Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания Российский патент 2025 года по МПК F02B75/32 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано для преобразования энергии сгорания топлива в механическую энергию.

Известен бесшатунный двигатель внутреннего сгорания патенту RU 2278282 содержащий цилиндр с поршнем, вал, с установленным на нем кулачком, толкатель, соединенный с поршнем, установленный на толкателе ролик, взаимодействующий с кулачком, и направляющую толкателя. Кулачек в данном двигателе выполнен плоским, многолепестковым, с числом лепестков, кратным трем, и с равными расстояниями между диаметрально противоположными точками на поверхности. Толкатели установлены в направляющих, закрепленных на крышках картера, причем, на каждом толкателе установлены по два ролика, контактирующих с кулачком в диаметрально противоположных точка на его поверхности, причем ролики выполнены упругими. Кроме того, толкатель соединен с поршнем через упругий элемент, выполненный в виде конической пружины.

При работе такого двигателя, по причине наличия упругих элементов в соединении толкателя и поршня возникают критические несоответствия в положении кулачка и поршня. Например, кулачек повернут в положение, когда выступ его лепестка для конкретного цилиндра максимален, что должно соответствовать положению поршня в Верхней Мертвой Точке, а поршень, вследствие сжатой пружины или упругого ролика, до нее не дошел, и горючая смесь сжата недостаточно для воспламенения. Но, поскольку момент воспламенения горючей смеси всегда привязан к положению кулачка, то это будет приводить к пропускам воспламенения. Кроме того, выполнение кулачка плоским, с обеспечением геометрического замыкания путем охвата кулачка двумя роликами, накладывает жесткие условия на точность изготовления кулачка, приводит к появлению дополнительных напряжений в толкателе. Поскольку ролик и поверхность кулачка взаимодействуют по наружной поверхности лепестка, то смазка, подаваемая на контактирующие поверхности, за счет центробежной силы не задерживается на поверхности, и контакт происходит практически без смазки.

Также известен, запатентованный по патенту на полезную модель №61802, бесшатунный двигатель внутреннего сгорания. Данный двигатель содержит блок цилиндров, кулачок, выполненный в виде соосного валу усеченного конуса, с выполненной на его наружной поверхности замкнутой волнообразной канавки, с которой взаимодействует ролик толкателя, соединенного с поршнем цилиндра. При этом ось цилиндра параллельна образующей конусного кулачка. Данный двигатель снабжен, симметрично расположенными относительно плоскости, проходящей через большее основание конуса, дополнительными кулачком, блоком цилиндров, толкателями с направляющими и роликами, поршнями. Данный двигатель имеет те же проблемы, что и вышеописанный: Это сложный для изготовления узел «ролик - подшипник ролика - ось ролика - толкатель». Смазка, подаваемая в пару ролик -канавка кулачка, также не будет удерживаться, и, под действием центробежной силы, основная ее часть, будет сбрасываться из пятна контакта. Оставшаяся смазка, будет находиться в дисперсном состоянии, что ухудшает ее рабочие качества. Жесткое соединение поршня и толкателя, накладывает серьезные требования к точности изготовления, соосности, и дальнейшей сборки всего узла «Блок цилиндров - цилиндр - поршень - направляющая толкателя - толкатель». После такта «выпуск», когда поршень контактирует с дальней, от цилиндра, стороной канавки, и переходе к такту «впуск», в результате смены направления сил, действующих на поршень, ролик начинает контактировать с противоположной, ближней к цилиндру стороной канавки, что приводит к резкой смене направления вращения ролика, и его увеличенному износу.

В двигателях с КШМ, и описанных прототипах, скорость поршня, при такте «рабочий ход, на отрезке от ВМТ до НМТ не постоянна и изменяется по синусоиде. В то время как скорость расширения газов изменяется линейно. Это приводит к тому, что скорость поршня на этом участке или значительно отстает от скорости расширения газов, или ее обгоняет, что приводит к снижению КПД двигателя. В двигателях с КШМ и описанных прототипах время течения рабочих тактов одинаково, и когда заканчивается такт сжатия в одном цилиндре то в другом заканчивается такт «рабочий ход», при этом в цилиндре должен оставаться запас давления рабочих газов, которое необходимо для завершения такта «сжатие» в предыдущем цилиндре. После завершения такта, это полезное давление вынужденно сбрасывается в выхлоп.

Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в снижении нагрузок, действующих на элементы механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршня, во вращательное движение оси кулачков. Улучшение смазки контактирующих деталей, более рационального использования смазки, подаваемой насосом. Устранение причины, вызывающей реверсивное изменение вращения ролика. Снижение требований к точности изготовления и сборки узлов двигателя. Увеличение степени наполнения цилиндров без применения нагнетателей и промежуточного охлаждения воздуха. Более выгодное распределение сил, действующих на поршень в результате расширения газов. Более полное использование давления расширения газов.

Указанный технический результат достигается тем, что двигатель имеет ось кулачков, конусы, виде которых выполнены кулачки, пустотелые, и имеют как минимум две замкнутые волнообразные канавки с неравномерной длиной и высотой волны, имеющие в поперечном разрезе профиль усеченной сферы, так же переменного диаметра, нанесенные на внутреннюю поверхность конуса, с которыми взаимодействуют передающие шары, передающие головки толкателей, на поверхности, обращенной к конусу, которых, выполнены как минимум две проточки имеющие профиль усеченной сферы, которые взаимодействуют с другой частью передающих шаров, крышки направляющих, два масляных насоса, два подшипниковых узла.

Коническая форма кулачка позволяет в процессе преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное, снизить нагрузки при перемене направления движения поршня. Так, например, при такте «рабочий ход», сразу после верхней мертвой точки (ВМТ), когда силы, действующие на поршень, максимальны, а линейная скорость поршня минимальна, возможно передавать их на вал через малое плечо и больший, относительно вектора перемещения поршня, угол наклона канавки, а при дальнейшем движении поршня, когда силы, действующие на поршень минимальны а скорость максимальна, они передаются на ось через наибольшее плечо и меньший угол наклона канавки. Таким образом, преобразование возвратно-поступательного движения поршня, во вращательное движение оси кулачков, происходит с минимальными изменениями угловой скорости и крутящего момента на оси, и, как следствие, с наименьшими нагрузками.

У данной конструкции двигателя, масло подается на внутреннюю поверхность конуса с замкнутыми волнообразными канавками, и, благодаря наличию распределительных окон, только в требуемое время, непосредственно в пятно контакта. И, благодаря центробежной силе, оно находится на поверхности канавок в изначально сжатом состоянии. Это позволяет более рационально использовать поток масла, подаваемой насосом и улучшает его рабочие качества, повышая срок службы и надежность двигателя.

То, что канавок, с которыми взаимодействуют передающие шары, как минимум две, и они на своем протяжении имеют различный диаметр сечения, а передача усилия происходит через передающие шары, позволяет упростить конструкцию. Причем при тактах «сжатие», «рабочий ход» и «выпуск» усилие передается через один шар, другой, в это время находится в той части своей канавки, которая имеет увеличенный диаметр сечения, и не касается ее стенок, а на такте «впуск», через другой. Шар, занятый в передаче усилия до этого, входит в ту часть своей канавки, которая имеет увеличенный диаметр, и движется в холостую, не касаясь стенок канавки. Это позволяет избежать реверсивности вращения шаров при обегании ими противоположной стенки канавки после смены направления силы, действующей на поршень.

То, что передающая головка выполнена из трех частей, позволяет путем подбора регулировочных прокладок, точно устанавливать межосевое расстояние сферических проточек для передающих шаров, согласовывая его с межосевым расстоянием канавок на внутренних стенках конического кулачка. А то, что узел «поршень - толкатель - передающая головка», соединен шарнирно, снижает требования к точности изготовления и взаимного расположения деталей при сборке всех основных узлов двигателя.

Общеизвестно, что топливо полностью сгорает, когда изначально горючая смесь имеет весовые пропорции: 1 часть топлива к 15 частям воздуха. Чем больший вес воздуха будет помещен в цилиндр, тем больший вес топлива может быть подан и воспламенен в нем. Тем большая мощность будет получена. Для этого используют различные нагнетатели и охладители воздуха (для повышения его удельного веса). Эти средства позволяют подать в цилиндр вес воздуха на 20-25% больший, чем при простом всасывании. То, что в данном двигателе канавки имеют неравномерную длину и высоту волны, позволяет конструктивно задавать увеличенную длину хода поршня при такте впуск, по отношению к другим тактам, и забирать большее количество воздуха, увеличивая, таким образом, наполнение цилиндров, без применения вспомогательных средств.

