ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F02B75/32 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к поршневым многоцилиндровым двигателем внутреннего сгорания и может быть использовано в качестве двигателя на сухопутных и водных транспортных средствах, а также в энергомашиностроений в качестве стационарных двигателей, для компрессоров и других рабочих машин и механизмов.

Известны автомобильные двигатели внутреннего сгорания поршневые, многоцилиндровые, рядные и V-образные, карбюраторные или дизельные, состоящие из блока цилиндров с камерами для сжигания топлива, кривошипно-шатунного механизма, состоящего из поршней, размещенных в цилиндрах, кинематически связанных шатунами с коленчатым валом двигателя, а также механизма газораспределения, системы питания, смазки охлаждения (см. например книгу: В.А.Анохин "Отечественные автомобили", М., Издательство "Машиностроение", 1964, с. 56 - 113; 754 - 758).

Недостаток известных по аналогу двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что в качестве коренного вала кривошипно-шатунного механизма в известных двигателях использован коленчатый вал, крутящийся момент которого в процессе движения поршня из верхней мертвой точки до нижней мертвой точки при такте "рабочий ход" величина переменная и зависит от угла поворота кривошипа. Монтаж коленчатого вала в коренных опорах и шатунных шейках возможен только в подшипниках скольжения (вкладышах). При этом нижняя головка шатуна совершает колебательные движения с большей амплитудой, равной двум радиусам кривошипа коленчатого вала. Все это приводит к увеличению затрат, шатунный механизм в известных двигателях конструктивно сложен и требует высокоточной сборки и обильной смазки трудящихся соединений.

Наиболее близкий по совокупности существенных признаков и технической сущности предлагаемого изобретения является двигатель внутреннего сгорания многоцилиндровый, рядный, состоящий из блока цилиндров с поршнями и шатунами для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коренного (приводного) вала двигателя. Нижняя головка шатуна выполнена с продольной прорезью, внутри которой имеется зубчатое колесо, передачи внутреннего переменного зацепления, выполненное в виде овала, боковые поверхности которого попеременно взаимодействуют с шестерней, одна зубчатая боковая поверхность овала соответствует прямому ходу поршня, другая - его обратному ходу, в верхняя и нижняя поверхности зубчатого колеса в рабочем цикле соответствует фазам смены направления движения поршня, шестерня расположена внутри овального колеса, установлена на коренном валу и снабжена дисковым кулачком, выполненном на стороне противоположной ее рабочим зубцам, попеременно взаимодействующим во время рабочего цикла с направляющими боковинами, установленными параллельно зубчатым боковым поверхностям прямого и обратного хода поршня, а так же содержащий механизм газораспределения, системы смазки, питания и др. (см. например заявку ФРГ N 3230508, МПК F 01 B 9/06 Реферативный информационный сборник "Изобретения в СССР за рубежом" за 1984 год, выпуск 85 N 9 стр. 13, издание ВНИПИ.

Недостатком указанного двигателя является то, что колесо в нижней головке шатуна выполнено зубчатым по всему замкнутому контуру, а полезную работу производят только зубчатые боковые поверхности прямого и обратного хода, при этом в процессе рабочего цикла эти поверхности испытывают различные по величине нагрузки, а верхние и нижние зубчатые поверхности, соответствующие фазе смены направления движения поршня, зацеплением ухудшают плавность вращения шестерни и увеличивают износ зубьев так, как при смене направления движения нижней головки шатуна меняется характер зацепления, а участок зацепления перемещается на 180 градусом, при этом увеличиваются контактные напряжения и происходит проскальзывание между соприкасающимися поверхностями зубьев шестерни и верхней или нижней поверхностям зубчатого колеса, что увеличивает износ зацепления, а так же, при работе двигателя в процессе движения поршня рабочие поверхности кулачка и упоров прямого и обратного хода при взаимодействии находятся в состоянии встречного движения в режиме скольжения с удвоенной скоростью. Все это уменьшает механический КПД и увеличивает износ трудящихся поверхностей, а это уменьшает надежность и долговечность двигателя.

