Бескривошипный четырехтактный двигатель

 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к бескривошипным двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение надежности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит блок цилиндров с аксиально расположенными цилиндрами и пространственный силовой механизм преобразования движения поршней во вращение вала. Согласно изобретению на торцах передней и задней вилковидных головок выполнен разъемный замок, которым определена величина Н межцентрового расстояния рабочего и вспомогательного роликов и обеспечен беззазорный контакт рабочего и вспомогательного роликов с тородуговинтовыми профилями силового механизма, а каждая передняя вилковидная головка поршневого штока соединена с соответствующей задней вилковидной головкой правой и левой призонными втулками и закреплена гайками. В корпусе блока установлены проходящие через отверстия призонных втулок правая и левая цилиндрические направляющие, выполненные в виде полых стержней с образованием кольцевого зазора, в котором установлен втулочный сепаратор с шариками. При этом каждый шарик имеет свою беговую дорожку качения на внутренней и наружной контактируемых поверхностях. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, а более конкретно к поршневым двигателям внутреннего сгорания, которые принадлежат к распространенному и многочисленному классу тепловых двигателей, в которых тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, преобразуется в механическую полезную работу. В этих двигателях процессы сгорания топлива, выделения теплоты и преобразования ее в механическую работу происходят непосредственно внутри двигателя.

Известен двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, авторское свидетельство СССР 118471, кл. F 01 B 9/06, 1958 г.

Бесшатунный двигатель имеет звездообразное расположение цилиндров, а поршни попарно жестко связаны между собой штоками, сочлененными через подшипники со средними шейками коленчатого вала, имеющего вращение шеек, с перемещением поршневых систем и связанных их штоков по оси противоположных цилиндров. Рабочий вал у этого двигателя выполнен из двух частей с кривошипами, несущими подшипники для закрепления в них на радиусе одной четвертой хода поршня крайних шеек коленчатого вала, и снабжен соединительным валом, фиксирующим с помощью шестерен положение кривошипов обеих частей рабочего вала относительно друг друга.

Недостатком этого двигателя является усложненная конструкция кривошипного бесшатунного механизма, который имеет дополнительный соединительный вал с шестернями для фиксации положения частей кривошипов относительно друг друга, а также и наличие коленчатого вала.

Из патентной литературы известен двигатель внутреннего сгорания, патент США 4553508, кл. F 02 В 75/26, 1985 г.

Двигатель содержит блок цилиндров с аксиально расположенными цилиндрами, в которых установлены с возможностью возвратно-поступательного движения поршни, головку блока цилиндров, впускные и выпускные клапаны, механизм, преобразующий возвратно-поступательные движения поршней во вращательное движение вала двигателя, на торцовых поверхностях обода маховика этого механизма выполнены передний и задний профили, рабочие и вспомогательные ролики, охватывающие эти профили.

Основными недостатками этого двигателя являются.

Геометрическое и упругое скольжения с упругими деформациями в зонах контактов цилиндрических роликов с профилем. Окружная скорость на рабочей поверхности ролика постоянна по всей его ширине. Скорость различных точек у витков профиля изменяется пропорционально расстоянию этих точек от центра оси двигателя. На наружной поверхности кромки витков профиля скорость больше, чем на внутренней при одинаковой угловой скорости, т.к. окружная скорость определяется выражением v = ωR_i, где ω - угловая скорость двигателя, R_i - радиус-вектор профиля в данном сечении.

Эти скольжения роликов по виткам профиля являются причиной быстрого износа контактных поверхностей и снижают надежность, т.к. создают повышенные потери мощности на трение, а это влечет к уменьшению КПД двигателя.

Консольное закрепление роликов относительно оси штока. При консольном закреплении роликов максимальный изгибающий момент от действия сил в процессе расширения газов в цилиндре возникает в заделке и происходит прогиб конца ролика. От прогиба оси ролика поворачивается и ролик относительно профиля. Ввиду этого происходит неравномерный контакт ролика с профилем. В результате возникают упругие деформации, которые резко снижают надежность. Кроме того, прогиб увеличивает величину камеры сжатия в цилиндре, а ввиду этого изменяется и степень сжатия, а в результате существенно снижается мощность двигателя.

