ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F02B75/32 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к поршневым многоцилиндровым двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в качестве двигателя на сухопутных и водных транспортных средствах, а также в энергомашиностроении 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, а также поршневая машина с зубчатой передачей попеременного внутреннего зацепления, состоящие из блока цилиндров с камерами для сжигания топлива, механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала, состоящего из поршней, размещенных в цилиндрах, кинематически связанных шатунами с валом двигателя, а также механизма газораспределения, системы питания, смазки, охлаждения и других (см. например заявку ФРГ N 3230508, Реферативный информационный сборник "Изобретения в СССР и за рубежом" за 1984 год, выпуск 85, N 9 стр. 13, издание ВНИИПИ).

Наиболее близкий по совокупности существенных признаков и технической сущности предлагаемого изобретения является двигатель внутреннего сгорания многоцилиндровый, рядный, состоящий из блока цилиндров, механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коренного (приводного) вала двигателя, состоящего из поршней, размещенных в цилиндрах, кинематически связанных шатунами через зубчатую передачу попеременного внутреннего зацепления с валом двигателя, а также из механизма газораспределения, системы смазки, питания и охлаждения. При этом колесо зубчатой передачи размещено в нижней головке шатуна и выполнено в виде двух противоположно расположенных зубчатых реек, одна из которых соответствует прямому ходу поршня, другая - его обратному ходу, а шестерня установлена на прямом валу, который установлен в подшипниках качения, расположенных в опорах блока цилиндров, шестерня зубчатой передачи имеет кулачок, выполненный на противоположной стороне рабочих зубцов, попеременно взаимодействующих во время рабочего цикла с упорами, установленными параллельно зубчатым боковым поверхностям прямого и обратного хода поршня (см. например, патент РФ N 2109152).

Известные по аналогу и прототипу двигатели конструктивно сходны между собой, что позволяет их рассматривать совместно и выделить общий у них недостаток, заключающийся в том, что элементы зубчатой передачи при работе двигателя воспринимают различные по величине нагрузки. Наибольшим нагрузкам подвержены половина колеса (одна рейка) и половина шестерни, соответствующие прямому ходу поршня при такте "рабочий ход", следовательно больший износ будет у половины колеса и половины шестерни. Все это уменьшает надежность и долговечность двигателя. Задачей настоящего изобретения является увеличение КПД, повышения надежности и долговечности двигателя путем перераспределения нагрузки, равномерно на все элементы зубчатой передачи, на обе стороны (рейки) колеса и по всей зубчатой поверхности шестерни.

Для достижения обеспечиваемого заявленным изобретением технического результата в известном двигателе внутреннего сгорания имеется блок цилиндров, механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коренного вала, состоящий из поршней, размещенных в цилиндрах, кинематически связанных шатунами, через зубчатую передачу попеременного внутреннего зацепления, с коренным валом двигателя, а также механизм газораспределения, системы питания, смазки и охлаждения, причем в нижней головке шатуна каждой цилиндропоршневой группы расположено колесо зубчатой передачи, а шестерня закреплена на прямом валу, вал установлен в подшипниках качения, расположенных в опорах блока цилиндров, контур колеса выполнен из участков различной кривизны, например в виде овала боковые зубчатые поверхности которого выполнены с меньшей кривизной, могут быть прямолинейными, попеременно взаимодействующими с шестерней, одна зубчатая боковая поверхность овала соответствует прямому ходу поршня, другая - его обратному ходу, а верхняя и нижняя поверхности овала выполнены гладкими и большей кривизны, но не более кривизны зубьев шестерни, и в рабочем цикле соответствуют фазе смены направления движения поршня, 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, колесо зубчатой передачи с обоих сторон продольной оси овала шарнирно соединено с шатунами двух противоположно расположенных цилиндров, при этом шарнирные соединения имеют ограничители углового движения, например, упругий стержень, жестко установленный перпендикулярно оси одного из элементов соединения, например, колеса, и с возможностью изгиба в пределах упругой деформации в отверстии другого элемента соединения (головке шатуна), которое на участке сопряжения со стержнем выполнено с односторонним уклоном образующей с вершиной угла на периферии, достаточным для упругого изгиба стержня в отверстии, того соединения, которое находится в фазе смены "прямого" направления движения поршня на "обратное" с максимальным преломлением оси "шатун-колесо" и отклонением для бесконтактного перемещения свободной от зацепления зубчатой боковой поверхности колеса относительно шестерни, при этом стержень другого соединения находящегося в период однонаправленного движения и в фазе смены "обратного" направления движения поршней на "прямое" восстанавливает свою прямолинейность в отверстии и стабилизирует положение оси "колесо-шатун".

