БЕСШАТУННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ВО ВРАЩАТЕЛЬНОЕ И НАОБОРОТ Российский патент 2013 года по МПК F02B75/26 F02B75/32 F02B67/04 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к конструкции многоцилиндровых бесшатунных двигателей внутреннего сгорания.

Известны бесшатунные двигатели внутреннего сгорания, содержащие по меньшей мере одну пару оппозитно расположенных рабочих цилиндров, по меньшей мере одну пару оппозитно расположенных в рабочих цилиндрах поршней, кулачковую шайбу газораспределительного механизма и устройство преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот, включающее в себя вал с маховиком, две замкнутые синусоидальные направляющие поверхности, по меньшей мере один шток с опорным роликом (парой опорных роликов), соединяющий пару оппозитно расположенных поршней, причем продольная ось штока параллельна продольной оси вала и маховика, опорные ролики штока закреплены на осях перпендикулярно штоку, а кулачковая шайба газораспределительного механизма жестко закреплена на валу (патенты РФ №2296871, №2341667).

Известным двигателям присущ ряд недостатков.

В обоих двигателях для компенсации вращающего момента и боковых нагрузок на стенки цилиндров применены узлы скольжения (качения), в которых происходит непроизводительная потеря мощности на трение (в патенте №2296871 - пара «паз в направляющей планке» (поз.9, фиг.1) - «ролик-опора в картере (поз.22, фиг.1, в патенте №2341667 - пара «ползун» поз.12. фиг.1, 2) - «направляющая опора» (поз.11, фиг.1, 2).

Кроме того, многоцилиндровому бесшатунному оппозитному четырехтактному двигателю внутреннего сгорания, известному из патента РФ №2296871, при наличии ряда достоинств, присущи следующие недостатки.

В двигателе присутствуют высоконагруженные узлы трения в виде пар «синусоидальная профильная канавка - ролик-кулачок» и «паз в направляющей планке - ролик-опора в направляющей планке». Изображенные на фиг.5б описания патента РФ №2296871 подшипники качения внутри всех роликов не обеспечивают качения, т.к. при наличии контакта сразу с двумя поверхностями синусоидальной профильной канавки (как и других канавок) качение одновременно по двум поверхностям во встречных направлениях невозможно принципиально, а при контакте в каждый момент только с одной поверхностью (т.е. при наличии зазора) ролик в момент изменения направления движения штока будет стучать, выбирая зазор, по противоположной поверхности, что приведет к быстрому разрушению ролика или его оси.

В двигателе по патенту РФ №2296871 сложно обеспечить точное сопряжения пары скольжения «синусоидальная профильная канавка - ролик-кулачок», т.е. проблематично создать узел трения с «нулевым зазором», что может привести к возможности появления разрушающего люфта.

В известном техническом решении возникает неопределенность с сечением «синусоидальной профильной канавки»: если ее края соответствуют функциям «y=sin х» и «y=sin х+k», то поперечное сечение канавки переменно (т.к. k - это размер по вертикали, а сечение, перпендикулярное оси канавки, в каждом месте свое), следовательно, «ролик-кулачок» в ней то скользит, то «болтается» (что хорошо видно на фиг.4 описания изобретения в данном патенте). Если поперечное сечение канавки постоянно, то только центральная линия канавки описывается выражением «y=sin х», а края представляют собой более сложные кривые. При этом «ролик-кулачок» испытывает попеременно встречные вращательные нагрузки относительно собственной оси за счет разностей пути точек трения с канавкой в различные фазы цикла. Если это компенсировать наличием подшипника качения внутри ролика (как на фиг.5б), то при таких геометрических соотношениях и ударных нагрузках он будет быстро разрушаться.

Двигателю в патенте РФ №2296871 присуще наличие неравномерности нагрузки трением в разных участках ролика-кулачка вследствие разности линейных скоростей (чем дальше от оси вала, тем линейная скорость выше при одинаковой угловой скорости); как следствие, неравномерный износ и возможность появления разрушающего люфта.

