ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С БЕСШАТУННЫМ МЕХАНИЗМОМ Российский патент 2004 года по МПК F02B75/32 F01B9/02 F16H21/14 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала, относящихся к четырехтактным и двухтактным двигателям. Известен двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом (см. а.с. №118471, м.кл. F 01 B 9/02, бюл. №47, 1973 г.), в котором механизм содержит штоки, жестко соединенные с поршнями, коленчатый вал, концевые шейки которого могут двигаться по кругу с радиусом, равным 1/4 хода поршней, кривошипы с центральными выводными валами и соединенный вал с шестернями наружного зацепления, фиксирующими относительное положение кривошипов относительно друг друга.

Кроме того, известен двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом (см. а.с. №1036945 м.кл. F 02 B 75/32, бюл. №31. 1983 г.), содержащий поршень с цилиндром, картер, в котором размещен составной вал, выполненный из двух половин и кривошипа, соединяющего половины и закрепленного в них на подшипниках на радиусе 1/4 хода поршня от оси вала, и шток, жестко связанный с поршнем и сочлененный через подшипник с кривошипом, причем кривошипная головка штока размещена в неподвижной направляющей с возможностью скольжения по ней, направляющая выполнена в виде вставки с пазом для головки штока, а картер снабжен сквозным окном для размещения в нем вставки, а рабочие поверхности паза снабжены накладками из антифрикционного материала.

Из всей совокупности известных технических решений наиболее близким по совокупности признаков и значимости прототипом является двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом (патент Германии ДЕ №3001094, F 02 B 75/32, 1981 г.), который имеет бесшатунный механизм, состоящий из двух частей основного коленвала и вспомогательного коленвала, установленного посередине между частями основного вала со смещением на 1/4 хода поршня через подшипники, а также смещена на 1/4 хода поршня шейка вспомогательного коленвала, находящегося между двумя шестернями с диаметром 1/2 хода поршня, которые зацепляются с внутренними зубьями коронных шестерен, закрепленных в корпусе соосно оси двигателя, имеющего объединительный вал, соединяющий две части основного вала, а шейка вспомогательного вала через подшипник соединяется со штоком, проходящим через уплотнение в рабочую камеру, и образует одновременно размещенными друг против друга парой поршней, у которых четыре камеры расширения.

Недостатком прототипа является то, что рабочий коленвал состоит из двух частей и ориентируется между собой за счет объединительного вала, который является выходом, недостаточно жестко ориентирует части рабочего вала и снижает вибрацию частей вала.

Технической задачей изобретения является снижение габаритных размеров, увеличение индикаторной мощности, улучшение технических параметров механизма двигателя. Задача решается тем, что двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом содержит цилиндры с картером, в котором размещен цельный рабочий вал с двумя противолежащими отверстиями со смещением на хода поршня от центра вращения рабочего вала, в каждое отверстие через подшипники установлены коленвалы с разных сторон рабочего вала, каждый коленвал имеет одну шейку со смещением на хода поршня от оси вращения коленвала и на этой оси жестко закреплена шестерня рядом со смещенной шейкой с диаметром, равным хода поршня, которая находится в зацеплении с коронной шестерней диаметром, равным ходу поршня, неподвижно закрепленной соосно оси рабочего вала. Согласно изобретению, он имеет гидротрансформатор, зацепленный через шлицы с серединой рабочего вала и снабженный зубчатым венцом для отбора мощности, а также газораспределительный механизм, включающий ведущую звездочку, жестко закрепленную на рабочем валу, два катка-звездочки, закрепленные у противолежащих головок двигателя, и газораспределительную многорядную цепь, разделенную по ширине на участки управления клапанами с выступающими на каждом участке кулачками, причем число зубьев ведущей звездочки вдвое меньше числа звеньев газораспределительной цепи.

Противоположное расположение цилиндров - оппозитное с двумя поршнями на одном штоке исключает вращательный момент от трения скольжения подшипника штока, соединяющегося со смещенной шейкой коленвала.

