ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ИЗМЕНЯЕМОЙ СТЕПЕНЬЮ СЖАТИЯ Российский патент 2014 года по МПК F02B75/04 F02B75/32 F16F15/24 F01B9/02 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к поршневым двигателям внутреннего сгорания.

Известен поршневой двигатель внутреннего сгорания с устройством преобразования движения, включающий поршень, шток поршня с двумя зубчатыми рейками на противоположных сторонах. Ведущий и ведомые валы расположены на противоположных сторонах подвижного штока поршня и находятся в зубчатом зацеплении с ним. Линейные движения поршня преобразуются во вращательное движение вала через зубчатые рейки и шестерни на обоих валах и выжимные подшипники, предназначенные для передачи энергии движения при движении поршня вниз по направлению к коленвалу и свободного движения при движении поршня вверх по направлению от коленвала. Ведущий и ведомые валы установлены параллельно друг к другу и соединены между собой шестеренчатой передачей. Коленвал служит для распределения тактов относительно каждого цилиндра (патент США №5934243 от 10.08.1999 г.).

Изобретение обладает недостатками, а именно:

- кроме коленвала необходимо еще два дополнительных вала (ведущий и ведомый);

- отсутствует возможность регулирования степени сжатия двигателя;

- одна большая шестерня с одной точкой опоры и знакопеременными нагрузками на вал и зубья шестерни.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является двигатель внутреннего сгорания с изменяемым рабочим объемом с устройством преобразования движения, содержащий поршень с закрепленной в своей нижней части зубчатой рейкой, которая взаимодействует, с одной стороны, с направляющим устройством на опоре качения, с другой стороны, взаимодействует с зубчатой траверсой, передающей движение от шатуна поршню. Зубчатая траверса шарнирно соединена с шатуном, который шарнирно соединен с кривошипом вала двигателя. Противоположный конец зубчатой траверсы взаимодействует с зубчатой рейкой, расположенной на подвижной управляющей штанге (патент США №6601551 от 05.08.2003 г.).

В этом двигателе отсутствуют боковые усилия на поршень, но изобретение обладает недостатками, а именно:

- сложный переход от подвижного штока нижней части поршня к неподвижному корпусу двигателя в виде подвижной зубчатой опоры качения через шестерню синхронизации для восприятия бокового усилия, действующего на шток поршня;

- сложный переход от подвижной нижней части управляющей штанги к неподвижному корпусу двигателя в виде подвижного подпятника для разгрузки бокового усилия, действующего на управляющую штангу;

- несбалансированная траектория центра масс деталей движения силового механизма в двигателе создает вибрацию.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является уравновешивание переменных сил инерции и их моментов, упрощение механики двигателя.

Техническим результатом изобретения является взаимопогашение боковых усилий, воздействующих на поршень и на управляющую штангу, и повышение надежности двигателя.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия, включающем цилиндр с размещенным в нем рабочим поршнем, соединенный с поршнем шток, с одной стороны которого вдоль хода поршня расположена силовая зубчатая рейка, снабженная плоской опорной поверхностью, траверсу, на обоих концах которой расположены секторы зубчатых колес и опорные катки, диаметр которых соответствует диаметру делительной окружности секторов зубчатых колес, коленчатый вал, шатун, одна головка которого установлена на шатунной шейке коленчатого вала, а другая головка шарнирно связана с траверсой на участке между секторами зубчатых колес, механизм изменения хода поршня, выполненный в виде установленного в корпусе ползуна, снабженного зубчатой рейкой и плоской опорной поверхностью, при этом один зубчатый сектор траверсы зацеплен с силовой зубчатой рейкой штока поршня, и опорный каток указанного зубчатого сектора контактирует с опорной поверхностью штока, а другой зубчатый сектор траверсы зацеплен с зубчатой рейкой ползуна, и опорный каток указанного сектора контактирует с опорной поверхностью ползуна, согласно изобретению, шток поршня снабжен дополнительными силовой зубчатой рейкой с опорной поверхностью, траверсой, ползуном с опорной поверхностью, шатуном и коленчатым валом, расположенными симметрично первым силовой зубчатой рейке, траверсе, ползуну, шатуну и коленчатому валу относительно оси цилиндра и идентичными им, при этом коленчатые валы синхронизированы при помощи зубчатой передачи и вращаются в противоположные стороны, а ползуны механизма изменения хода поршня жестко связаны между собой при помощи, по крайней мере, одной поперечной балки.

