ДВИГАТЕЛЬ, СОДЕРЖАЩИЙ КУЛАЧОК С ТРЕМЯ РАБОЧИМИ ВЫСТУПАМИ Российский патент 1999 года по МПК F02B75/22 F01B9/06 F16H21/36 

Данное изобретение относится к поршневым двигателям, содержащим кулачок с тремя рабочими выступами для преобразования возвратно-поступательного перемещения поршня во вращательное движение или наоборот в зависимости от режима использования двигателя: в качестве двигателя или в качестве компрессора.

Предпосылки изобретения
Поршневые двигатели с кулачком, имеющим три рабочих выступа, описаны в следующих патентах: в патентах США N.N. 793270, 1810688, 4727749, 1765237, 1825417, 5035221, 1792062, 2124604, 5281104 и 4697552 и во французском патенте N. 2037132.

В каждом из вышеперечисленных патентов двигатели снабжены двумя диаметрально противоположными поршнями, соединенными друг с другом нерастяжимым шатуном с обеспечением двухтактного цикла. Каждый поршень имеет толкатель кулачка, для удержания которого в контакте с кулачком во всех положениях вращения последнего служит шатун. Такое взаимное соединение поршней вызывает необходимость профилирования кулачка с тремя рабочими выступами так, что расстояние между двумя диаметрально противоположными участками является по существу неизменным. По сути говоря, такое профилирование включает сглаживание рабочих выступов кулачка и формирование вогнутости между двумя соседними рабочими выступами. При работе этих двигателей в качестве двигателей внешнего сгорания они имеют относительно большой угловой диапазон, в пределах которого отсутствует возможность их самостоятельного пуска.

В патенте США 1203855 описан двигатель, который содержит кулачок с тремя рабочими выступами и в котором поршни не соединены друг с другом, в результате чего они являются свободно плавающими. Кулачок этого двигателя имеет асимметричную форму, тем самым двигатель может работать только в одном направлении. Более того, взаимодействие между толкателями кулачка и кулачком приводит к возникновению большой реактивной силы, стремящейся ввести поршень в контакт со стенкой цилиндра, в котором поршень движется возвратно-поступательно, что способствует быстрому износу.

В патенте США 3648528 описан поршневой двигатель, который содержит вращающийся кулачок и в котором два ролика прикреплены к поршневому штоку над осью вращения толкателя кулачка, при этом ролики опираются на неподвижные направляющие. Хотя такое расположение и уменьшает поперечные реактивные силы, передаваемые поршню, однако полностью они не исчезают. Более того, при перемещении поршня в любой конкретный момент времени только один ролик опирается на направляющую.

В международной публикации W093/11342 описан поршневой двигатель, который содержит вращающийся кулачок и в котором для восприятия поперечных реактивных сил подшипники скольжения установлены как над осью вращения толкателя кулачка, так и под этой осью.

Целью данного изобретения является создание усовершенствованных двигателей, содержащих кулачок с тремя рабочими выступами.

Другой целью данного изобретения является создание двигателей, которые содержат кулачок с тремя рабочими выступами, в которых используются свободно плавающие поршни и в которых внутренние реактивные силы между поршнем и стенкой цилиндра уменьшены.

Еще одной целью данного изобретения является создание двигателей, которые содержат кулачок с тремя рабочими выступами и в которых для изменения их характеристик возможна взаимозамена кулачков различного профиля при отсутствии необходимости в других изменениях.

Еще одной целью данного изобретения является создание двигателей, которые содержат кулачок с тремя рабочими выступами и которые имеют простую модульную конструкцию, при этом количество и размер цилиндров могут быть легко изменены.

Дополнительной целью данного изобретения является создание двигателей, которые содержат кулачок с тремя рабочими выступами и которые при работе в качестве двигателей внешнего сгорания могут быть самозапускающимися.