Задачей настоящего изобретения является увеличение КПД, повышения надежности и долговечности двигателя путем придания однонаправленного движения рабочим поверхностям кулачка и упорное в режиме качения.

Для достижения обеспечиваемого заявленным изобретением технического результата в известном двигателя внутреннего сгорания имеется блок цилиндров, механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коренного вала, состоящий из поршней, размещенных в цилиндрах, кинетически связанных шатунами с коренным валом двигателя, а также механизм газораспределения, системы питания, смазки и охлаждения, причем в нижней головке шатуна каждой цидиндропоршневой группы расположена зубчатая передача с попеременными внутренними зацеплениями, шестерня которой установлена на коренном валу, вал выполнен прямым и установлен в подшипниках качения, размещенных в опорах блока цилиндров, зубчатое колесо выполнено в отверстии нижней головки шатуна, контур колеса выполнен из участков различной кривизны, боковые зубчатые поверхности которого выполнены с меньшей кривизной, попеременно взаимодействующие с шестерней, одна зубчатая боковая поверхность соответствует прямому ходу поршня, другая - его обратному ходу. Шестерня зубчатой передачи имеет кулачок, выполненный на стороне, противоположной ее рабочим зубцам, попеременно взаимодействующим во время рабочего цикла с упорами, которые установлены параллельно зубчатым боковым поверхностям прямого и обратного хода поршня, при этом верхняя и нижние поверхности отверстия нижней головки шатуна выполнены гладкими, радиусом не менее кривизны вершин зубьев шестерни и в рабочем цикле соответствуют фазе смены направления движения поршня, а кулачок установлен на валу вращающимся на подшипнике, и выполнен в виде полушестерни, половина поверхности кулачка зубчатая с длиной дуги по делительному диаметру, равной ходу поршня, другая половина поверхности кулачка гладкая, диаметром менее диаметра впадин полушестерни, минимум на высоту зуба шестерни, рабочие поверхности упоров выполнены зубчатыми, исходным контуром одинаковым с полушестерней, установлены упоры прямого хода параллельно зубчатой боковой поверхности колеса обратного хода поршня, а упор обратного хода установлен параллельно зубчатой боковой поверхности колеса прямого хода поршня, контур колеса может быть выполнен в виде овала с прямолинейными боковыми зубчатыми поверхностями. Все это обеспечивает достижение поставленной задачи изобретения. Благодаря тому, что кулачок установлен на валу вращающимся на подшипнике, в половина поверхности кулачка и рабочие поверхности упоров выполнены зубчатыми, радиальные силы в зацеплении шестерня - боковые зубчатые поверхности колеса уравновешиваются радиальными силами зацепления кулачка (полушестерни) и упора, а окруженная сила вращения кулачка незначительна, то почти вся работа поршня во время такта "рабочий ход" идет на создание крутящегося момента вала, что повышает механический КПД двигателя, а взаимодействующие рабочие поверхности кулачка и упоров, находящиеся в режиме качения изнашиваются значительно меньше, что увеличивает надежность и долговечность двигателя. При этом выполнение зубчатых боковых поверхностей в нижней головке шатуна в виде реек увеличит ремонтно-пригодность, а оптимальная установка упоров относительно зубчатых реек позволит добиться безударного режима смены направления движения. Все это повысит КПД двигателя, его надежность и долговечность.

На фиг. 1 схематично изображен продольный разрез заявляемого двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 2 поперечный разрез указанного двигателя; на фиг. 3 представлен разрез по Б-Б нижней головки шатуна по зубчатой передаче, часть коренного вала и коренные подшипники; на фиг. 4 изображено сечение А-А по зубчатой передаче и кулачку в середине рабочего хода поршня; на фиг. 5 сечение В-В, показывающее взаимодействие упоров и кулачка во время смены направления движения.