У каждого ролика вращается наружное кольцо. При вращении наружного кольца происходит преждевременный износ и усталость металла, что ведет к снижению прочности и долговечности подшипника на 15-25%. Более опасным является случай, когда неподвижно внутреннее кольцо, при этом подшипник выходит из строя из-за местного износа внутреннего кольца вследствие высоких напряжений между внутренним кольцом и шариками в нагруженной части подшипника.

Межцентровое расстояние у роликов по величине не изменяется. Однако у преобразующего вращения механизма профильные секции по величине различны, т. е. одна секция в два раза длиннее другой. Наличием различных длин изменяются и углы наклона этих секций, а ввиду этого изменяются и расстояния при контакте роликов с профилем, т.е. образуются зазоры между роликами и профилем, что недопустимо в подобных механизмах.

Сила, действующая на поршень от расширения газов в цилиндре двигателя, раскладывается при контакте ролика с профилем, а полезная, создающая крутящий момент на валу двигателя, определяется произведением этой силы на тангенс угла наклона профильной секции. Угол наклона профильной секции равен 25^o, а тангенс 0,4663. Следовательно, для создания полезного крутящего момента используется только 46,63%. Кроме изложенного, ползуны, закрепленные на штоке, не имеют направляющих. Ввиду этого результирующая составляющая сила, которая возникает при контакте рабочего ролика с профилем, создает момент заклинивания роликов на профиле.

Известен бескривошипный двигатель, патент Российской Федерации 2128774, кл. F 01 В 9/02, F 02 В 75/26, 1997 г., который принят за прототип.

Двигатель содержит блок цилиндров с аксиально расположенными цилиндрами, в которых установлены с возможностью прямолинейного возвратно-поступательного движения поршни, многопериодный пространственный силовой механизм, преобразующий прямолинейные возвратно-поступательные движения поршней во вращательное движение вала, на передней и задней торцовых поверхностях обода ротор-маховика многопериодного пространственного силового механизма выполнены правого и левого направлений тородуговинтовые профили с четным количеством полупериодов движения t, каждый полупериод правого направления последовательно сопряжен с полупериодом левого направления, полупериоды разделены эллиптическими и гиперболическими точками перегиба, каждая эллиптическая точка перегиба является верхней мертвой точкой хода поршня, а гиперболическая точка перегиба является нижней мертвой точкой хода поршня, передний тородуговинтовой профиль в радиальной плоскости образован дугой окружности радиусом R₃ - передней радиальной кривизны, профиль выполнен наклонным на угол β относительно радиальной плоскости, при этом центр этого радиуса R₃ расположен на наклонной линии, перпендикулярной к касательной переднего профиля, проходящей через точку, лежащую на линии образующей делительной окружности переднего профиля, а по развернутой делительной окружности цилиндра обода на плоскость образованы выпуклыми дугами окружностей радиусом R₁ и вогнутыми дугами окружностей радиусом R₂, которые плавно и касательно сопряжены с винтовыми линиями правого и левого направлений, задний тородуговинтовой профиль в радиальной плоскости образован дугой окружности радиусом R₄ - задней радиальной кривизны, профиль выполнен наклонным на угол β₁ относительно радиальной плоскости, при этом центр этого радиуса R₄ расположен на наклонной линии, перпендикулярной к касательной заднего профиля, проходящей через точку, лежащую на линии образующей делительной окружности заднего профиля, а по развернутой делительной окружности цилиндра обода на плоскость образованы выпуклыми дугами окружностей радиусом R_1b и вогнутыми дугами окружностей радиусом R_2b, которые плавно и касательно сопряжены с винтовыми линиями правого и левого направлений. На наружных поверхностях у переднего рабочего и у заднего вспомогательного роликов выполнены желоба, рабочий и вспомогательный ролики установлены с возможностью взаимодействия их желобов с передним и задним тородуговинтовыми профилями обода ротор-маховика пространственного многопериодного силового механизма.

Каждый вспомогательный и рабочий ролики выполнены в виде двухрядных концентричных радиально-упорных совмещенных шарикоподшипников с вращающимися внутренними кольцами.