Поставленная задача решается также тем, что суммарный зазор между опорными поверхностями и катками выполнен изменяемым.

На Фиг.1 показаны цифрами узлы и детали двигателя. На Фиг.2 показана принципиальная механическая схема. На Фиг.3 показан двигатель с верхней жесткой балкой. На Фиг.4 и 7 показаны варианты исполнения двигателя с двумя поршнями. На Фиг.5 показано расположение опорных поверхностей и опорных катков, а на Фиг.6 показан двигатель с двумя поршнями и одним ползуном.

Двигатель внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия (Фиг.1) состоит из цилиндра 1 с находящимся в нем подвижным поршнем 2, двух симметрично (зеркально) расположенных кривошипно-шатунных механизмов, правого 3 и левого 4. Правый кривошипно-шатунный механизм состоит из кривошипа 5 с шатуном 6, а левый кривошипно-шатунный механизм состоит из кривошипа 7 с шатуном 8. На шатунах 6 и 8 установлены траверсы 9 и 10, представляющие из себя двуплечие коромысла с шарнирами 11 и 12. На концах траверсы 9 имеются сектора зубчатых колес 13 и 14, а на концах траверсы 10 имеются сектора зубчатых колес 15 и 16. В нижней части поршня 2 имеется шток 17 с двухсторонней зубчатой рейкой 18, одна зубчатая нарезка 19 которой находится в зацеплении с сектором зубчатого колеса 14 траверсы 9, а вторая зубчатая нарезка 20 которой находится в зацеплении с сектором зубчатого колеса 16 траверсы 10. Зубчатая рейка 21 на ползуне 22 механизма изменения хода поршня находится в зацеплении с сектором зубчатого колеса 13 траверсы 9, а зубчатая рейка 23 на ползуне 24 механизма изменения хода поршня находится в зацеплении с сектором зубчатого колеса 15 траверсы 10. Ползуны 22 и 24 жестко соединены друг с другом посредством балки 25 для обеспечения синхронности их движения. Для обеспечения синхронности и симметричности вращений обоих коленчатых валов двигателя они вращаются в разные стороны, но с одинаковой угловой скоростью вращения, для чего на обоих валах установлены шестерни, находящиеся в зубчатом зацеплении друг с другом, с передаточным соотношением равным единице (не показано). Для придания дополнительной жесткости ползунам 22 и 24 на их других концах может устанавливаться дополнительная верхняя жесткая балка 26 (Фиг.3), а нижняя балка 25 может двигаться по направляющим 27 (Фиг.4). При двухпоршневом варианте двигателя жесткая балка 28, соединяющая штока 17 обоих поршней, также может двигаться по направляющим 27 (Фиг.7). Для разгрузки зубчатых зацеплений траверс 9 и 10 со сторонами силовой зубчатой рейки 18 и зубчатыми рейками 21 и 23 от боковых усилий, на всех вышеперечисленных зубчатых рейках имеются плоские опорные поверхности 29 и 30, совпадающие с делительной линией зубчатых реек, и качающиеся на них опорные катки 31 и 32 на концах траверс, диаметры которых соответствуют диаметрам делительных окружностей секторов зубчатых колес траверс (Фиг.5). Зубчатые рейки 21 и 23 с плоскими опорными поверхностями 30 могут быть установлены на ползунах 22 и 24 подвижно для регулирования суммарного зазора между опорными поверхностями и катками, например винтами, или установкой прокладок с расчетными толщинами (не показано). В двухпоршневом варианте двигателя может быть использован один ползун механизма изменения хода поршня с двухсторонней зубчатой рейкой, а штоки обоих поршней жестко соединены друг с другом посредством балки 33 для обеспечения синхронности их движения.

Опорные точки траверсы образуют треугольник или могут находиться на одной линии. Силы и моменты сил в любых двух зеркально расположенных точках кривошипов, траверс или шатунов, а также в любой момент времени, равны по величине, но противоположны по направлениям.