Такая конструкция канавок позволяет на стадии конструирования установить при такте «рабочий ход» такую линейную скорость поршня, которая будет максимально соответствовать скорости расширения газов.

При такой конструкции канавок, возможно конструктивно увеличить время течения такта «рабочий ход», не привязывая его к окончанию такта «сжатие» в предыдущем цилиндре. Такое решение позволяет наиболее полно использовать давление рабочих газов. Что так же повысит КПД Двигателя.

Сущность изобретения:

В корпусе (1) двигателя, на оси кулачков (2) свободно вращающейся в подшипниковых узлах (3), установлены два кулачка выполненные в виде усеченного пустотелого конуса (Далее конус) (4), с нанесенной на их внутренней поверхности двумя замкнутыми волнообразными канавками (13), и расположенных симметрично друг другу относительно плоскости основания. Два симметрично расположенных, относительно той же плоскости, блока цилиндров (5), с цилиндрами (6), ось которых параллельна образующей поверхности конуса. Поршни (7), толкатели (8), передающие головки (9), передающие шары (10). Две симметрично расположенные, относительно той же плоскости, направляющие толкателя (11), с помещенными в них передающими головками (9), которые, через толкатели (8), шарнирно связаны с поршнями (7) и могут совершать возвратно-поступательное движение параллельно образующей поверхности конуса (4). Две замкнутые волнообразные канавки (13) выполнены с несимметричной длинной и высотой волны, имеют в поперечном разрезе профиль усеченной сферы. С канавками (13) взаимодействуют передающие шары (10). Передающие головки (9), на поверхности, обращенной к конусу (4), имеют две проточки (16), с профилем в виде полусферы, которые взаимодействуют с другой частью передающих шаров (10). Крышки направляющих (17), своей маслоподающей иглой (18) входят в проточки передающей головки (9) и толкателя (10). Два масляных насоса (19) имеют по две секции, и, через распределительные окна (20) подают масло в маслоподводящие каналы (21) направляющей толкателя (11) и конуса (4).

Осуществление изобретения:

Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом: После воспламенения, рабочие газы, расширяясь, давят на поршень (7), перемещая его вдоль цилиндра (6). это усилие и движение, без изменения величины, вида и направления, через толкатели (8) поступает на передающую головку (9), которая может двигаться только вдоль жестко закрепленной направляющей толкателя (11). Через передающие шары (10), взаимодействующие одновременно с проточками в передающей головке и стенками канавок на внутренней поверхности кулачка, усилие расширяющихся рабочих газов передается на стенки канавок, расположенных под углом, относительно направляющей толкателя. При этом происходит смена направления действия силы с продольной относительно оси двигателя, на перпендикулярную ей и касательную относительно стенки кулачка. В результате чего на оси кулачка возникает крутящий момент, вращающий ось кулачка (2).

Остальные три такта двигателя происходят за счет момента инерции, которых приобретает кулачок в процессе такта «рабочий ход»

Особенности работы заключаются в следующем:

Как видно на Фиг. 5, на которой изображена развертка траектории канавки на внутренней поверхности кулачка, каждый такт рабочего цикла двигателя, имеет свою длину хода поршня, наклон канавки относительно оси движения толкателя и передающей головки, и угловое время протекания. Это позволяет наиболее полно использовать энергию расширяющихся газов, а, в случае с тактом «впуск», увеличить наполнение цилиндра.

Как видно на Фиг 6 и 7, усилие, возникающее на передающей головке при различных рабочих тактах, передается через разные передающие шары. Это позволяет избежать реверсивности в направлении их вращения.

Как видно на Фиг. 3, смазка подается только в те масляные каналы (21), кулачка (4), которые находятся напротив маслораспределительного окна (20).

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен бесшатунный двигатель, с частичный разрезом по продольной плоскости симметрии, в изометрической проекции.

На Фиг. 2 изображен кулачок в разрезе по продольной плоскости.

На Фиг. 3 изображен фрагмент продольного разреза двигателя с маслораспределительными окнами (20), кулачка с масляными каналами (21).