Соотношения, по которым определены параметры тородуговинтовых профилей, приведены в прототипе.

К недостаткам можно отнести то, что усложнен газораспределительный механизм привода в действие клапанов, а также подробно не раскрыто конструктивное решение системы смазки основных узлов многопериодного пространственного силового механизма.

Задача, решаемая изобретением, не порочит новизну технического решения изобретения патент 2128774, а дополняются новые варианты усовершенствования этого технического решения. Упрощение конструкции и повышение надежности двигателя путем конструктивного и технологического усовершенствования. Создание точного направления прямолинейного движения ползунов при беззазорном контакте шариков по цилиндрическим направляющим и отверстиям призонных втулок, а также беззазорного контакта рабочего и вспомогательного роликов с тородуговинтовыми профилями. Осуществления надежной смазки основных узлов многопериодного пространственного силового механизма, чем достигается надежная работа двигателя. Упрощение газораспределительного механизма привода в действие клапанов.

Техническая задача решена тем, что на внешней полке, у каждой передней вилковидной головки поршневого штока, выполнены правый и левый втулковидные выступы с отверстиями параллельно оси штока и перпендикулярно оси рабочего ролика. Аналогичные правый и левый втулковидные выступы выполнены и на каждой внешней полке задней вилковидной головки с отверстиями соосно с передней головкой и перпендикулярно оси вспомогательного ролика. На торцах передней и задней вилковидных головок выполнен разъемный замок, которым определена величина Н межцентрового расстояния рабочего и вспомогательного роликов и обеспечен беззазорный контакт рабочего и вспомогательного роликов с тородуговинтовыми профилями многопериодного пространственного силового механизма. Каждая передняя вилковидная головка поршневого штока соединена с соответствующей задней вилковидной головкой правой и левой призонными втулками и закреплена гайками. В корпусе блока установлены проходящие через отверстия призонных втулок правая и левая цилиндрические направляющие, выполненные в виде полых стержней. Диаметр отверстия у каждой призонной втулки больше диаметра цилиндрической направляющей. В образованный кольцевой зазор установлен втулочный сепаратор, по образующей которого выполнены по спирали гнезда. В этих гнездах установлены шарики, которые взаимодействуют с внутренней поверхностью призонной втулки и с наружной поверхностью цилиндрической направляющей, а каждый шарик имеет свою беговую дорожку качения на внутренней и наружной контактируемых поверхностях. Каждая задняя вилковидная головка на внешней полке имеет гребень, в котором выполнены маслораспределительные каналы. К каналам присоединены специальные штуцера, а штуцера соответственно соединены с центральными стержнями рабочего и вспомогательного роликов. Газораспределительный механизм выполнен в виде двух кулачковых валиков, соосно соединенных конической шестерней, которая кинематически связана с соответствующей конической шестерней, установленной на валу двигателя, а клапаны в правых и левых цилиндрах установлены на равных расстояниях от диаметральной плоскости блока цилиндров и параллельно этой плоскости.

Передняя вилковидная головка поршневого штока и задняя вилковидная головка, соединенные призонными втулками, являются ползуном штока.

Расположение гнезд для шариков по образующей втулочного сепаратора определено равенством n₀•k₀•i₀•sinγ = πd_в, где n₀ - количество шариков в одном ряду, k₀ - число гнезд по окружности сепаратора, или рядов, i₀ - расстояние между шариками в ряду, γ - угол наклона спирали, d_в - внутренний диаметр втулки сепаратора.

Диаметр каждого гнездового отверстия в сепараторе выполнен в пределах (0,1-0,15)d_ш с внутренней фаской от сверла, а с наружной стороны каждый шарик завальцован и обеспечено свободное его вращение в гнезде в трех координатах, где d_ш - диаметр шарика.

Диаметр каждого отверстия в призонной втулке и диаметр соответствующей цилиндрической направляющей выполнены таким образом, что в сочетании с шариками получен натяг в пределах (0,015-0,02 мм), чем обеспечено динамически связанное качение шариков по цилиндрической направляющей и отверстию призонной втулки.

Внутренние и боковые отверстия у каждой цилиндрической направляющей соединены с маслораспределительными каналами.