Сущность изобретения
В соответствии с одним аспектом данного изобретения, двигатель содержит корпус с валом, кулачок с тремя рабочими выступами и четыре поршневых устройства со свободно плавающими поршнями, расположенных на корпусе с равными промежутками. Каждое поршневое устройство содержит цилиндр, свободно плавающий поршень, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения в цилиндре, и толкатель кулачка, связанный с поршнем.

Толкатель кулачка имеет связанные с ним направляющие опорные средства, а корпус имеет направляющие, вдоль которых могут перемещаться направляющие опорные средства. Толкатель кулачка выполнен с возможностью вращения, а направляющие опорные средства содержат два подшипника, которые также выполнены с возможностью вращения и расположены соответственно на аксиально противоположных сторонах толкателя кулачка и коллинеарно относительно друг друга. Таким образом, поперечные реактивные силы, создаваемые на толкателе кулачка, могут быть переданы на направляющие без передачи сколько-либо значительной поперечной силы поршню. Более того, один из двух подшипников постоянно передает поперечную реактивную силу направляющим, уменьшая таким образом рабочую нагрузку на устройство.

Такой двигатель особенно хорошо подходит для использования в пищевой промышленности в качестве воздушного двигателя, который вырабатывает большой крутящий момент и в котором благодаря уменьшению взаимодействия между поршнем и цилиндром, а также движению качения толкателя кулачка и связанных с ним направляющих опорных средств по существу отсутствует смазка.

В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения четыре поршневых устройства расположены с образованием двух диаметрально противоположных пар, цилиндрические оси цилиндров которых пересекаются на оси вала двигателя с обеспечением симметрии и возможности реверсирования направления работы двигателя.

Для использования двигателя по основному назначению кулачки выполнены в форме равностороннего треугольника, стороны которого по существу прямолинейны. Рабочие выступы кулачков относительно ровно закруглены по радиусу закругления, предпочтительно составляющему примерно 6 мм (0,25 дюйма), при этом двигатель, работающий в качестве двигателя внешнего сгорания, может быть самозапускающимся и реверсивным. Однако форма кулачка влияет на крутящий момент и другие характеристики двигателя, и при определенных обстоятельствах может быть предпочтителен треугольный кулачок с выполненными волнообразно сторонами, особенно если стороны вблизи рабочих выступов кулачка имеют выпуклую форму.

Кроме того, в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения корпус снабжен восемью отверстиями, расположенными симметрично по его окружности, и обычно каждое отверстие имеет связанные с ним направляющие. Четыре отверстия могут быть закрыты вышеописанными поршневыми устройствами, которые могут быть названы основными, при этом остальные четыре отверстия закрыты крышками. Такой двигатель легко модифицируется в восьмицилиндровый двигатель просто путем удаления крышек и установки вместо них дополнительных поршневых устройств, которые по существу идентичны основным поршневым устройствам.

Вышеупомянутые цели и аспекты данного изобретения, наряду с его другими целями, аспектами и преимуществами более понятны из нижеследующего описания предпочтительного варианта его выполнения, рассмотренного совместно с прилагаемыми к нему чертежами.

Краткое описание чертежей
На чертежах
фиг.1 изображает схематичный поперечный центральный разрез предлагаемого четырехцилиндрового двигателя,
фиг. 2 изображает схематичный продольный центральный разрез одного цилиндра двигателя, представленного на фиг. 1, с дополнительно показанными клапанными элементами,
фиг. 3 изображает схематичный вид спереди, на котором более подробно показано клапанное устройство, причем невидимая деталь показана пунктирной линией,
фиг.4 изображает вид сверху цилиндра, показанного на фиг.3,
фиг. 5 и 6 аналогичны соответственно фиг.3 и 4, но изображают модифицированный цилиндр,
фиг. 7 аналогична фиг. 1, но изображает восьмицилиндровый вариант двигателя,
фиг. 8 изображает схематичный вид клапанного устройства, приводимого в действие электрически и связанного с цилиндром, и
фиг. 9A-9C изображают варианты кулачков, предназначенных для использования в представленном на фиг.1 двигателе, причем для сравнения пунктирными линиями показана основная треугольная форма.