Кроме того, в известном двигателе сложно разместить свечи зажигания в традиционном месте (центре камеры сгорания), в случае реализации варианта с принудительным воспламенением топливно-воздушной смеси, из-за расположения газораспределительных шайб, что приведет к ухудшению условий воспламенения топливно-воздушной смеси.

Двигателю внутреннего сгорания с центральным роторным валом согласно патенту №2341667 (прототип) кроме вышеназванного общего недостатка присущи и собственные.

Во-первых, из описания двигателя и приведенных в описании чертежей не следует, что «ползуны» (поз.12, фиг.1, 2) выполнены разъемными из двух половин. При их цельной конструкции отсутствует возможность регулировки зазора между «роликами» (поз.14, фиг.1) и «монорельсом» (поз.15, фиг.1), что при минимальном износе контактных поверхностей «роликов» и «монорельса» приведет к наличию зазора и разрушающему люфту.

Во-вторых, из описания двигателя и приведенных в описании чертежей не следует, что «ролики» не могут смещаться вдоль собственной оси, в то время как такое смещение приводит, с одной стороны, к неравенству угловых скоростей качения для разных точек касания ролика с синусоидальной поверхностью, что приводит к проскальзыванию и неравномерному изнашиванию названных поверхностей, с другой - к наличию зазора и разрушающему люфту.

В-третьих, из описания двигателя и приведенных в описании чертежей не следует, что угол между образующими конических «роликов» и соответствующий ему угол наклона поверхности «монорельса» выполнены таким образом, чтобы обеспечивалась равная угловая скорость качения для всех точек касания ролика, что обеспечивает отсутствие проскальзывания и равномерность изнашивания названных поверхностей.

В-четвертых, ось «масляного насоса» (поз.18, фиг.2) расположена перпендикулярно оси ротора и приводится в движение через пару конических шестерен, что нарушает симметрию, а следовательно, и балансировку двигателя.

В-пятых, «насосы-форсунки» (поз.5, фиг.1) имеют механический привод, не предполагающий регулировку соотношения «воздух-топливо» в топливно-воздушной смеси, что снижает функциональные возможности двигателя, например, при работе в обедненной кислородом атмосфере горной местности.

Задачей настоящего изобретения является создание двигателя, лишенного вышеназванных недостатков.

Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении ресурса работы двигателя путем оптимизации сопряжения опорных роликов с замкнутыми синусоидальными направляющими поверхностями, а также путем исключения ряда кинематических передач за счет использования в качестве приводов масляного насоса и компрессора единой штокопоршневой группы, а также за счет возможности использования компрессора для регулировки соотношения «воздух-топливо» в топливно-воздушной смеси, например, с применением известных устройств пневмоавтоматики.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в бесшатунном двигателе внутреннего сгорания, содержащем по меньшей мере одну пару оппозитно расположенных рабочих цилиндров, по меньшей мере одну пару оппозитно расположенных в рабочих цилиндрах поршней, масляный насос, компрессор, кулачковую шайбу газораспределительного механизма и устройство преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот, включающее в себя вал с маховиком, две замкнутые синусоидальные направляющие поверхности и по меньшей мере один шток с опорными роликами, соединяющий пару оппозитно расположенных поршней, причем продольная ось штока параллельна продольной оси вала и маховика, а опорные ролики штока закреплены на осях перпендикулярно штоку, две замкнутые синусоидальные направляющие поверхности выполнены на выступе маховика, каждый из опорных роликов выполнен с возможностью передачи усилия на маховик за счет качения по сопряженной с ним синусоидальной направляющей поверхности при рабочем ходе ближайшего к нему поршня, а кулачковая шайба газораспределительного механизма жестко соединена с валом, масляный насос и компрессор выполнены поршневыми и имеют поршневые штоки, в которых закреплены через подшипники качения оси опорных роликов, взаимодействующих с замкнутыми синусоидальными направляющими поверхностями, а кулачковая шайба газораспределительного механизма размещена в центральной выемке блока цилиндров.