На фиг. 1 изображен бескривошипный четырехтактный двигатель, продольный разрез в двух взаимно перпендикулярных плоскостях;
на фиг.2 - то же, разрез по А-А на фиг.1;
на фиг.3 - то же, вид Б на фиг.2, привод клапанов;
на фиг.4 - то же, осевой разрез ползуна с рабочим и вспомогательным роликами;
на фиг.5 - то же, разрез по В-В на фиг.4;
на фиг.6 - то же, вид ползуна, выполненного в виде соединения передней и задней вилковидных головок, закрепленных между собой правой и левой призонными втулками;
на фиг.7 - то же, разрез по Г-Г на фиг.6;
на фиг.8 - то же, втулочный сепаратор.

Бескривошипный четырехтактный двигатель содержит блок цилиндров 1, к торцам которого соосно присоединены корпус блока 2 и головка блока цилиндров 3. В аксиальных и диаметрально противоположных один другому в блоке 1 выполнены цилиндры 4, в которых размещены с возможностью возвратно-поступательного движения поршни 5. Поршни 5 соосно соединены со штоком 6 шарнирным соединением. Каждый шток 6 снабжен на конце шаровой головкой, которая выполнена в виде шарового пояса и установлена соосно со штоком, а от осевого перемещения завальцована (не показано). На втором конце у каждого штока 6, обращенного к ободу ротор-маховика, выполнена совмещенная за одно целое со штоком передняя вилковидная головка 7. В проушине передней вилковидной головки 7 установлен рабочий ролик 8. На наружной поверхности у каждого ролика выполнен желоб 9, который выполнен с наклоном на угол β относительно оси штока, а центр радиуса радиальной кривизны профиля R_ж расположен на наклонной линии, перпендикулярной к касательной желоба. На торцовых поверхностях у каждого ролика 8 выполнены концентричные кольцевые углубления 10 и 11. На внутренних поверхностях этих углублений выполнены дорожки качения 12 и 13. В этих углублениях размещены ряды шариков 14 и 15, которые установлены в гнездах сепараторов 16 и 17. Верхние ряды шариков охвачены верхней обоймой 18, а нижние ряды шариков охвачены нижней обоймой 19. На внутренних поверхностях обойм 18 и 19 выполнены ответные дорожки качения 20 и 21. Шарики 14 и 15 установлены с возможностью взаимодействия с дорожками качения 12, 13, 20 и 21.

При такой компоновке каждый ролик 8 представляет собой двухрядный концентричный совмещенный радиально-упорный шарикоподшипник с вращающимся внутренним кольцом, выполненным за одно целое с роликом. Верхняя 18 и нижняя 19 обоймы сцентрированы в отверстиях полок передней вилковидной головки 7 и закреплены от осевого перемещения двумя верхней 22 и нижней 23 гильзами, которые соединены между собой резьбовым соединением. Верхняя 22 и нижняя 23 гильзы зафиксированы от осевого перемещения проходящим через их отверстия центральным стержнем 24. Головка центрального стержня установлена в пазу 25 нижней гильзы 23, а верхняя гильза 22 соединена со стержнем шлицевым соединением 26, выполненным в отверстии верхней гильзы 22 и на центральном стержне 24. Центральный стержень 24 соединен со специальным штуцером 27 и закреплен гайкой 28. У передней вилковидной головки 7 на внешней полке выполнены правый 29 и левый 30 втулковидные выступы с отверстиями параллельно оси штока. Аналогичные правый 31 и левый 32 втулковидные выступы выполнены и на внешней полке задней вилковидной головки 33 с отверстиями соосно с передней вилковидной головкой. В проушине задней вилковидной головки установлен вспомогательный ролик 34. На наружной поверхности у каждого вспомогательного ролика выполнен желоб 35, который имеет наклон на угол β₁ относительно оси штока, а центр радиуса радиальной кривизны желоба R_ж1 расположен на наклонной линии, перпендикулярной к касательной желоба. На торцовых поверхностях у каждого ролика 34 выполнены концентричные кольцевые углубления 36 и 37. На внутренних поверхностях этих углублений выполнены дорожки качения 38 и 39. В этих углублениях размещены ряды шариков 40 и 41, которые установлены в гнездах сепараторов 42 и 43. Верхние ряды шариков 40 охвачены верхней обоймой 44, а нижние ряды шариков 41 охвачены нижней обоймой 45. На внутренних поверхностях обойм 44 и 45 выполнены ответные дорожки качения 46 и 47. Шарики 40 и 41 установлены с возможностью взаимодействия с дорожками качения 38, 46 и 39, 47. Верхняя 44 и нижняя 45 обоймы установлены и сцентрированы в отверстиях полок задней вилковидной головки и закреплены от осевого перемещения центральным стержнем 48, головка которого установлена в пазу 49 нижней обоймы 45, а верхняя обойма закреплена гайкой 50. Центральный стержень 48 вспомогательного ролика соединен со специальным штуцером 51 и закреплен гайкой 52.

