ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2002 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, электрогенераторов и других рабочих машин и механизмов.

Известны автомобильные двигатели внутреннего сгорания: поршневые, многоцилиндровые, рядные и V-образные, карбюраторные или дизельные, двухтактные или четырехтактные, состоящие из блока цилиндров с камерами для сжигания топлива и механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала, состоящего из поршней, размещенных в цилиндрах, связанных кинематически с валом двигателя через шатун и колесо зубчатой передачи попеременного внутреннего зацепления, а также из механизма газораспределения, систем питания, смазки и охлаждения (см. заявку ФРГ 3230508, кл. F 01 B 9/06. Реферативный информационный сборник "Изобретения в СССР и за рубежом", 1984г. , а также патент РФ 2109152, кл. F 02 В 75/32).

Недостаток известных по аналогу двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что рабочий ресурс цилиндропоршневой группы и механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала мал, так как наличие шатуна увеличивает радиальную составляющую сил в цилиндропоршневой группе, что ведет к повышенному ее износу.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков и технической сущности предлагаемого изобретения является двигатель внутреннего сгорания многоцилиндровый, рядный, состоящий из блока цилиндров с поршнями, шатунами и зубчатой передачей попеременного внутреннего зацепления для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коренного (приводного) вала двигателя. Причем колесо зубчатой передачи расположено в нижней головке шатуна и выполнено в виде овала, боковые зубчатые поверхности которого попеременно взаимодействуют с шестерней, при этом одна зубчатая боковая поверхность овала соответствует прямому ходу поршня, другая - его обратному ходу, а верхняя и нижняя поверхности - гладкие и в рабочем цикле соответствуют фазам смены направления движения поршня. Шестерня расположена внутри овального колеса и установлена на прямом валу, установленном в подшипниках качения, размещенных в опорах блока цилиндров. На участке зубчатой передачи имеется кулачок, установленный вращающимся на валу и выполненный в виде полушестерни, попеременно взаимодействующей с соответствующими упорами, установленными параллельно зубчатым поверхностям колеса. Также имеется механизм газораспределения, системы питания, смазки и охлаждения (см. патент РФ 2131528, кл. F 02 B 75/32, от 1997г. ).

Недостатком указанного двигателя является наличие шатуна в кинематической связи поршень-приводной вал двигателя, что увеличивает радиальную составляющую сил в цилиндропоршневой группе при работе двигателя и тем самым ведет к повышенному износу юбки поршня, иногда к сколам юбки и эллипсному износу цилиндра. Все это уменьшает надежность и долговечность двигателя, а также уменьшает его механический КПД.

Целью настоящего изобретения является увеличение КПД, повышение надежности и долговечности работы двигателя за счет уменьшения радиальной составляющей сил в цилиндропоршневой группе при работе двигателя.

Для достижения обеспечиваемого заявленным изобретением технического результата в известном двигателе внутреннего сгорания, содержащем 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, зубчатые поверхности которого, соответствующие большой оси овала, выполнены с меньшей кривизной, могут быть прямолинейными, попеременно взаимодействующими с шестерней, одна зубчатая поверхность овала соответствует прямому ходу поршня, другая - его обратному ходу, а поверхности овала, соответствующие малым осям овала, выполнены гладкими и большей кривизны, но не более кривизны зубьев шестерни, и в рабочем цикле соответствуют фазе смены направления движения поршней, совместно с шестерней на валу, на подшипнике, установлен кулачок, выполненный 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, кулачок выполнен попеременно взаимодействующим во время рабочего цикла с упорами, рабочие поверхности которых выполнены зубчатыми с исходным контуром, одинаковым с полушестерней, установлены упоры параллельно зубчатым поверхностям овального колеса, а поршни двух противоположно расположенных цилиндров жестко соединены между собой, например, стяжками, причем каждый поршень со стороны юбки имеет дополнительную опору, например, в виде опорного кольца, взаимодействующего с рабочей поверхностью цилиндра, при этом со стороны юбки поршень имеет неподвижный шток, консольная часть которого заканчивается, например, фланцем с направляющей рамкой в центре для подвижного соединения штока с колесом зубчатой передачи, и неподвижное соединение, например, резьбовое стяжками, с консольной частью штока противоположного поршня, в направляющей рамке установлен упругоподвижный ползун с перпендикулярно установленной осью, концевые участки которой находятся в проушинах колеса зубчатой передачи, при этом ползун установлен с возможностью перемещения в фазе смены направления движения поршней в сторону отклонения зубчатой поверхности колеса минимум на высоту зуба и с возможностью оптимально устанавливаться в период однонаправленного движения поршней. При этом цилиндры могут быть установлены так, что оси их смещены относительно оси вала на величину, определяемую оптимальным приложением сил при амплитуде колебания колеса зубчатой передачи. Кроме того, взаимодействующая с цилиндром наружная поверхность опорного кольца на юбке поршня может быть выполнена прерывистой. Все это обеспечивает достижение поставленной цели изобретения.