На Фиг. 4 изображена передающая головка в разобранном виде.

На Фиг. 5 изображена развертка траектории канавки на внутренней поверхности кулачка и разметка тактов работы двигателя.

На Фиг. 6 изображен момент передачи усилия через большой шар.

На Фиг. 7 изображен момент передачи усилия через малый шар.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус (1), два кулачка, выполненных виде усеченного конуса (4) с нанесенными на их поверхности замкнутыми волнообразными канавками. Два блока (5) цилиндров расположены симметрично друг другу относительно плоскости основания конуса (4). В каждом блоке (5) имеется не меньше одного цилиндра (6). Поршни (7), толкатели (8) с передающими головками (9) и направляющие (11) толкателей (8) расположены в цилиндрах (6). Имеются системы питания, зажигания, газораспределения, выпуска и отбора мощности. Двигатель снабжен крышками направляющих, двумя масляными насосами, двумя подшипниковыми узлами (3) и осью (2) кулачков. Усеченные конусы (4), в виде которых выполнены кулачки, выполнены пустотелыми. На внутренней поверхности конусов выполнены как минимум две замкнутые волнообразные канавки с неравномерной длиной и высотой волны. Канавки имеют в поперечном разрезе профиль усеченной сферы, с которыми взаимодействуют передающие шары (10) и передающие головки (9) толкателей. На обращенных к конусу (4) поверхностях передающих головок (9) выполнены как минимум две проточки, имеющие профиль усеченной сферы, которые взаимодействуют с другой частью передающих шаров (10). При работе двигателя давление расширяющихся газов через поршень (7) и толкатель (8) давит на передающую головку (9), которая через передающий шар (10) давит на стенку канавки, вследствие чего на конусе (4) и оси кулачков (2) возникает крутящий момент. Технический результат заключается в снижении нагрузок, действующих на элементы механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение оси кулачков. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус (1), два кулачка, выполненных виде усеченного конуса (4) с нанесенными на их поверхности замкнутыми волнообразными канавками (13), и расположенных симметрично друг другу относительно плоскости основания конуса (4), два блока (5) цилиндров, с не менее чем одним цилиндром (6) в каждом блоке (5) цилиндров, поршни (7) и толкатели (8) с передающими головками (9), направляющие (11) толкателей (8), расположенные в цилиндрах (6), системы питания, зажигания, газораспределения, выпуска, отбора мощности, отличающийся тем, что двигатель снабжен крышками направляющих, двумя масляными насосами, двумя подшипниковыми узлами (3), осью (2) кулачков, усеченные конусы (4), в виде которых выполнены кулачки, выполнены пустотелыми, и на внутренней поверхности конусов выполнены как минимум две замкнутые волнообразные канавки (13) с неравномерной длиной и высотой волны, канавки (13) имеют в поперечном разрезе профиль усеченной сферы, с которыми взаимодействуют передающие шары (10), передающие головки (9) толкателей, на обращенных к конусу (4) поверхностях передающих головок (9) выполнены как минимум две проточки (16), имеющие профиль усеченной сферы, которые взаимодействуют с другой частью передающих шаров (10), причем при работе двигателя давление расширяющийся газов через поршень (7) и толкатель (8) давит на передающую головку (9), которая через передающий шар (10) давит на стенку канавки (13), вследствие чего на конусе (4) и оси кулачков (2) возникает крутящий момент.

2. Двигатель п. 1, отличающийся тем, что он содержит несколько цилиндров (6) с поршнем (7), толкателем (8) и передающей головкой (9).

3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что поршень (7), толкатель (8) и передающая головка (9) шарнирно связаны в один узел.

4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что передающая головка (9) состоит из, как минимум, из трех жестко соединенных между собой частей, основания и двух секций со сферическими проточками (16).

5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что передающая головка (9) имеет полукруглые боковые части, а вершина этих частей, в продольном разрезе, имеет с-образный профиль.

6. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в толкателе (8) и передающей головке (9), направляющих толкателя, в теле кулачка имеются маслоподающие каналы.

7. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что масляный насос (19) выполнен двухсекционным, в его корпусе имеются маслоподводящие каналы (21), заканчивающиеся маслораспределительными окнами (20).