В одном варианте исполнения изобретения опорные ролики имеют коническую форму, причем угол между образующими конических роликов и соответствующий ему угол наклона синусоидальной направляющей поверхности выполнены таким образом, чтобы обеспечивалась равная угловая скорость качения для всех точек касания ролика.

Конические опорные ролики имеют скругленную фаску по обоим основаниям, а края синусоидальной направляющей поверхности выполнены со скругленными бортиками таким образом, чтобы исключить смещение роликов вдоль собственной оси.

Еще в одном варианте исполнения изобретения штокопоршневая группа выполнена разъемной из двух частей, соединяемых винтовым креплением, а зазор между опорными роликами регулируется жесткими калиброванными прокладками.

Еще в одном варианте исполнения изобретения двигатель может быть выполнен с четным количеством пар цилиндров и штоков.

Еще в одном варианте исполнения изобретения рабочие цилиндры, расположенные по одну сторону от поперечного сечения маховика через 180 дуговых градусов по его окружности, могут срабатывать синхронно, а замкнутые синусоидальные направляющие поверхности могут иметь четное число периодов.

Еще в одном варианте исполнения изобретения двигатель может быть выполнен восьмицилиндровым четырехтактным, с двумя оппозитно расположенными блоками цилиндров [по схеме «четыре против четырех с синусоидальным приводом» или по-английски - Four Versus Four - Sinusoidal (FVF-S)], опирающимися на картер, а замкнутые синусоидальные направляющие поверхности могут иметь два периода.

Для достижения поставленного технического результата в бесшатунном двигателе внутреннего сгорания с поршневыми масляным насосом и компрессором предлагается использовать устройство преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот, содержащее вал с маховиком, по меньшей мере, один шток с двумя опорными роликами, две замкнутые синусоидальные направляющие поверхности, причем продольная ось штока параллельна продольной оси вала и маховика, опорные ролики штока закреплены на оси перпендикулярно штоку, две замкнутые синусоидальные направляющие поверхности выполнены на выступе маховика, каждый из опорных роликов передает усилие на маховик путем качения по сопряженной с ним синусоидальной направляющей поверхности при давлении штока на его ось в направлении контакта с этой поверхностью, а оси опорных роликов установлены в штоках на подшипниках, а масляный насос и компрессор имеют поршневые штоки в форме единой штокопоршневой группы со штоком рабочего поршня двигателя.

На фиг.1 изображен разрез двигателя по осям цилиндров и вала с маховиком.

На фиг.2 изображена схема положения поршней двигателя в развертке на

плоскость.

На фиг.3 изображена диаграмма положения днища поршней двигателя в зависимости от угла поворота вала, стрелками обозначены моменты начала рабочего хода.

На фиг.4 изображен разрез устройство преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот.

На фиг.5 изображена объемная модель устройства преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот.

На фиг.6 изображен разрез фиг.5

На фиг.7 изображена схема расположения рабочих цилиндров и цилиндров масляных насосов и компрессоров в блоке цилиндров со стороны торца вала.

Двигатель внутреннего сгорания (см. фиг.1) содержит два оппозитно расположенных блока 1 цилиндров, между которыми расположен картер 2. В картере 2 расположен маховик 3, который жестко соединен с валом 4. В каждом блоке цилиндров расположен, по меньшей мере, один рабочий цилиндр 5. В рабочих цилиндрах 5 расположены поршни 6, жестко соединенные между собой штоком 7. Блоки цилиндров 1 закрыты крышками 8 цилиндров, образующими совместно с рабочими цилиндрами 5 камеры сгорания 9. В крышках 8 цилиндров установлены свечи 10 зажигания. Газообмен в рабочих цилиндрах 5 осуществляется с помощью клапанов 11, которые приводятся от газораспределительных кулачковых шайб 12, жестко связанных с валом 4 и расположенных в центральной выемке блока 1 цилиндров. В блоке 1 цилиндров кроме рабочих цилиндров 5 могут быть расположены цилиндры 13 поршневых масляных насосов и цилиндры 14 поршневых компрессоров, как показано на фиг.7.