Заявляемый двигатель внутреннего сгорания содержит блок цилиндров 1, внутри которого размещен механизм преобразования движения, состоящий из поршней 2, шатунов 3, в отверстии нижних головок которых размещены шестерни 4, закрепленные на общем для всех цилиндров, прямом валу 5, установленном в подшипниках качения 6, закрепленном в опорах блока 1 коренными крышками 7, а также кулачков 8, одна половина поверхности которых зубчатая, с длиной дуги по делительному диаметру, равной ходу поршня 2, другая гладкая. Для бесконтактного встречного движения гладкой поверхности кулачка 8 и упоров прямого хода 9, и обратного хода 10, необходимо условие определяемое формулой;
dk<Dik - h зуб.ш.

где dk - диаметр гладкого участка кулачка 8,
Dik - диаметр окружности впадин кулачка 8,
h зуб.ш. - высота зуба шестерни 4,
кулачок 8 вращается на подшипнике 11, установленном на валу 5 независимо от шестерни 4. Зубчатое колесо расположено в нижней головке каждого шатуна 3, контур колеса выполнен в виде овала, состоящего из зубчатых участков прямого 12 и обратного 13 хода поршня 2, при этом боковые поверхности 12 и 13, в частном случае могут быть прямолинейными, выполненными в виде реек, закрепленных в нижней головке шатуна 3, шатунными крышками 14. Параллельно зубчатой рейке прямого хода 12 установлен упор обратного хода 10, а параллельно рейке обратного хода 13 установлен упор прямого хода 9. Рабочие поверхности упоров 9 и 10 выполнены зубчатыми исходным контуром одинаковым кулачком 8. Для более плавной согласованной работы кулачка 8 и шестерни 4 в шатунной крышке 14 имеются регулировочные винты 15, позволяющие точнее произвести установки упоров 9 и 10 относительно реек 13 и 12, что позволит добиться безударной смены направления движения шатуна 3. Диаметры делительных окружностей кулачка 8 и шестерни 4 зависят от длины хода поршня 2 и определяются по формуле:
dок=dош=2H/П,
где dок - диаметр делительной окружности кулачка 8,
dош - диаметр делительной окружности шестерни 4,
H - длина хода поршня,
при этом следует отметить, что увеличение делительной окружности dош шестерни 4 позволяет увеличить момент, крутящий двигатель и долговечность шестерни 4, т.к. все зубья шестерни 4 последовательно работают под нагрузкой, однако при этом необходимо изменять передаточное число передачи между коренным валом 5 и распредвалом (на чертеже не показанном). Так же двигатель имеет механизм газораспределения, системы питания, смазки, охлаждения и зажигания (на чертеже так же не указанных).

Работает двигатель следующим образом. При воспламенении горючей смеси в камере сгорания, например в первом цилиндре, газы, расширяясь, давят на днище поршня 2, перемещая его из верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней (НМТ) с усилием P, совершая такт "рабочий ход", совместно с поршнем 2 перемещается шатун 3, вращая при этом через зубчатую поверхность 12 прямого хода шестерню 4, вал 5 с постоянным крутящим моментом в процессе всего такта "рабочий ход" равным:
Мкр=P•R,
где P - сила, развиваемая поршнем,
R - радиус делительной окружности делительной шестерни 4.

Упор прямого хода 9, при этом вращает кулачок 8 в противоположном шестерни 4 направлении и надежно удерживает в зацеплении шестерню 4 и зубчатую рейку 12 нижней головки шатуна 3. В конце рабочего хода поршня 2 шестерня 4, наружным диаметром воздействуя на полуцилиндрическую поверхность нижней головки шатуна 3, отклоняет ее и выходит из зацепления с рейкой прямого хода 12 и входит в зацепление с рейкой обратного хода 13, и кулачок 8, при этом участком подъема входит в соприкосновение с наклонным гладким концом упора обратного хода 10, дублируя отклонение нижней головки шатуна 3. Продолжая вращение шестерня 4 через поверхность 13 обратного хода, переместит шатун 3 с поршнем 2 из НМТ к ВМТ, совершая при этом такт "выпуска". При подходе поршня 2 к ВМТ, аналогично сменится направление движения поршня 2 и шатуна 3 и совершится такт "всасывания", затем такт "сжатие" и т.д., рабочие циклы каждого цилиндра повторяются, чередуясь, во всех цилиндрах происходит непрерывный рабочий цикл всего двигателя. Наличие маховика сглаживает незначительные перепады величин крутящих моментов в цилиндрах двигателя.