Для уменьшения габаритных размеров, улучшения газораспределения всего механизма используется газораспределительный механизм, выполненный в виде многорядной цепи, которая разделена по ширине на четыре участка управления с выступающими в виде кулачков в определенных местах каждого участка для полного газораспределения двигателя. Газораспределительная цепь вращается в ту же сторону, что и рабочий вал. Газораспределительный механизм, выполненный в виде цепи, имеет ведущую двойную звездочку, которая закреплена на рабочем валу жестко. Соотношение зубьев звездочки к звеньям цепи 1:2, или звеньев в два раза больше, чем зубьев. Два катка-звездочки установлены в корпусе на подшипниках с механизмом натяжения газораспределительной цепи у противолежащих головок двигателя и имеют приводные валы для собственных нужд двигателя, например для привода масляного насоса, насоса охлаждающей жидкости, генератора. В головках двигателя имеется механизм управления клапанами с катком, находящимся над газораспределительным участком с определенным зазором. В определенный момент с помощью кулачка он как конус раздвигает механизм и открывает нужный клапан. При этом трение скольжения заменяется на трение качения, исключаются штанги толкателей и удлиняется путь движения по кулачку газораспределительной цепи с улучшением качества газораспределения. В двигателе имеется два катка-звездочки с выходными валами для привода собственных нужд двигателя с увеличением оборотов в два раза и более, это повышает производительность, значит уменьшает габаритные размеры и металлоемкость приводных механизмов и узлов. Газораспределительная цепь имеет большой зазор между газораспределительной цепью и катком, и поэтому как следствие - безударные кулачки. Между ведущей двойной звездочкой и корпусом имеется шестерня для заводки двигателя от стартера.

Между штоками рядом с газораспределительной цепью закреплен через подшипники на корпусе и имеет зацепление со шлицами коленвала гидротрансформатор, который адаптирован для этих условий и имеет шестерню наружного зацепления для отбора мощности. Гидротрансформатор отличается большим диаметром, соединяющим его через подшипники с корпусом двигателя, а шестерня гидротрансформатора соединяет непосредственно с коробкой переключения скоростей, так как средняя часть двигателя скреплена в единый корпус с коробкой переключения передач и имеет единую систему смазки, которая обеспечивает гидротрансформатор и всю систему смазкой трансмиссионным маслом, кроме двигателя. А сам двигатель имеет свою систему смазки с моторным маслом, которая обеспечивает смазкой рабочий вал, бесшатунный механизм, штоки с поршнями, цилиндрами и, где необходимо, моторное масло. Эта система разделена с помощью сальников, находящихся на рабочем валу.

Двигатель имеет два штока, четыре поршня и четыре цилиндра, между цилиндрами и штоком есть уплотненная камера, они все работают в режиме компрессора - накачивают в впускную систему воздух, как следствие - увеличивает литровую мощность двигателя. Этот процесс происходит за счет того, что два хода поршня в режиме компрессора, а только один в режиме всасывания, за счет этого осуществляется процесс наддува двигателя.

Бесшатунный механизм двигателя за счет использования 1/4 хода поршня в механизме и преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала, используется довольно большой ход поршня, что дает предпочтение к дизельному циклу работы двигателя.

Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, где на

Фиг.1. - двигатель внутреннего сгорания для наглядности в продольном разрезе с бесшатунным механизмом, с газораспределительной цепью и всасывающими каналами,

Фиг.2. - двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, разрез А-А,

Фиг.3. - двигатель внутреннего сгорания, разрез Б-Б с бесшатунным механизмом,

Фиг.4. - двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, разрез В-В на уровне газораспределительной цепи,

Фиг.5. - двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом и двухтактным газораспределением,

Фиг.6. - кинематическая схема двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, с газораспределительной цепью,

Фиг.7. - кинематическая схема двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, разрез Г-Г,

Фиг.8. - кинематическая схема двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, разрез перед гидротрансформатором Д-Д,

Фиг.9. - один цикл поэтапного движения бесшатунного механизма двигателя внутреннего сгорания,

Фиг.10. - диаграмма газораспределения двигателя внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом.

Двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, содержащим цилиндры 1, расположены напротив друг друга с разных сторон от рабочего вала 2, попарно оппозитно, закрепленные в корпусе 3 двигателя, в котором размещен рабочий вал 2 на подшипниках 4, рабочий вал 2 с отверстиями, расположенными напротив от главной оси вращения со смещением на 1/4 хода поршня. В отверстия через подшипники 5 установлены с разных сторон рабочего вала коленвалы 6 с жестко закрепленной шестерней 7 на оси вращения с диаметром, равным 1/2 хода поршня, находящихся в зацеплении с неподвижной коронной шестерней 8, с диаметром равным ходу поршня, соосно с осью вращения рабочего вала 2. У коленвала 6, установленного на подшипниках 5 в рабочий вал 2 за шестерней 7, находится смещенная на 1/4 хода поршня шейка, которая сочленена через подшипник 9 со штоком 10 посередине, которые через уплотнительные камеры-крейцкопфы 11 жестко сочленены с поршнями 12, находящимися в оппозитных цилиндрах 1.