Устройство преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот (см. фиг.1, фиг.4, фиг.5 и фиг.6) для двигателя внутреннего сгорания (которое также может быть использовано в компрессорах, насосах и иных механизмах), содержащее вал 4 с маховиком 3, две замкнутые синусоидальные направляющие поверхности 15 и 16 (см. фиг.4 и фиг 5) и, по меньшей мере, один шток 7, соединяющий пару оппозитно расположенных поршней 6. Продольная ось штока 7 параллельна продольной оси вала 4 и маховика 3. Шток 7 снабжен опорными роликами 17 и 18, закрепленными на осях 19 перпендикулярно штоку 7. Две замкнутые синусоидальные направляющие поверхности 15 и 16 выполнены на выступе 20 маховика 3. Опорный ролик 17 выполнен с возможностью взаимодействия с первой замкнутой синусоидальной направляющей поверхностью 15, опорный ролик 18 выполнен с возможностью взаимодействия со второй замкнутой синусоидальной направляющей поверхностью 16. Оси 19 опорных роликов 17 и 18 установлены в штоках 7 на подшипниках 21.

Опорные ролики 17 и 18 предпочтительно имеют коническую форму.

Шток 7 предпочтительно выполнен из двух частей, соединяемых винтовым креплением (не показан), а зазор между опорными роликами 17 и 18 регулируется жесткими калиброванными прокладками 22 (см. фиг.4).

Работа двигателя может быть рассмотрена на примере восьмицилиндрового двигателя в составе транспортного средства (например, автомобиля). Восьмицилиндровый двигатель содержит восемь рабочих цилиндров 5₁, 5₂, 5₃, 5₄, 5₅, 5₆, 5₇ и 5₈ (подстрочный индекс обозначат порядок расположения рабочих цилиндров по часовой стрелке, как показано на фиг.2 и фиг.7). Рабочие цилиндры, расположенные по одну сторону от поперечного сечения маховика через 180 дуговых градусов по его окружности, срабатывают синхронно - 5₁ и 5₅, 5₂ и 5₆, 5₄ и 5₈, 5₃ и 5₇. 3амкнутые синусоидальные направляющие поверхности 15 и 16 имеют два периода.

Восьмицилиндровый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с принудительным воспламенением топливно-воздушной смеси работает следующим образом.

При запуске двигателя от аккумулятора запитывается постоянным током стартовый электродвигатель, прокручивающий вал 4 с маховиком 3. В рабочие цилиндры 5 поочередно подается и сжимается топливно-воздушная смесь.

Первый рабочий ход осуществляется следующим образом. Системой зажигания подается электрический разряд на свечу 10 зажигания рабочих цилиндров 5₁ и 5₅. При этом топливно-воздушная смесь (попавшая в цилиндры 5₁ и 5₅ в результате прокручивания вала 4 и маховика 3 стартовым электродвигателем и сжатая им же) воспламеняется, и продукты сгорания расширяются, осуществляя рабочий ход, опорные ролики 17 штоков 7 поршней 6 цилиндров 5₁ и 5₅ воздействуют на замкнутую синусоидальную направляющую поверхность 15 выступа 20 маховика 3 и проворачивают маховик 3 и вал 4 на девяносто градусов. В цилиндрах 5₃ и 5₇ происходит выхлоп, в цилиндрах 5₂ и 5₆ происходит сжатие топливно-воздушной смеси (попавшей в цилиндры 5₂ и 5₆ в результате прокручивания маховика 3 и вала 4 стартовым электродвигателем), а в цилиндрах 5₄ и 5₈ происходит разрежение и всасывание топливно-воздушной смеси.