Каждая задняя вилковидная головка 33 на внешней полке имеет гребень 53, в котором выполнены маслораспределительные каналы 54, к которым присоединены специальные штуцера 27 и 51. На торцах передней 7 и задней 33 вилковидных головок выполнен разъемный замок 55, которым определено межцентровое расстояние рабочего 8 и вспомогательного 34 роликов, ограниченное величиной Н с обеспечением беззазорного контакта роликов с профилями многопериодного пространственного силового механизма. Передняя и задняя вилковидные головки по сторонам соединены между собой правой 56 и левой 57 призонными втулками и закреплены специальными гайками 58. Внутренние отверстия у призонных втулок являются направляющими поверхностями качения шариков.

В корпусе блока 2 установлены проходящие через отверстия призонных втулок правая 59 и левая 60 цилиндрические направляющие, которые выполнены в виде полых стержней. Диаметр отверстия у каждой призонной втулки больше диаметра направляющих 59 и 60. В образованном кольцевом зазоре установлен втулочный сепаратор 61. По образующей втулочного сепаратора выполнены по спирали гнезда, в которых установлены шарики 62. Шарики 62 взаимодействуют с внутренней поверхностью призонной втулки и с наружной поверхностью цилиндрической направляющей, а каждый шарик имеет свою беговую дорожку качения на внутренней и наружной контактируемых поверхностях.

Расположение гнезд для шариков по образующей втулочного сепаратора определено равенством
n₀•k₀•i₀•sinγ = πd_в,
где n₀ - количество шариков в одном ряду,
k₀ - число гнезд по окружности сепаратора или рядов,
i₀ - расстояние между шариками в ряду,
γ - угол наклона спирали,
d_в - внутренний диаметр втулочного сепаратора.

Диаметр каждого гнездового отверстия в сепараторе выполнен в пределах (0,1-0,15)d_ш с внутренней фаской от сверла, а с наружной стороны каждый шарик завальцован, при этом обеспечено свободное его вращение в гнезде в трех координатах, где d_ш - диаметр шарика.

Диаметр каждого отверстия в призонной втулке и диаметр соответствующей цилиндрической направляющей выполнены таким образом, что в сочетании с шариками должен быть получен натяг в пределах (0,015-0,02 мм), чем обеспечено динамически связанное качение шариков по цилиндрическим направляющим и отверстиям призонных втулок.

Основной рабочей деталью в многопериодном пространственном силовом механизме, преобразующем прямолинейные возвратно-поступательные движения поршней во вращение вала 63 двигателя, является ротор-маховик 64. На передней и задней торцовых поверхностях обода 65 ротор-маховика выполнены правого и левого направлений тородуговинтовые профили с четным количеством полупериодов t. Каждый полупериод правого направления последовательно сопряжен с полупериодом левого направления, при этом каждая эллиптическая точка перегиба является верхней "мертвой" точкой осевого хода поршня, а гиперболическая точка перегиба соответственно является нижней "мертвой" точкой осевого хода поршня.

На передней и задней торцовых поверхностях тородуговинтовые профили в радиальной плоскости образованы дугами окружностей радиусом R₃. По развернутой делительной окружности цилиндра обода на плоскость профиль имеет выпуклую кривизну радиуса R₁ и вогнутую кривизну радиуса R₂, которые плавно и касательно сопряжены с наклонной на угол β винтовой линией.

