двигателя и его технологичности при простоте конструкции.

Указанный технический эффект достигается тем, что в оппозитном двигателе внутреннего сгорания выходная цилиндрическая втулка выполнена с замкнутой синусоидальной канавкой, в которой размещен ролик кулачкового элемента, диаметрально противоположная часть которого оперта на внутреннюю поверхность втулки, продольная ось которой совмещена с продольной осью штока, установленного в направляющих опорах, при этом амплитуда размаха синусоиды канавки равна ходу поршня от н.м.т. к в.м.т. а ее длина выполнена кратной ее периоду, кроме того, входная втулка установлена в торцевых опорах для исключения ее осевого перемещения.

При этом возможно, что шток кинематически связан с вращающимися втулками, имеющими синусоидальные направляющие с длиной, равной двум ее периодам и амплитудой размаха, равной ходу поршня от н.м.т. к в.м.т. в которых расположены диаметрально направленные ответные элементы штока. Указанные втулки установлены в торцевых опорах и выполнены с элементами кинематической связи с распределительными валами управления клапанами цилиндров.

Расположение осей всех цилиндрических поверхностей совмещенными с являющейся базовой продольной осью штока делает конструкцию технологичной и удобной в компоновке и сборке. Это приводит к равномерной нагрузке выходной втулки со стороны штока, так как все зоны перехода с изменением направления его движения выполнены плавными, исключающими ударное воздействие. Это стало возможным при использовании синусоиды, определяющей форму кривой канавки. Выполнение синусоиды с амплитудой размаха, равной ходу поршня от н.м.т. к в. м. т. согласуется с условиями работы поршня, а выполнение длины синусоиды в минимальном размере равной ее периоду позволяет за один ход поршня провернуть выходную втулку на пол-оборота.

Установка штока в направляющих исключает проворот связанных с ним поршней, что оптимизирует потери на трение. При этом вся работа по перемещению штока сводится к вращению втулки.

Изобретение поясняется чертежом, где схематично представлен продольный разрез оппозитного двигателя внутреннего сгорания.

Оппозитный двигатель внутреннего сгорания состоит из картера 1, формирующего традиционным образом цилиндры для оппозитно расположенных поршней 2, связанных между собой общим штоком, который установлен, по крайней мере, в одной направляющей опоре, представляющей собой втулку 4, закрепленную в картере 1 от вращения и осевого смещения за счет, например, упорных подшипников 5. Втулка 4 выполнена с осевым пазом, в котором расположена крестовина 6 штока 3, несущая тело вращения в виде ролика 7, обеспечивающего скольжение штока 3 при его осевом перемещении. При этом шток 3 не имеет возможности вращения вокруг своей оси.

Втулка 4 может быть выполнена заодно с картером. В этом случае отпадает необходимость установки упорных подшипников 5. Вполне возможно иное выполнение направляющих опор для штока 3. Существенным является их наличие, так как в этом случае обеспечивается исключительно возвратно-поступательное движение поршней 2 в цилиндрах, т.е. формируются условия работы поршней, принятые в известных конструкциях двигателей внутреннего сгорания.

В своей центральной части шток 3 выполнен с кулачковым элементом 8, который также несет тело вращения (или тела вращения) 9, расположенное в канавке 10 синусоидального профиля. Диаметрально расположенная телу качения поверхность кулачкового элемента 8 выполнена с профилем, повторяющим профиль внутренней поверхности выходной втулки 11 так, что представляет собой опору скольжения, удерживающую длинный шток 3 от прогибов.

Выходная втулка 11, имеющая на внутренней поверхности синусоидальную канавку 10, выполнена с зубчатым венцом 12 на внешней поверхности, посредством которого крутящий момент передается потребителю. Ввиду того, что шток 3 имеет возможность только возвратно-поступательного движения, а кулачковый элемент жестко связан с ним и взаимодействует с вращающейся выходной втулкой, зафиксированной от осевого смещения, то перемещение штока 3 приводит к вращению выходной втулки 11. Вращение формируется за счет расклада осевой силы давления на взаимноперпендикулярные составляющие, одна из которых направлена на вращение втулки, а другая воспринимается упорным подшипником на картер 1.

Выполнение синусоиды канавки 10 с амплитудой размаха, равной ходу поршня от н. м. т. к в.м.т. согласуется с условиями цикла работы поршней, а длина синусоиды по внутренней поверхности втулки 11 выбирается из условий кратности ее периода. Если длина синусоиды выбрана равной одному периоду, то за один ход поршня от н.м.т. к в.м.т. выходная втулка 11 проворачивается на полоборота, т.е. на 180^o. Увеличение периодичности синусоиды приводит к уменьшению угла поворота втулки 11 пропорционально числу кратности.

Формирование работы газораспределительного механизма и всех других устройств двигателя внутреннего сгорания обеспечивается относительно выходного зубчатого венца и представляет собой традиционно используемые средства.