Описание предпочтительного варианта выполнения
Двигатель 10 содержит корпус 12, включающий две противоположных отстоящих друг от друга боковых пластины 14 с валом 16, установленным с возможностью вращения в подшипниках 18. Кулачок 20 установлен на валу 16 с возможностью вращения вместе с ним. Корпус 12 имеет восемь граней, образующих опоры 22, распределенные равномерно по окружности с центром на оси вращения вала 16, и усиливающие распорки 26, расположенные между пластинами 14 у каждой соседней пары опор. Поршневое устройство 28, включающее цилиндр 30, расположено на каждой второй опоре 22 и прикреплено к ней болтами 32, которые обычно завинчены в пластины 14, при этом опоры 22, на которых цилиндра нет, как правило, закрыты крышками 34. Устройство 28 также содержит поршень 40, с которым жестко связан поршневой шток 42. Каждый шток 42 имеет вилочное отверстие 44, в котором на опорном пальце 48 вблизи периферийного конца поршневого штока установлен толкатель 46 кулачка. Палец 48 выступает наружу с противоположных сторон отверстия 44 с созданием опоры для двух направляющих подшипников 50, расположенных на аксиально противоположных сторонах толкателя 46. Каждая опора 22 имеет две связанных с ней направляющих 54, которые обычно выполнены путем механической обработки в пластинах 14 и вдоль которых при возвратно-поступательном движении поршня 40 в его цилиндре 30 перекатываются подшипники 50. Следует понимать, что все цилиндры 30, направляющие 54 и пальцы 48 опорного подшипника отцентрованы по диаметрам, центры которых проходят через ось вращения вала 16.

Двигатель 10, выполненный в виде двигателя внешнего сгорания, содержит клапанное устройство 60, выполненное обычно в виде вращающегося осциллирующего впускного клапана 62, приводимого в действие устройством 64 с штоком толкателя, которое расположено снаружи корпуса 12, связано с каждым цилиндром 30 и включает шток 66 толкателя, приводимый в движение синхронизирующим клапанным кулачком 68, расположенным на валу 16 двигателя и прикрепленным к нему шпонкой 70. Выпускной канал 72 расположен в стенке каждого цилиндра 30, а впускной канал 74 - в его головной части.

Кулачок 20 в основном выполнен в форме равнобедренного треугольника с прямолинейными сторонами 80 и рабочими выступами 82, ровно закругленными по радиусу 84, который равен примерно 6 мм и величина которого может быть относительно независимой от размера кулачка 20, по меньшей мере в пределах, когда размер сторон 80 находится в диапазоне примерно от 5 см до 50 см (от 2 до 20 дюймов). Кулачок 68 имеет форму, которая в целом соответствует форме основного кулачка 20, т.е. он выполнен в форме равнобедренного треугольника, хотя его рабочие выступы 86 по существу сглажены, что рассмотрено ниже.

Предположим, что двигатель 10 работает в качестве двигателя от источника (не показан) расширяемого газа, управление кулачком 68 осуществляется для обеспечения движения вала 16 по часовой стрелке, взаимное расположение составных частей соответствует расположению, показанному на фиг. 1, а для упрощения описания цилиндры 30 обозначены буквами A, B, C и D, при этом при запуске поршень 40 цилиндра A находится немного ниже своего верхнего мертвого центрального положения. Клапан 62 цилиндра A немного открыт, а аналогичные клапаны цилиндров B, C и D закрыты. Следовательно, поршень 40 цилиндра A под воздействием расширяемого газа, подаваемого в цилиндр A, выталкивается вниз, что вызывает вращение кулачка 20, а вместе с ним и вала 16, по часовой стрелке. Когда поршень 40 цилиндра A с помощью выступов 86 соответствующей формы опускается примерно на треть своего хода, клапан 62 цилиндра A соответственно закрывается. Совместно с перемещением поршня цилиндра A вниз поршень цилиндра B выталкивается вверх, увлекая некоторое количество газа в цилиндр. В конечном счете поршень 40 цилиндра B занимает положение, соответствующее положению поршня 40 цилиндра A на фиг.1, а расширяемый газ введен в цилиндр B. В это время двигатель 10 работает в динамическом режиме, и рабочая выходная мощность вырабатывается как поршнем 40 цилиндра A при его движении к нижней точке его хода, так и поршнем цилиндра B. Поршни цилиндров C и D работают аналогично поршням A и B, и, когда двигатель 10 работает в динамическом режиме в качестве двигателя, в основном два соседних поршня обеспечивают мощность при рабочем ходе, а два других соседних поршня приводятся в движение кулачком 20.