Благодаря тому, что поршни противоположно расположенных цилиндров соединены между собой жестко, а соединение каждого поршня с колесом зубчатой передачи вынесено с рабочей зоны поршней на консольную часть штока, заканчивающегося фланцем для жесткого соединения с фланцем противоположного поршня и одновременно с рамкой для размещения упругоподвижного соединения штока поршня с колесом зубчатой передачи, обеспечивается уменьшение радиальных сил в поршневой системе, а наличие опорного кольца на поршне позволяет центрировать осевое движение поршней относительно внутренней поверхности цилиндров, что значительно уменьшает износ цилиндропоршневой группы. При этом противоположное расположение спаренных цилиндров, соединение штоков поршней с колесом зубчатой передачи с двух сторон позволяет уменьшить количество зубчатых передач попеременного внутреннего зацепления вдвое, что повышает механический КПД двигателя.

А возможная установка цилиндров со смещением их осей относительно оси вала обеспечивает оптимальное приложение сил, что также уменьшает радиальную составляющую сил в поршневой группе.

Выполнение рабочей поверхности опорного кольца прерывистой позволяет перемещать при движении поршней абразивные микрочастицы, образовавшиеся в масляной пленке, по свободной поверхности цилиндра, предотвращая микрозадиры, что также уменьшает износ цилиндропоршневой группы.

Все это позволяет повысить надежность и долговечность двигателя, а также и его КПД.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично изображен поперечный разрез заявляемого двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 2 - горизонтальный разрез указанного двигателя; на фиг. 3 представлено сечение по А-А узла соединения штока поршня с колесом зубчатой передачи; на фиг. 4 изображено сечение по Б-Б указанного соединения в перпендикулярной плоскости.

Заявляемый двигатель внутреннего сгорания содержит блок цилиндров 1 со спаренными противоположно расположенными цилиндрами, между которыми размещен механизм преобразования движения, состоящий из поршней 2 со штоками 3 и фланцами 4, которые соединены между собой стяжками 5, и зубчатой передачи попеременного внутреннего зацепления с колесом 6 зубчатой передачи, шестерней 7, закрепленной на общем приводном валу 8, и кулачком 9, вращающимся на валу 8. Колесо 6 зубчатой передачи расположено между стяжками 5 и соединено с обеих сторон через фланцы 4 со штоками 3 поршней 2, осями 10, концевые участки которых находятся, например, в проушинах колеса 6 зубчатой передачи, а средняя часть - в подвижном ползуне 11, имеющем с одной или двух сторон упругий элемент 12, например пружину. Ползун 11 установлен с возможностью перемещения в опорах фланца 4 в направлении и на величину амплитуды колебания колеса 6 зубчатой передачи. Поршень 2 имеет опорное кольцо 13, рабочая поверхность которого может быть выполнена прерывистой. Кроме того, двигатель имеет головку 14 блока цилиндров 1, механизм газораспределения с распределительным валом 15, клапанами впускными 16 и выпускными 17, а также системы питания, смазки, охлаждения и зажигания (на чертеже не показаны).