Благодаря тому, что в зацепляемом двигателе по сравнению с известным по прототипу двигателем, содержащем в основном блок цилиндров, механизм преобразования возвратно-поступательного движения, состоящий из поршней, размещенных в цилиндрах, кинетически связанных шатунами с коренным валом, а в нижних головках шатунов расположены зубчатые передачи с внутренним зацеплением, а кулачок взаимодействует с упорами в режиме однонаправленного качения, согласно предварительным расчетам и эскизной проработке, позволит увеличить долговечность двигателя в 1,5 - 2 раза, а также механический КПД двигателя 7 - 8%с

Изобретение может быть использовано в качестве силовой установки для сухопутных и водных транспортных средств. Двигатель внутреннего сгорания содержит блок цилиндров, механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коренного вала. В нижней головке шатуна каждой цилиндрoпоршневой группы расположена зубчатая передача с попеременным внутренним зацеплением, шестерня которой установлена на коренном валу, вал выполнен прямым и установлен в подшипниках качения, размещенных в опорах блока цилиндров. Зубчатое колесо выполнено в отверстии нижней головки шатуна, контур колеса выполнен из участков различной кривизны, например в виде овала, боковые зубчатые поверхности которого выполнены с меньшей кривизной, могут быть прямолинейными, попеременно взаимодействующие с шестерней. Верхняя и нижняя поверхности отверстия нижней головки шатуна выполнены гладкими, радиусом не менее кривизны вершин зубьев шестерни. Шестерня зубчатой передачи имеет кулачок, попеременно взаимодействующий во время рабочего цикла с упорами. Кулачок установлен на валу и выполнен в виде полушестерни. Установлены упор прямого кода параллельно зубчатой боковой поверхности колеса обратного хода поршня и упор обратного хода параллельно зубчатой боковой поверхности колеса прямого хода поршня. Технический результат заключается в повышении механического КПД и увеличении надежности и долговечности. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров, механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коренного вала, состоящий из поршней, размещенных в цилиндрах, кинематически связанных шатунами с коренным валом двигателя, а также механизм газораспределения, системы питания, смазки и охлаждения, причем в нижней головке шатуна каждой цилиндропоршневой группы расположена зубчатая передача с попеременным внутренним зацеплением, шестерня которой установлена на коренном валу, вал выполнен прямым и установлен в подшипниках качения, размещенных в опорах блока цилиндров, зубчатое колесо выполнено в отверстии нижней головки шатуна, контур колеса выполнен из участков различной кривизны, боковые зубчатые поверхности которого выполнены с меньшей кривизной, попеременно взаимодействующие с шестерней, одна зубчатая боковая поверхность соответствует прямому ходу поршня, другая - его обратному ходу, шестерня зубчатой передачи имеет кулачок, выполненный на стороне, противоположной ее рабочим зубцами, попеременно взаимодействующим во время рабочего цикла с упорами, которые установлены параллельно зубчатым боковым поверхностям прямого и обратного хода поршня, отличающийся тем, что верхняя и нижняя поверхности отверстия нижней головки шатуна выполнены гладкими, радиусом не менее кривизны вершины зубьев шестерни и в рабочем цикле соответствуют фазе смены направления движения поршня, кулачок установлен на валу вращающимся на подшипнике и выполнен в виде полушестерни, половина поверхности кулачка зубчатая с длиной дуги по делительному диаметру, равной ходу поршня, другая половина поверхности кулачка гладкая, диаметром менее диаметра впадин полушестерни минимум на высоту зуба шестерни, рабочие поверхности упоров выполнены зубчатыми исходным контуром, одинаковым с полушестерней, установлены упоры прямого хода параллельно зубчатой боковой поверхности колеса обратного хода поршня, а упор обратного хода установлен параллельно зубчатой боковой поверхности колеса прямого хода поршня. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что контур колеса выполнен в виде овала с прямолинейными боковыми зубчатыми поверхностями.