Поскольку на выходе двигателя 20 присутствует сравнительно большой крутящий момент, вал 16 во многих случаях может быть присоединен к приводимому в действие агрегату непосредственно без какой-либо промежуточной коробки передач. При потребности в приведении двигателя на фиг.1 в действие против часовой стрелки необходимо всего лишь перевернуть кулачок 68 на 180^o. Очевидно, что для перемещения кулачка 68 по отношению к валу 16 для реверсирования направления вращения двигателя могут быть использованы другие, в некоторой степени более сложные варианты.

Теперь предположим, что регулирование кулачка 68 осуществляется для обеспечения работы двигателя в качестве двигателя, вращающегося против часовой стрелки, а взаимное расположение частей соответствует расположению, показанному на фиг. 1, при этом при запуске поршень 40 цилиндра A находится немного ниже своего верхнего мертвого центрального положения, а клапаны 62 цилиндров A, C и D закрыты. Клапан 62 цилиндра B открывается, выталкивая поршень 40 этого цилиндра вниз, вызывая тем самым вращение кулачка 20, а с ним и вала 16, против часовой стрелки. Когда кулачок 20 повернут в положение, в котором он выталкивает поршень 40 цилиндра A в его верхнее мертвое центральное положение, клапан 62 цилиндра A открыт, и последовательность работы, описанная выше применительно к двигателю, приводимому в действие по часовой стрелке, повторяется в обратном порядке.

Качение толкателей 46 и направляющих подшипников 52 и уменьшение боковых сил на поршни 40 обеспечивают при определенных условиях приведение в действие двигателя 10 без смазки или со смазкой, но только при использовании герметичных подшипников, что является большим преимуществом при работе в неблагоприятных условиях.

Техническое обслуживание двигателя 10 особенно облегчено благодаря тому, что поршни 40 являются свободно плавающими, что позволяет удалять цилиндры 30 и поршни 40 просто путем удаления болтов 32. Цилиндры 30 могут быть заменены соответственно цилиндрами 130, как, например показано на фиг. 5 и 6, имеющими по существу больший внутренний диаметр, чем цилиндры 30. В этом примере крепежные болты 132 не пересекают пластины 14 корпуса 12. Соответственно, цилиндры 130 опираются на опоры 22 основанием 133, внутренний диаметр которого меньше диаметра цилиндра 130, благодаря чему для крепления цилиндра 130 к корпусу 120 вместо цилиндра 30 служат болты 32, проходящие через отвернутый наружу фланец 135.

Переделка двигателя 10 в восьмицилиндровый двигатель достаточно проста и включает удаление крышек 34 с двигателя 10, показанного на фиг. 1, и закрепление на их место цилиндров 30 и относящихся к ним составных частей с образованием двигателя 110, показанного на фиг. 7.

Четырехцилиндровый двигатель 10 имеет двенадцать рабочих ходов на один оборот вала 16, а в восьмицилиндровом двигателе 110 их количество удвоено. Следовательно, вполне понятно, что в результате получается ровно работающий двигатель, имеющий исключительно большой крутящий момент.

Хотя материалы, используемые в конструкции двигателя 10, не имеют решающего значения, для изготовления многих его деталей, включая корпус 10, особенно подходят пластмассы, кроме того также предполагается, что для облегчения технического обслуживания направляющие 54 оснащены сменными вкладышами 56.