Ротор-маховик 64 установлен на центральном валу 63 двигателя и соединен с валом при помощи зубчатого соединения 66, конструктивное исполнение этого соединения изложено в описании изобретения по авторскому свидетельству 1209955, F 16 D 1/06, 1982 г. Центральный вал 63 установлен на двух шарикоподшипниковых опорах, левая (нижняя) содержит два шарикоподшипника 67 и упорный шарикоподшипник 68, которые установлены в корпусе блока 2, правая (верхняя) содержит один шарикоподшипник 69, который установлен во втулке 70 блока цилиндров 1. На центральном валу 63 установлены шестерня 71 - привода шестеренного масляного насоса, установленная между шарикоподшипниками 67, коническая шестерня 72 - привода вспомогательных механизмов, коническая шестерня 73 - привода газораспределительного механизма, а на конце установлен маховик сцепления 74.

Газораспределительный механизм выполнен в виде двух кулачковых распределительных валиков 75, соосно соединенных конической шестерней 76, которая кинематически связана с конической шестерней 73, установленной на центральном валу двигателя. Впускные 77 и выпускные 78 клапаны установлены в головке блока цилиндров на равных расстояниях от диаметральной плоскости блока цилиндров и параллельно этой плоскости. Впускные 77 и выпускные 78 клапаны приводятся в действие соответствующими коромыслами 79 и 80, которые установлены на осях 81. Коромысла 79 и 80 содержат регулировочные винты 82 и ролики 83, которые установлены с возможностью взаимодействия с кулачками распределительных валиков. Стержень каждого клапана с его пружиной закрыты колпачком 84, который выполнен в виде стакана и соединен со стержнем соответствующего клапана.

С конической шестерней 72 кинематически связан приводной валик 85, который предназначен для привода вспомогательных механизмов.

Циркуляционная система смазки основных узлов многопериодного пространственного силового механизма работает следующим образом.

Масло под давлением, создаваемым шестеренным насосом (не показан), поступает по системе во внутренние отверстия направляющих 59, 60 и через боковые их отверстия 86, а также через отверстия 87 призонных втулок - в маслораспределительные каналы 54. Из маслораспределительных каналов 54 масло поступает в контактные места рабочего и вспомогательного роликов с тородуговинтовыми профилями, а также по отверстиям специальных штуцеров 27 и 51 - в отверстия центральных стержней 24 и 48, затем через боковые отверстия этих стержней - в ряды шариков рабочего и вспомогательного роликов. Кроме того, по отверстию специального штуцера 27 масло поступает в шарнирное соединение поршня со штоком (не показано).

Моторесурс двигателя в значительной степени зависит от выбранной системы смазки, качества очистки и свойств применяемого масла, достаточной и своевременной смазки узлов многопериодного пространственного силового механизма, чем обеспечивается надежная работа двигателя при всех эксплуатационных режимах.

Обоснование параметров и работа бескривошипного четырехтактного двигателя.

Двигатель характеризуется рядом основных параметров, которые могут быть объединены в три основные группы: конструктивные, термодинамические и эксплуатационные.

Конструктивные параметры характеризуют использование рабочего объема, тепловую и динамическую нагрузку деталей двигатели.

Основным конструктивным параметром данного двигателя является то, что он оборудован новым многопериодным пространственным силовым механизмом, который преобразует прямолинейные возвратно-поступательные движения поршней во вращательное движение вала двигателя, а также создает полезный крутящий момент. Кроме того, обеспечена надежная система смазки, т.к. централизованная система смазки под давлением обеспечивает надежную работу двигателя.

Термодинамические параметры характеризуют использование рабочего объема, тепловую и динамическую нагрузку деталей.

К эксплуатационным параметрам относятся экономичность, надежность и технологичность обслуживания.

Под экономичностью двигателя понимают расход топлива на единицу мощности или удельный расход топлива, а именно сколько расходуется топлива на создание мощности в одну лошадиную силу в час.

Классификация эллиптической и гиперболической точек перегиба на кривизне поверхности.