Второй рабочий ход осуществляется следующим образом. Системой зажигания подается электрический разряд на свечу 10 зажигания цилиндров 5₂ и 5₆. При этом топливно-воздушная смесь воспламеняется и продукты сгорания расширяются (второй рабочий ход), опорные ролики 18 штоков 7 поршней 6 цилиндров 5₂ и 5₆ воздействуют на замкнутую синусоидальную направляющую поверхность 16 выступа 20 маховика 3 и проворачивают маховик 3 и вал 4 на следующие девяносто градусов. В цилиндрах 5₁ и 5₅ происходит выхлоп, в цилиндрах 5₄ и 5₈ происходит сжатие топливно-воздушной смеси, а в цилиндрах 5₃ и 5₇ происходит разрежение и всасывание топливно-воздушной смеси.

Третий рабочий ход осуществляется следующим образом. Системой зажигания подается электрический разряд на свечу 10 зажигания цилиндров 5₄ и 5₈. При этом топливно-воздушная смесь воспламеняется и продукты сгорания расширяются (третий рабочий ход), опорные ролики 18 штоков 7 поршней 6 цилиндров 5₄ и 5₈ воздействуют на замкнутую синусоидальную направляющую поверхность 16 выступа 20 маховика 3 и проворачивают маховик 3 и вал 4 на следующие девяносто градусов. В цилиндрах 5₂ и 5₆ происходит выхлоп, в цилиндрах 5₃ и 5₇ происходит сжатие топливно-воздушной смеси, а в цилиндрах 5₁ и 5₅ происходит разрежение и всасывание топливно-воздушной смеси.

Четвертый рабочий ход осуществляется следующим образом. Системой зажигания подается электрический разряд на свечу 10 зажигания цилиндров 5₃ и 5₇. При этом топливно-воздушная смесь воспламеняется и продукты сгорания расширяются (третий рабочий ход), опорные ролики 17 штоков 7 поршней 6 цилиндров 5₃ и 5₇ воздействуют на замкнутую синусоидальную направляющую поверхность 15 выступа 20 маховика 3 и проворачивают маховик 3 и вал 4 на следующие девяносто градусов. В цилиндрах 5₄ и 5₈ происходит выхлоп, в цилиндрах 5₁ и 5₅ происходит сжатие топливно-воздушной смеси, а в цилиндрах 5₂ и 5₆ происходит разрежение и всасывание топливно-воздушной смеси.

Далее рабочие циклы повторяются. При этом, регулируя количество и состав подаваемой топливно-воздушной смеси, добиваются необходимой частоты их повторения. После выхода двигателя на заданный режим подключают нагрузку (например, через фрикционную муфту и коробку передач передают вращающий момент на колеса).

Поршни масляных насосов, совершая рабочие ходы, обеспечивают циркуляцию масла (откачку из картера, фильтрацию, впрыск на движущиеся детали в картере), а поршни компрессоров, совершая рабочие ходы, обеспечивают сжатым воздухом систему впрыска топлива, пневмотормоза автомобиля, пневмоподвеску и т.п.

Заявленное устройство осуществляет не только преобразование возвратно-поступательного движения поршней 6 при рабочем ходе во вращательное движение вала 4 и маховика 3, но и, наоборот, преобразовывает вращательное движение вала 4 и маховика 3 в возвратно-поступательное движение штоков и поршней многоцилиндрового двигателя вне рабочего хода, а также поршней масляных насосов и компрессоров.

Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает достижение заявленного технического результата - повышение ресурса работы двигателя путем оптимизации сопряжения опорных роликов с замкнутыми синусоидальными направляющими поверхностями, а также путем исключения ряда кинематических передач за счет использования в качестве приводов масляного насоса и компрессора единой штокопоршневой группы, а также за счет возможности использования компрессора для регулировки соотношения «воздух-топливо» в топливно-воздушной смеси, например, с применением известных устройств пневмоавтоматики.