Как показано на фиг. 8, предлагаемый двигатель может иметь клапанное устройство 160, которое приводится в действие электрически, которое связано с каждым цилиндром 130 и которое заменяет описанное ранее устройство 60, приводимое в действие механически. Устройство 160 содержит связанный с ним переключающий механизм 162, имеющий переключающие контакты 164a, 164b, приводимые в действие ротором 120, и переключатель 166 полярности, обеспечивающий выбор одного из контактов 164a, 164b.

На фиг. 9A показан второй вариант выполнения основного кулачка 20, обозначенного позицией 120A и имеющего основную форму с равными по длине и прямолинейными сторонами, аналогичную форме кулачка 20, очертания которого показаны штриховыми линиями и обозначены буквой О. Кулачок 120A имеет рабочие выступы 182 и стороны 180, проходящие между двумя соседними рабочими выступами. Стороны 180 имеют первую часть 181A, проходящую между рабочим выступом и средней зоной стороны, обозначенной буквой М, и вторую часть 183A, проходящую между средней зоной и соседним рабочим выступом. В этом втором варианте выполнения части 181A и 183A сторон кулачка имеют идентичную форму, при этом стороны 180 полностью симметричны, и кулачок 120A может вращаться в любом направлении. Предположив, что вращение происходит против часовой стрелки, части 181A регулируют перемещение поршня, например поршня 40 при рабочем ходе двигателя, а части 183A регулируют его перемещение при ходе выпуска. Часть 181A имеет S-образную форму с неглубокими выгибами и начинается выпуклым участком, что обеспечивает уменьшение ускорения поршня 40 на рабочем ходе вблизи выступа 182 по сравнению с ускорением, возникающим при использовании кулачка 20. Это также создает эффект сглаживания кривой выходного крутящего момента, при этом максимальный крутящий момент возникает на более позднем интервале хода выпуска и поддерживается на более продолжительном интервале. Часть 181A становится вогнутой при приближении к средней зоне М, которая в кулачке 120A расположена ближе к центру вращения, чем в соответствующем кулачке 20. Это создает эффект увеличения длины рабочего хода, а также углового интервала, в пределах которого сохраняется относительно большой выходной крутящий момент при обратном ходе. Часть 183A также имеет S-образную форму с неглубокими выгибами. Предполагается, что некоторое количество газа вовлекается в цилиндр для выполнения функции амортизатора для поршня внутри этого цилиндра при ходе выпуска и что этот газ сжимается усилием, прикладываемым толкателем поршня, таким как 46, а такая форма части 183A служит для установления углового интервала, в котором максимальное усилие прикладывается в основном диаметрально противоположно тому усилию, при котором максимальный крутящий момент выдается с другого цилиндра двигателя, что способствует его ровной работе. Кроме того это способствует уменьшению торможения поршня на подходе к выступу 182 на ходе выпуска.

Кулачок, имеющий форму, показанную на фиг.9A, может быть предпочтителен для реверсивных двигателей 10, работающих с умеренно высокими скоростями. Однако следует отметить, что могут быть предпочтительными и другие формы кулачков, например форма, показанная на фиг. 9B, где начальная часть 181B кулачка 120B плоская или промежуточная по сравнению с основной треугольной формой, при этом кулачок такой формы подходит для работы с умеренными скоростями. На фиг.9C показан кулачок 120C, у которого начальная часть имеет отрицательный угол наклона, что лучше подходит для низкоскоростных двигателей, имеющих большой крутящий момент.

Следует отметить, что в вариант выполнения, рассмотренный здесь в качестве примера, могут быть внесены многочисленные изменения, отраженные в прилагаемой формуле изобретения, без отклонения от объема изобретения.

Двигатель предназначен для использования в качестве поршневого двигателя или компрессора с механизмом преобразования возвратно-поступательного перемещения поршня во вращательное движение вала или наоборот. Двигатель (10) содержит свободно плавающие поршни (40), установленные с возможностью возвратно-поступательного пepeмeщeния и содержащие каждый толкатель (46), опирающийся на кулачок (20) с тремя рабочими выступами, при этом каждый толкатель кулачка поддерживается направляющим подшипником (50), передвигающимся в направляющей (54) и служащим для передачи направляющей поперечных составляющих реактивной силы, создаваемой между кулачком и толкателем кулачка. Изобретение позволяет усовершенствовать двигатель, обеспечить при работе его в качестве ДВС самозапускаемость, упрощение конструкции. 15 з.п.ф-лы, 9 ил.