Если в точке контакта обе величины радиуса R₁ и радиуса R₃ одного знака, то главные нормальные сечения обращены вогнутостями в одну сторону. В этом случае в области точки касания кривизна расположена по одну сторону от касательной плоскости. Такая точка кривизны и называется эллиптической точкой. Если радиус R₃ и радиус R₂ разных знаков, то главные нормальные сечения обращены вогнутостями в противоположные стороны. В этом случае кривые пересекаются касательной плоскостью и имеют седлообразный характер, такая точка кривизны и называется гиперболической точкой /см. И.Н. Бронштейн и др. "Справочник по математике", для инженеров и учащихся вузов, Госиздат физико-математической литературы, М., 1959 г., стр. 262, рис.257, а и б/.

Порядок работы цилиндров и механизма газораспределения.

Порядок работы цилиндров осуществляется одновременно в двух диаметрально противоположных цилиндрах - 1-3 и 2-4.

Рабочим циклом называется совокупность последовательных и периодических повторяющихся процессов в цилиндре двигателя. Отдельный процесс рабочего цикла, совершающийся в цилиндре двигателя за один осевой ход поршня (впуск, сжатие, расширение - рабочий ход, выпуск газов), называется тактом.

Положения, при которых поршень достигает крайних положений во время его перемещений в цилиндре, называются верхней и нижней мертвыми точками. Верхняя - эллиптическая, нижняя - гиперболическая точки тородуговинтового профиля, а в осевом направлении расстояние от эллиптической точки перегиба до гиперболической точки перегиба равно осевому ходу поршня S. Осевой ход поршня соответствует повороту ротор-маховика на угол 90^o при четырехполупериодном тородуговинтовом профиле, а при восьмиполупериодном тородуговинтовом профиле осевой ход поршня соответствует повороту ротор-маховика на угол 45^o. Рабочий цикл в бескривошипном четырехтактном двигателе осуществляется в прямой зависимости от количества полупериодов t.

Длина осевого хода поршня и число оборотов определяют среднюю скорость поршня С_m, которая характеризует быстроходность двигателя.

Например, многопериодный пространственный силовой механизм имеет четыре полупериода t. В этом случае четыре такта четырехтактного двигателя осуществляются за один оборот вала двигателя. При этом средняя скорость поршня C_m, которая характеризует быстроходность двигателя, определена по соотношению

где S - осевой ход поршня;
n - частота вращения вала двигателя;
z - количество полупериодов t.

У четырехтактного двигателя рабочий процесс, как указывалось, происходит за четыре осевых хода поршня или, что то же, за один оборот вала двигателя.

Фазы газораспределения и моменты открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов в зависимости от поворота вала двигателя приведены в табл.1.

Углы поворота распределительных кулачковых валов по частоте вращения одинаковы с частотой вращения вала двигателя.

Основной характеристикой каждого двигателя является его мощность. Мощность нового бескривошипного двигателя определена по аналогичной методике, как и у двигателей внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом. Однако соотношение определения мощности имеет отличие, в которое введен коэффициент мощности "К", которым учитывается действия сил от расширения газов в цилиндре, т.к. тангенциальная сила, создающая крутящий момент и вращение вала двигателя, действует в радиальной плоскости многопериодного пространственного силового механизма.

Ход поршня в осевом направлении равен величине S, а в радиальном направлении величина, которую проходит поршень от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки, будет равна

где D_д - диаметр по цилиндру делительной окружности тородуговинтового профиля;
z - количество полупериодов t по цилиндру делительной окружности тородуговинтового профиля.

А коэффициент мощности "К" равен отношению этих величин, т.е.

К=S_p/S.

Мощность бескривошипного четырехтактного двигателя с четырехполупериодным тородуговинтовым профилем многопериодного пространственного силового механизма, определена по соотношению

где P_e - среднее эффективное давление, кгс/см²;
F - площадь цилиндра, см²;
2 n - частота вращения вала двигателя, об/мин;
i - число цилиндров;
S - ход поршня в осевом направлении, м;
К - коэффициент мощности;
S_p - ход поршня в радиальном направлении, м.