В двигателе для отбора мощности используется середина рабочего вала 2, который в зацеплении через шлецы 13 с гидротрансформатором 14, закрепленном в корпусе через подшипники, имеющих снаружи зубчатый венец 15 наружного зацепления для отбора мощности двигателя. Гидротрансформатор 14 для этого двигателя конструктивно изменен, в корпусе двигателя установлен через подшипники и реактор 16 не используется, насос 17 через шлецы соединен с рабочим валом 2, а турбина 18 совмещена с корпусом гидротрансформатора, на котором находится зубчатый венец 15 наружного зацепления для отбора мощности.

Используется газораспределительный механизм в виде многорядной цепи или газораспределительная цепь 19, в этом случае трехрядная цепь обеспечивает по ширине цепи четыре участка управления с выступающими в виде кулачков 20 в определенных местах каждого участка для полного газораспределения двигателя, газораспределительная цепь 19 вращается в ту же сторону, что и рабочий вал 2 двигателя. Газораспределительная цепь 19 имеет ведущую двойную звездочку 21, которая закреплена на рабочем валу жестко, с соотношением зубьев звездочки к звеньям цепи один к двум, или звеньев в два раза больше чем зубьев. А также имеет два катка-звездочки 22, которые в зависимости от количества зубьев будут иметь увеличение оборотов по техническим условиям в пределах два-три раза. Катки-звездочки 22 установлены с механизмами натяжения газораспределительной цепи, закрепленными у противолежащих головок двигателя. Катки-звездочки 22 закреплены через подшипники в корпусе, у каждого катка-звездочки 22 есть выходной вал 23 для собственных нужд: масляный насос, генератор, насос охлаждающей жидкости. В головках двигателя имеется механизм управления клапанами с катком 24, находящимся над одним из газораспределительных участков с определенным зазором. В нужный момент кулачек 20 оказывается между катком клапанного механизма и катком-звездочкой и отодвигает каток 24. Такой механизм дает возможность заменить трение скольжения на трение качения, исключая штанги толкателей. В двигателе имеется два катка-звездочки 22 с выходными валами 23 для привода собственных нужд двигателя с увеличением оборотов, что повышает производительность приводных механизмов и узлов, что уменьшает габаритные размеры и металлоемкость. Между ведущей двойной звездочкой и корпусом имеется шестерня 25 для заводки двигателя от стартера.

Газораспределительная цепь с двумя катками-звездочками, находящимися у оппозитно расположенных головок двигателя между цилиндрами, повернута на определенный угол по ходу вращения двигателя от центра осей цилиндров и контактирует своим газораспределительным участком с двумя двухплечными рычагами, установленными в каждой головке двигателя. Рычаги двухплечие имеют свои катки с подшипниками, которые расположены над газораспределительным участком газораспределительной цепи. Угол поворота определяется расстоянием от центра вращения рабочего вала до двухплечих рычагов механизма газораспределения, относящихся к разным клапанам одной камеры расширения, находящихся по разные стороны от центра оси цилиндра. Угол поворота газораспределительной цепи зависит от конструкции газораспределительного механизма.

Устройство работает следующем образом: двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала с параллельно расположенными друг против друга цилиндрами, поршни которых попарно жестко связаны между собой штоком и находящихся в противолежащих цилиндрах.

С целью увеличения ресурса работы и КПД, уменьшения габаритных размеров, снижения вибрации и износа, возвратно - поступательное движение поршней 12 преобразуется во вращательное движение рабочего вала 2 путем использования рабочего вала 2 с расположенными отверстиями для кривошипа. На противоположных сторонах от центра вращения рабочего вала 2 со смещением на 1/4 хода поршня в каждое отверстие с разных сторон рабочего вала через подшипники 5 установлены коленвалы 6, каждый коленвал 6 имеет одну шейку со смещением на 1/4 хода поршня от оси вращения коленвала и на этой оси рядом со смещенной шейкой жестко закреплена шестерня 7 с диаметром 1/2 хода поршня, которая зацеплена с коронной шестерней 8 диаметром, равным ходу поршня, закрепленной неподвижно в корпусе и задающей определенные условия для осуществления бесшатунного механизма.