1. Двигатель (10), содержащий корпус (12), вал (16), установленный в корпусе с возможностью вращения по отношению к нему, кулачок (20) с тремя рабочими выступами, прикрепленный к валу в корпусе, четыре основных поршневых устройства (28), которые установлены вокруг вала на корпусе с равными промежутками и каждое из которых содержит цилиндр (30), поршень (40), установленный с возможностью независимого возвратно-поступательного перемещения в цилиндре, и толкатель (46) кулачка, присоединенный к поршню, направляющие опорные средства (50) связанные с толкателем кулачка, и направляющие (54), которые поддерживаются корпусом, вдоль которых могут перемещаться направляющие опорные средства при возвратно-поступательном перемещении поршня в его цилиндре и которые служат для передачи направляющим реактивных сил, создаваемых между кулачком и толкателем кулачка и стремящихся ввести поршень в контакт с его цилиндром, отличающийся тем, что направляющие опорные средства содержат два направляющих подшипника, которые расположены соответственно на аксиально противоположных сторонах толкателя кулачка, при этом каждый толкатель кулачка и связанные с ним направляющие опорные средства выполнены с возможностью вращения и имеют коллинеарную ось вращения. 2. Двигатель по п.1, в котором каждый цилиндр имеет цилиндрическую ось, пересекающую с осью вала. 3. Двигатель по п.1, в котором кулачок выполнен по существу в форме равностороннего треугольника с закругленными вершинами, при этом радиус закругления равен примерно 6 мм. 4. Двигатель по пп.1, 2 или 3, в котором кулачок выполнен выпуклым вблизи каждого рабочего выступа по меньшей мере с одной стороны последнего. 5. Двигатель по пп.1, 2 или 3, в котором кулачок выполнен вогнутым вблизи средней зоны каждой его стороны, причем эта средняя зона расположена с внутренней стороны от линии, соединяющей вершины двух соседних рабочих выступов. 6. Двигатель по пп. 1, 2 или 3, в котором каждый поршень имеет жестко прикрепленный к нему поршневой шток (42), на котором установлены толкатель кулачка и направляющие опорные средства. 7. Двигатель по любому из пп.1-3, который содержит четыре дополнительных поршневых устройства, в целом идентичных упомянутым основным поршневым устройствам и установленных на корпусе симметрично по отношению к основным поршневым устройствам. 8. Двигатель по любому из пп.1-7, в котором корпус содержит две противоположные отстоящие друг от друга боковые стенки (14), в которых в виде пазов выполнены направляющие (54). 9. Двигатель по п.8, в котором пазы снабжены сменными вкладышами (56). 10. Двигатель по любому из пп.1-9, в котором каждый цилиндр имеет впускное отверстие (74), с каждым из которых связано клапанное устройство (60). 11. Двигатель по п. 10, в котором клапанное устройство приводится в действие механически. 12. Двигатель по п. 10, в котором механическое приведение в действие клапанного устройства осуществляется посредством синхронизирующего кулачка (68), установленного на валу с возможностью изменения положения на противоположное для обеспечения вращения двигателя в противоположную сторону. 13. Двигатель по п.10, в котором клапанное устройство приводится в действие электрически. 14. Двигатель по п. 13, в котором электрическое приведение в действие клапанного устройства осуществляется посредством переключающего устройства, приводимого в действие кулачком. 15. Двигатель по п.14, в котором переключающее устройство содержит переключатель полярности. 16. Двигатель по любому из пп.1-15, в котором цилиндр содержит основание (133) с отверстиями для крепления цилиндра к корпусу, при этом диаметр основания меньше диаметра поршня цилиндра.