Для фиксации штока 3 от проворота достаточно выполнить одну из направляющих опор. Тогда вторая опора, также несущая крестовину 6 с телами вращения, может использоваться в качестве привода распределительного вала (валов) для клапанного механизма газораспределения. В этом случае втулка 4 заменяется на втулку 13, имеющую на внутренней своей поверхности синусоидальную канавку 14, в которой размещаются тела вращения 7 крестовины 6. Втулка 13 устанавливается в торцевых опорах, исключающих ее осевое смещение, но обеспечивающих вращательное движение относительно штока 3. Таким образом, при поступательном движении штока 3 за счет воздействия крестовины на втулку 13 последняя получает вращение, передаваемое потребителю через зубчатый венец 15. Зубчатый венец 15 может быть связан кинематически с распределительным валом управления клапанами.

Для согласования оборотов зубчатого венца 12 выходной втулки 11 и зубчатого венца 15 втулки 13 в случае использования ее для привода газораспределительного механизма синусоиду втулки 13 выполняют с амплитудой размаха, равной ходу поршня от н.м.т. к в.м.т. и длиной, в два раза большей длины синусоиды канавки 10. Например, в случае четырехтактного двигателя это обеспечивает синхронизацию работы клапанов с условиями работы поршней по циклам.

Предложенная конструкция двигателя внутреннего сгорания не только технологична и может быть выполнена из простых технологических отработанных элементов и узлов, но и представляет широкие возможности по компоновке семейства двигателей. Если изображенную поршневую пару рассматривать в качестве унифицированного модуля, то комбинация таких модулей, связанных между собой через шестерни или промежуточные шестерни, позволяет сформировать гамму двигателей, отличных по мощностным характеристикам.

Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.

В зависимости от тактности работы двигателя в камере сгорания образуется давление, обеспечивающее смещение поршня 2 и штока 3 в осевом направлении. При перемещении в осевом направлении шток 3 своей крестовиной 6 скользит по направляющей канавке втулки 4, исключающей его проворот. В результате этого происходит проворот выходной втулки 11 и передача вращения и момента либо на выход к потребителю непосредственно, либо передаче, суммирующей моменты от модулей.

Одновременно с перемещением штока 3 происходит проворот втулки 13, обеспечивающей привод клапанного механизма.

Работа двигателя по изобретению ничем не отличается от работы любого карбюраторного или дизельного двигателя с двух- или четырехтактными циклами за исключением процесса преобразования поступательного движения поршней 2 во вращательное выходного элемента.

Настоящее изобретение позволяет при сохранении всех достоинств традиционно используемых двигателей внутреннего сгорания упростить конструкцию, повысить ее технологичность и выполнить двигатель в виде модуля, комбинация которых позволяет создать гамму различных по мощности двигателей.

Использование: в двигателестроении. Сущность изобретения: двигатель внутреннего сгорания содержит, по крайней мере, два оппозитно расположенных поршня, связанных между собой общим штоком, который в центральной своей части несет кулачковый элемент, взаимодействующий со втулкой через синусоидальной формы канавку, что позволяет при осевом смещении штока провернуть втулку и передать момент потребителю. Для исключения проворота поршней шток установлен в направляющих опорах. Используя дополнительную втулку, имеющую синусоидальную направляющую для штока, можно обеспечить привод газораспределительного механизма. При равных амплитудах размаха синусоид канавок длины их выполняются кратными двум относительно друг друга. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Оппозитный двигатель внутреннего сгорания, содержащий по крайней мере два оппозитно расположенных в цилиндрах поршня, связанных между собой общим штоком, несущим в своей центральной части кулачковый элемент, взаимодействующий с ответной профильной канавкой, выполненной на внутренней поверхности цилиндрической выходной втулки, охватывающей шток и оснащенной зубчатым венцом для передачи момента потребителю, отличающийся тем, что кулачковый элемент снабжен роликом, профильная канавка выходной цилиндрической втулки выполнена замкнутой синусоидальной, в ней размещен ролик кулачкового элемента, диаметрально противоположная часть которого оперта на внутреннюю поверхность втулки, расположенной соосно со штоком, установленным в направляющих опорах, при этом амплитуда размаха синусоиды канавки равна ходу поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, а ее длина выполнена кратной ее периоду, причем выходная втулка установлена в торцевых опорах для предотвращения ее осевого перемещения. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что шток связан кинематически с втулками, установленными с возможностью вращения и имеющими синусоидальные направляющие с длиной, равной двум ее периодам, и амплитудой размаха, равной ходу поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, в направляющих расположены диаметрально направленные ответные элементы штока, при этом указанные втулки установлены в торцевых опорах и выполнены с элементами кинематической связи с распределительными валами управления клапанами цилиндров.