На фиг.3 показан двигатель в статическом состоянии. На фиг.9 показан поэтапно цикл работы двигателя за один оборот рабочего вала 2, который вращается по часовой стрелке, а коленвал 6 - против часовой стрелки за счет планетарной шестерни 7 и коронной шестерни 8.

Коленвал 6 с помощью шестерни 7 вращается как водило со смещением оси на 1/4 хода поршня.

Таким образом, за счет вращения рабочего вала 2 и коленвала 6 в разные стороны они складываются до середины хода поршня I-II.

Потом раскладываются до другого края хода поршня II-III.

И обратно складываются, прокрутившись вокруг оси отверстия рабочего вала 2 также до середины III-IV.

Потом раскладываются до другого края. Таким образом каждый шток 10 движется возвратно-поступательно, коленвал 6 и рабочий вал 2 вращаются в противоположных направлениях.

В бесшатунном двигателе обратная сторона поршней жестко связана со штоком и используется как компрессор, поэтому на фиг.1 в цилиндрах рядом со штоком имеются впускные клапана 26 для зарядки цилиндров 1 воздухом и выпускные 27 - для перекачки из цилиндров 1 в впускные каналы двигателя. Компрессоры образуют с впускными клапанами 26 и с выпускными клапанами 27 систему наддува двигателя, а его впускная система служит ресиверсом.

Для газораспределения четырехцилиндрового двигателя с противолежащими цилиндрами, показанного на фиг.6 и порядком работы поршней I; II; III; IV достаточно четырех газораспределительных участков с кулачками 20. Из-за оппозитного расположения рабочих камер в двигателе используется один газораспределительный участок с кулачком для клапанов противолежащих цилиндров.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания и поршневых машинах. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит цилиндры с картером, в котором размещен цельный рабочий вал, с двумя противолежащими отверстиями со смещением на хода поршня от центра вращения рабочего вала. В каждое отверстие установлены коленвалы с разных сторон рабочего вала. Каждый коленвал имеет одну шейку со смещением на хода поршня от оси вращения коленвала и на этой оси жестко закреплена шестерня рядом со смещенной шейкой с диаметром, равным хода поршня, которая находится в зацеплении с коронной шестерней диаметром, равным ходу поршня, неподвижно закрепленной соосно оси рабочего вала. Согласно изобретению, он имеет гидротрансформатор, зацепленный через шлицы с серединой рабочего вала и снабженный зубчатым венцом для отбора мощности, а также газораспределительный механизм, включающий ведущую звездочку, жестко закрепленную на рабочем валу, два катка-звездочки, закрепленные у противолежащих головок двигателя, и газораспределительную многорядную цепь, разделенную по ширине на участки управления клапанами с выступающими на каждом участке кулачками, причем число зубьев ведущей звездочки вдвое меньше числа звеньев газораспределительной цепи. 10 ил.

Двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, содержащий цилиндры с картером, в котором размещен цельный рабочий вал с двумя противолежащими отверстиями со смещением на хода поршня от центра вращения рабочего вала, в каждое отверстие через подшипники установлены коленвалы с разных сторон рабочего вала, каждый коленвал имеет одну шейку со смещением на хода поршня от оси вращения коленвала и на этой оси жестко закреплена шестерня рядом со смещенной шейкой с диаметром, равным хода поршня, которая находится в зацеплении с коронной шестерней диаметром, равным ходу поршня, неподвижно закрепленной соосно оси рабочего вала, отличающийся тем, что он имеет гидротрансформатор, зацепленный через шлицы с серединой рабочего вала и снабженный зубчатым венцом для отбора мощности, а также газораспределительный механизм, включающий ведущую звездочку, жестко закрепленную на рабочем валу, два катка-звездочки, закрепленные у противолежащих головок двигателя, и газораспределительную многорядную цепь, разделенную по ширине на участки управления клапанами с выступающими на каждом участке кулачками, причем число зубьев ведущей звездочки вдвое меньше числа звеньев газораспределительной цепи.