Изобретение может быть использовано в многоцилиндровых бесшатунных двигателях внутреннего сгорания. Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания содержит по меньшей мере одну пару оппозитно расположенных рабочих цилиндров (5), по меньшей мере одну пару оппозитно расположенных в рабочих цилиндрах (5) поршней (6), масляный насос, компрессор, кулачковую шайбу (12) газораспределительного механизма и устройство преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот. Устройство преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот включает в себя вал (4) с маховиком (3), две замкнутые синусоидальные направляющие поверхности и по меньшей мере один шток (7) с опорными роликами (17) и (18), соединяющий пару оппозитно расположенных поршней (6). Продольная ось штока (7) параллельна продольной оси вала (4) и маховика 3). Опорные ролики (17) и (18) штока (7) закреплены на осях перпендикулярно штоку (7). Две замкнутые синусоидальные направляющие поверхности выполнены на выступе (20) маховика (3). Каждый из опорных роликов (17) и (18) выполнен с возможностью передачи усилия на маховик (3) за счет качения по сопряженной с ним синусоидальной направляющей поверхности при рабочем ходе ближайшего к нему поршня (6). Кулачковая шайба (12) газораспределительного механизма жестко соединена с валом (4). Масляный насос и компрессор выполнены поршневыми и имеют поршневые штоки, в которых закреплены через подшипники качения оси опорных роликов (17) и (18), взаимодействующих с замкнутыми синусоидальными направляющими поверхностями. Кулачковая шайба (12) газораспределительного механизма размещена в центральной выемке блока (1) цилиндров. Раскрыто устройство преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот. Технический результат заключается в исключении ряда кинематических передач за счет использования в качестве приводов масляного насоса и компрессора единой штокопоршневой группы. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере одну пару оппозитно расположенных рабочих цилиндров, по меньшей мере одну пару оппозитно расположенных в рабочих цилиндрах поршней, масляный насос, компрессор, кулачковую шайбу газораспределительного механизма и устройство преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот, включающее в себя вал с маховиком, две замкнутые синусоидальные направляющие поверхности и по меньшей мере один шток с опорными роликами, соединяющий пару оппозитно расположенных поршней, причем продольная ось штока параллельна продольной оси вала и маховика, а опорные ролики штока закреплены на осях перпендикулярно штоку, две замкнутые синусоидальные направляющие поверхности выполнены на выступе маховика, каждый из опорных роликов выполнен с возможностью передачи усилия на маховик за счет качения по сопряженной с ним синусоидальной направляющей поверхности при рабочем ходе ближайшего к нему поршня, а кулачковая шайба газораспределительного механизма жестко соединена с валом, отличающийся тем, что масляный насос и компрессор выполнены поршневыми, и имеют поршневые штоки, в которых закреплены через подшипники качения оси опорных роликов, взаимодействующих с замкнутыми синусоидальными направляющими поверхностями, а кулачковая шайба газораспределительного механизма размещена в центральной выемке блока цилиндров.

2. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что опорные ролики имеют коническую форму.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что шток выполнен из двух частей, соединяемых винтовым креплением, а зазор между опорными роликами регулируется жесткими калиброванными прокладками.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с четным количеством пар цилиндров и штоков.

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочие цилиндры, расположенные по одну сторону от поперечного сечения маховика через 180 дуговых градусов по его окружности, срабатывают синхронно, а замкнутые синусоидальные направляющие поверхности имеют четное число периодов.

6. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что он выполнен восьмицилиндровым четырехтактным, с двумя оппозитно расположенными блоками цилиндров, опирающимися на картер, а замкнутые синусоидальные направляющие поверхности имеют два периода.

7. Устройство преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот для двигателя внутреннего сгорания с поршневыми масляным насосом и компрессором, содержащее вал с маховиком, по меньшей мере, один шток с двумя опорными роликами, две замкнутые синусоидальные направляющие поверхности, выполненные на выступе маховика, причем продольная ось штока параллельна продольной оси вала и маховика, а опорные ролики штока закреплены на оси перпендикулярно штоку, отличающееся тем, что масляный насос и компрессор имеют поршневые штоки в форме единой штокопоршневой группы со штоком рабочего поршня двигателя.