Все это обеспечивает достижение поставленной задачи изобретения. Благодаря тому, что колесо зубчатой передачи с обоих сторон продольной оси овала, шарнирно соединено с шатунами двух противоположно расположенных цилиндров, а в соединениях установлены упругие стержни, жестко закрепленные на оси одного из элементов соединения и с возможностью изгиба в пределах упругой деформации, в отверстии другого элемента, то при последовательной работе противоположно расположенных цилиндров, нагрузка равномерно воспринимается всей зубчатой поверхностью колеса и шестерни, при этом во время тактов "сжатие" и "выпуск" колесо зубчатой передачи выходит из зацепления с шестерней и непосредственно, минуя зацепление, осуществляет движение поршней, что позволяет уменьшить количество передач вдвое, а следовательно уменьшить длину блока и валов, что улучшит их прочностные характеристики. Уменьшатся механические затраты в двигателе. А это позволяет повысить КПД двигателя, его надежность и долговечность, а также уменьшит удельную металлоемкость двигателя.

На фиг. 1 изображен поперечный разрез заявляемого двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 2 - разрез по А-А указанного двигателя по поршням и клапанам; на фиг. 3 представлен разрез по Б-Б (продольный) по зубчатой передаче и распредвалу; на фиг. 4 - схема перемещений и ориентировочных соотношений размеров зубчатой передачи и шатунно-поршневой группы; на фиг. 5 - сечение по В-В, показывающее упругий стержень в установившемся положении.

Заявляемый двигатель внутреннего сгорания содержит блок цилиндров 1, внутри которого размещен механизм преобразования движения, состоящий из поршней 2, шатунов 3 и зубчатой передачи попеременного внутреннего зацепления 4. Зубчатое колесо 5 передачи соединено с двух противоположных сторон большой оси овала с шатунами 3, боковые поверхности колеса 5 выполнены в виде двух взаимозаменяемых зубчатых реек верхней 6 и нижней 7, попеременно взаимодействующих с шестерней 8, закрепленной на общем прямом валу 9, установленном на подшипниках качения 10. Вместе с шестерней 8 на валу 9 установлены на шпонках 11 кулачки 12, взаимодействующие попеременно с упорами 13, установленными на зубчатом колесе 5 параллельно рейкам 6 и 7. Соединение колеса 5 с шатунами 3 выполнено осью 14, неподвижно закрепленной в проушинах колеса 5 и с возможностью ограниченного поворота шатуна 3 на угол α. Схема перемещений и ориентировочных соотношений размеров зубчатой передачи и шатунно-поршневой группы показывает и определяет угол α.

где h - величина отклонения зубчатой поверхности колеса 5 свободной от зацепления относительно зубчатой поверхности шестерни 8.

e_ш - длина шатуна 3 по осям головок.

e - длина кода поршня 2.

e_к - длина зубчатого колеса 5 передачи 4 по осям соединений.

Величина h не менее высоты зуба шестерни 8 и достаточна для бесконтактного перемещения свободной от зацепления рейки 6 или 7, относительно шестерни 8, в период установившегося однонаправленного движения поршней 2 и в фазе смены направления движения. Ограничение поворота шатуна 3 на угол α осуществляется упругим стержнем 13, установленным неподвижно на оси 14, и с возможностью изгиба в пределах упругой деформации в отверстии головки шатуна 3, выполненном на участке сопряжения со стержнем 15, с односторонним уклоном образующей, от периферии головки к поверхности оси 14 на угол α. Также двигатель имеет механизм газораспределения, состоящий в основном из распредвала 16, установленного на подшипниках качения 17, и клапанов 18, системы питания, смазки, охлаждения и зажигания (на чертеже не показанных).

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 одной мертвой точки к другой с усилием P, совершая такт "рабочий код". Совместно с поршнем 2 перемещается шатун 3 и колесо 5, которое рейкой 7, находящейся в зацеплении с шестерней 8, вращает вал 9, с постоянным крутящим моментом в процессе всего такта, одновременно перемещает соединенный с ним шатун 3 с поршнем 2 противоположного цилиндра и совершает при этом в этом цилиндре такт "сжатие" или "выхлоп" (в зависимости от порядка работы цилиндров). В конце такта одна зубчатая рейка, например 7, колеса 5, выходит из зацепления шестерней 8, а другая, противоположная рейка 6, входит в зацепление с шестерней 8 и происходит смена направления движения. При этом упругий стержень 15 соединения, находящийся в фазе смены направления движения с такта "рабочий код" и "всасывание" на такт "выхлоп" и "сжатие", сгибается в отверстии головки шатуна 3, в пределах упругой деформации и ограничивает преломление оси шатун 3 - колесо достаточным отклонением для бесконтактного перемещения свободной от закрепления рейки 6, относительно шестерни 8, а стержень 15 другого соединения, находящегося в фазе смены направления движения с такта "сжатие" и "выхлоп" на такты "рабочий ход" и "всасывание", при этом восстанавливается в отверстии и стабилизирует прямолинейность оси шатун 3 колесо 5. Рабочие циклы каждого цилиндра повторяются и, чередуясь во всех цилиндрах, происходит непрерывный рабочий цикл всего двигателя. Наличие маховика (на чертеже не показан) сглаживает незначительные перепады величин крутящих моментов в цилиндрах двигателя.