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 Р, совершая такт "рабочий ход". Совместно с поршнем 2 первого цилиндра перемещается соединенный с ним стяжками 5 поршень 2 противоположно расположенного другого цилиндра, совершая при открытых выпускных клапанах 17 этого цилиндра такт "выпуск", перемещая при этом соединенное с поршнями 2 колесо 6 зубчатой передачи, которое одной из зубчатых поверхностей вращает шестерню 7 и вал 8, с шестерней 7 другой передачи третьего и четвертого цилиндров, а эта шестерня 7 перемещает колесо 6 зубчатой передачи и соединенные с ним поршни 2 третьего и четвертого цилиндров, например, в противоположном направлении поршням 2 первого и второго цилиндров, (в зависимости от сборки зубчатой передачи), совершая при этом такт "сжатие" в третьем цилиндре и такт "выпуск" при открытых впускных клапанах 16 в четвертом цилиндре. Продолжая вращение, вал 8 шестерней 7 и кулачком 9 произведет в конце однонаправленного хода смену зацепления шестерни 7 с одной из зубчатых поверхностей колеса 6 зубчатой передачи на противоположную. При этом ползун 11 с осью 10 переместятся в направлении отклонения колеса 6 зубчатой передачи на величину, достаточную для бесконтактного перемещения свободной от зацепления зубчатой поверхности колеса 6, не увеличивая при этом радиальные усилия в цилиндропоршневой группе. Таким образом непрерывная смена тактов в порядке "рабочий ход" - "выпуск" - "впуск" и "сжатие" образуют рабочий цикл цилиндра. Повторение и чередование рабочих циклов в порядке работы цилиндров 1-3-4-2 образуют непрерывный рабочий цикл всего двигателя. Наличие маховика, на чертеже не указанного, сглаживает незначительные перепады величин крутящих моментов цилиндров двигателя.

Согласно предварительным расчетам и эскизной проработке предлагаемое конструктивное решение заявляемого двигателя внутреннего сгорания, по сравнению с прототипом, позволит увеличить долговечность двигателя в 2-3 раза, а также повысить механический КПД на 7-8%.

Двигатель предназначен для использования в качестве многоцилиндровой силовой установки на транспорте и в энергомашиностроении. В двигателе механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала выполнен в виде зубчатой передачи попеременного внутреннего зацепления, состоящей из шестерни и колеса, имеющего форму овала, поверхности которого, соответствующие большой оси, выполнены зубчатыми с меньшей кривизной, попеременно взаимодействующими с шестерней, а поверхности, соответствующие малым осям, выполнены гладкими и с большей кривизной, но не более кривизны зубьев шестерни, и в рабочем цикле соответствуют фазе смены направления движения поршней. Параллельно шестерне установлен кулачок, попеременно взаимодействующий с упорами; поршни спаренных противоположно расположенных цилиндров жестко соединены стяжками, а соединение поршня с колесом зубчатой передачи вынесено из рабочей зоны на консоль штока с фланцем для крепления стяжек и направляющей рамкой упругоподвижного ползуна. Изобретение обеспечивает увеличение КПД, повышение надежности и долговечности работы. 2 з. п. ф-лы, 4 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, 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, зубчатые поверхности которого, соответствующие большой оси овала, выполнены с меньшей кривизной, могут быть прямолинейными, попеременно взаимодействующими с шестерней, одна зубчатая поверхность овала соответствует прямому ходу поршня, другая - его обратному ходу, а поверхности овала, соответствующие малым осям овала, выполнены гладкими и большей кривизны, но не более кривизны зубьев шестерни, и в рабочем цикле соответствуют фазе смены направления движения поршней совместно с шестерней на валу, на подшипнике установлен кулачок, выполненный 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, кулачок выполнен попеременно взаимодействующим во время рабочего цикла с упорами, рабочие поверхности которых выполнены зубчатыми с исходным контуром, одинаковым с полушестерней, установлены упоры параллельно зубчатым поверхностям овального колеса, отличающийся тем, что поршни двух противоположно расположенных цилиндров жестко соединены между собой, например, стяжками, причем каждый поршень со стороны юбки имеет дополнительную опору, например, в виде спорного кольца, взаимодействующего с рабочей поверхностью цилиндра, при этом со стороны юбки поршень имеет шток, консольная часть которого заканчивается, например, фланцем с направляющей рамкой в центре для подвижного соединения штока с колесом зубчатой передачи, и неподвижное соединение, например, резьбовое стяжками, с консольной частью штока противоположного поршня, в направляющей рамке установлен упруго-подвижный ползун с перпендикулярно установленной осью, концевые участки которой находятся в проушинах колеса зубчатой передачи, при этом ползун установлен с возможностью перемещения в фазе смены направления движения поршней в сторону отклонения зубчатой поверхности колеса минимум на высоту зуба и с возможностью оптимально устанавливаться в период однонаправленного движения поршней. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что цилиндры установлены так, что оси их смещены относительно оси вала на величину, определяемую оптимальным приложением сил при амплитуде колебания колеса зубчатой передачи. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что взаимодействующая с цилиндром наружная поверхность опорного кольца на юбке поршня выполнена прерывистой.