Предлагаемый двигатель с изменяемой степенью сжатия работает как любой четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с внутренним или с внешним смесеобразованием. Двигатель имеет, по крайней мере, один поршень, кинематически связанный с двумя зеркально расположенными кривошипно-шатунными механизмами. Изменение степени сжатия в двигателе осуществляется ползунами, которые жестко соединены друг с другом и действуют синхронно.

Учитывая то, что оба вала вращаются синхронно с одинаковыми угловыми скоростями и в противоположных направлениях, боковые усилия на поршень, возникающие от несовпадения траектории центра масс деталей движения силового механизма с осью вращения вала двигателя, взаимно уравновешиваются аналогичными усилиями в двух любых зеркально расположенных точках в любой момент времени, равными по величине, но противоположными по направлению. При необходимости вместо одного поршня можно установить два поршня, причем каждая траверса кинематически будет связана со своим поршнем, а штоки поршней будут жестко зафиксированы друг с другом, например, посредством балки.

Учитывая то, что один поршень работает с двумя кривошипно-шатунными механизмами, конструкцию последних можно облегчить, уменьшив их габариты и вес.

Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания может работать на различных видах топлива с вышеуказанными возможностями по его регулировке.

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Двигатель внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия содержит цилиндр (1) с поршнем (2), соединенный с поршнем (2) шток (17), с двух сторон которого вдоль хода поршня (2) расположены силовые зубчатые рейки с плоскими опорными поверхностями, два зеркально расположенных кривошипно-шатунных механизма (3) и (4) с параллельными валами, которые синхронно вращаются в противоположных направлениях с одинаковой скоростью. Оба шатуна (6) и (8) на шейках коленчатых валов шарнирно связаны своими другими концами с двумя зубчатыми траверсами (9) и (10), на обоих концах которых расположены секторы зубчатых колес (13), (14), (15), (16) и опорные катки, диаметр которых соответствует диаметру делительной окружности секторов зубчатых колес. Два сектора зубчатых траверс находятся в зацеплении с силовыми зубчатыми рейками (8) штока поршня, а опорные катки указанных секторов контактируют с опорными поверхностями силовой зубчатой рейки. Другие два зубчатых сектора траверс зацеплены с зубчатыми рейками (21) и (23) ползунов (22) и (24). Опорные катки указанных секторов контактируют с опорными поверхностями ползунов механизма изменения хода поршня. Ползуны (22) и (24) механизма изменения хода поршня жестко связаны между собой при помощи поперечной балки (25). Технический результат заключается в уравновешивании переменных сил инерции и их моментов, погашении боковых усилий, воздействующих на поршень и на ползун, и повышении надежности двигателя. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия, содержащий цилиндр с размещенным в нем рабочим поршнем, соединенный с поршнем шток, с одной стороны которого вдоль хода поршня расположена силовая зубчатая рейка, снабженная плоской опорной поверхностью, траверсу, на обоих концах которой расположены секторы зубчатых колес и опорные катки, диаметр которых соответствует диаметру делительной окружности секторов зубчатых колес, коленчатый вал, шатун, одна головка которого установлена на шатунной шейке коленчатого вала, а другая головка шарнирно связана с траверсой на участке между секторами зубчатых колес, механизм изменения хода поршня, выполненный в виде установленного в корпусе ползуна, снабженного зубчатой рейкой и плоской опорной поверхностью, при этом один зубчатый сектор траверсы зацеплен с силовой зубчатой рейкой штока поршня, и опорный каток указанного зубчатого сектора контактирует с опорной поверхностью штока, а другой зубчатый сектор траверсы зацеплен с зубчатой рейкой ползуна, и опорный каток указанного сектора контактирует с опорной поверхностью ползуна, отличающийся тем, что шток поршня снабжен дополнительными силовой зубчатой рейкой с опорной поверхностью, траверсой, ползуном с опорной поверхностью, шатуном и коленчатым валом, расположенными симметрично первым силовой зубчатой рейке, траверсе, ползуну, шатуну и коленчатому валу относительно оси цилиндра и идентичными им, при этом коленчатые валы синхронизированы при помощи зубчатой передачи и вращаются в противоположные стороны, а ползуны механизма изменения хода поршня жестко связаны между собой при помощи, по крайней мере, одной поперечной балки.

2. Двигатель внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия по п.1, отличающийся тем, что суммарный зазор между опорными поверхностями и катками выполнен изменяемым.