Благодаря тому, что в заявленном двигателе, по сравнению с известным по прототипу двигателем, содержащим в основном блок цилиндров, механизм преобразования возвратно-поступательного движения, состоящий из поршней, размещенных в цилиндрах, кинематически связанных шатунами с колесом зубчатой передачи с двух сторон противоположно расположенных цилиндров, а в узлах соединения колеса с шатунами монтированы упругие стержни, сократится количество передач вдвое, а ввиду малого угла отклонения шатунов уменьшатся радиальные нагрузки на поршни, а следовательно и их износ, согласно предварительным расчетам и эскизной проработке повысится механический КПД двигателя на 6-8%, увеличится долговечность и надежность двигателя, а также уменьшится удельная металлоемкость двигателя.

Изобретение может быть использовано в качестве силовой установки для сухопутных и водных транспортных средств. Механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала связан шатунами через зубчатую передачу попеременного внутреннего зацепления с коренным валом двигателя. Шестерня передачи установлена на прямом валу, вал установлен в подшипниках качения, расположенных в опорах блока цилиндров. Контур колеса выполнен из участков различной кривизны, например в виде овала. Боковые зубчатые поверхности овала выполнены меньшей кривизны и попеременно взаимодействуют с шестерней. Одна зубчатая боковая поверхность овала соответствует прямому ходу поршня, другая - его обратному ходу, а верхняя и нижняя поверхности овала выполнены гладкими большей кривизны, но меньше кривизны зубьев шестерни, и в рабочем цикле соответствуют фазе смены направления движения поршня. Шестерня зубчатой передачи имеет кулачок, попеременно взаимодействующий во время рабочего цикла с упорами, установленными параллельно зубчатым боковым поверхностям колеса. Колесо зубчатой передачи с обеих сторон продольной оси овала шарнирно соединено с шатунами поршней двух противоположно расположенных цилиндров. Соединения имеют ограничители углового движения, выполненные в виде упругого стержня, жестко установленного перпендикулярно на оси колеса, и с возможностью изгиба в пределах упругой деформации в отверстии, выполненном в головке шатуна. Отверстие на участке сопряжения со стержнем выполнено с односторонним уклоном образующей, достаточным для упругого изгиба стержня в отверстии при максимальном преломлении оси шатун - колесо и отклонении для бесконтактного перемещения свободной от зацепления зубчатой боковой поверхности колеса, относительно шестерни. Стержень другого соединения, находящегося в период однонаправленного движения, восстанавливает свою прямолинейность в отверстии и стабилизирует положение оси колесо - шатун. Технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия, надежности и долговечности двигателя. 5 ил.

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 через зубчатую передачу попеременного внутреннего зацепления с коренным валом двигателя, а также механизм газораспределения, системы питания, смазки и охлаждения, причем в нижней головке шатуна каждой цилиндро-поршневой группы расположено колесо зубчатой передачи, а шестерня закреплена на прямом валу, вал установлен в подшипниках качения, расположенных в опорах блока цилиндров, контур колеса выполнен из участков различной кривизны, например в виде овала, боковые зубчатые поверхности которого выполнены с меньшей кривизной, могут быть прямолинейными, попеременно взаимодействующими с шестерней, одна зубчатая боковая поверхность овала соответствует прямому ходу поршня, другая - его обратному ходу, а верхняя и нижняя поверхности овала выполнены гладкими и большей кривизны, но не более кривизны зубьев шестерни, и в рабочем цикле соответствуют фазе смены направления движения поршня, шестерня зубчатой передачи имеет кулачок, выполненный на стороне, противоположной ее рабочим зубцам, попеременно взаимодействующий во время рабочего цикла с упорами, которые установлены параллельно зубчатым боковым поверхностям прямого и обратного хода поршня, отличающийся тем, что колесо зубчатой передачи с обеих сторон продольной оси овала шарнирно соединено с шатунами двух противоположно расположенных цилиндров, при этом шарнирные соединения имеют ограничители углового движения, например упругий стержень, жестко установленный перпендикулярно оси одного из элементов соединения, например колеса, и с возможностью изгиба в пределах упругой деформации, в отверстии другого элемента соединения (головке шатуна), которое на участке сопряжения со стержнем выполнено с односторонним уклоном образующей с вершиной угла на периферии, достаточным для упругого изгиба стержня в отверстии, того соединения, которое находится в фазе смены прямого направления движения поршня на обратное с максимальным преломлением оси шатун - колесо и отклонением для бесконтактного перемещения свободной от зацепления зубчатой боковой поверхности колеса относительно шестерни, при этом стержень другого соединения, находящегося в период однонаправленного движения и в фазе смены обратного направления движения поршней на прямое восстанавливает свою прямолинейность в отверстии и стабилизирует положение оси колесо - шатун.