Для сравнения приведем данные технической характеристики нового двигателя ВАЗ модели 11183: диаметр цилиндра 82 мм; ход поршня 75,6 мм; рабочий объем 1,596 л; число цилиндров 4; среднее эффективное давление 7,95 кгс/см²; мощность 79 л. с. при 5600 об/мин, /см. журнал "За рулем", август 2000 г., ст. 30/.

Если этот двигатель оборудовать многопериодным пространственным силовым механизмом с четырехполупериодным тородуговинтовым профилем, не изменяя приведенные термодинамические и геометрические параметры, его мощность будет

где К=1,6886;
F - площадь цилиндра = 52,81 см²;
n - частота вращения вала двигателя, 2800 об/мин.

Остальные параметры - из характеристики двигателя модели 11183.

Для сопоставления приведем численные данные технических характеристик двигателей с кривошипно-шатунными механизмами. Если эти же двигатели оборудовать многопериодными пространственными силовыми механизмами с четырехполупериодным тородуговинтовыми профилями, не изменяя термодинамические и геометрические параметры, получим результаты, приведенные в табл. 2.

Одним из основных показателей двигателя, характеризующего его качество, является мощность, приходящая на один литр рабочего объема цилиндра, что наглядно видно из приведенной таблицы 02.

Порядок работы двигателя.

Горючая смесь (топливо и воздух или газ и воздух в определенных соотношениях, необходимых для полного сгорания) поступает в цилиндр через впускной клапан 77, после чего смесь подвергается сжатию. Сжатая смесь в цилиндре двигателя воспламеняется при помощи электрической искры высокого напряжения.

Вследствие быстрого сгорания смеси в цилиндре повышается температура, а также и давление, под воздействием которого поршень 5 совершает поступательное движение, которое передается через шток 6 и переднюю вилковндную головку 7 рабочему ролику 8. Это движение преобразуется во вращательное при взаимодействии рабочего ролика 8 с передним тородуговинтовым профилем, выполненным на ободе ротор-маховика многопериодного пространственного силового механизма. В результате ротор-маховик 64 совершает вращательное движение, а вместе с ним и вал двигателя 63. В результате создается крутящий момент на валу 63, который через маховик сцепления 74 передается потребителю.

Конструктивные особенности бескривошипного четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.

Наличие многопериодного пространственного силового механизма, которым осуществляется преобразование прямолинейных возвратно-поступательных движений поршней во вращение вала двигателя, создает возможность приблизить цилиндры к этому механизму. Благодаря чему создается простота и компактность конструкции и уменьшаются габариты двигателя. Поэтому трудоемкость изготовления на 20-25% ниже по отношению к современным двигателям.

Таким образом, многопериодный пространственный силовой механизм является одним из основных и перспективных способов получения малогабаритных легких бескривошипных двигателей с высокой степенью форсирования по быстроходности.

Бескривошипная схема двигателя позволяет получить значительно большие мощности при неизменной частоте вращения вала нижеследующими способами:
повышением степени сжатия путем увеличения хода поршня,
увеличением количества полупериодов t, а также и цилиндров.

Для улучшения экономичности бескривошипного четырехтактного двигателя осуществляем рабочий цикл с продолжительным расширением, суть которого заключается в следующем. Номинальную степень сжатия увеличиваем на 1...3 единицы, а чтобы двигатель не детонировал, увеличиваем угол запаздывания закрытия впускного клапана 77. При этом часть воздуха - заряда выталкивается из цилиндра в начале такта сжатия, в результате чего начало процесса сжатия заряда задерживается, т.е. уменьшается фактическая степень сжатия. Степень же расширения, от которой главным образом зависит экономичность, остается равной номинальной степени сжатия, т.е. большей по сравнению с фактической степенью сжатия.

Чтобы компенсировать уменьшение заряда цилиндра, приходится соответственно увеличивать осевой ход поршня S. В бескривошипном двигателе увеличение хода поршня незначительно влияет на габариты двигателя.

Применение цикла удлиненного расширения, как средства повышения экономичности, у бескривошипных двигателей является целесообразным, т.к. снижается удельный расход топлива на 10-12% по сравнению с работой по обычному циклу.

Бескривошипный механизм дает возможность иметь в двигателе эффективную систему охлаждения поршней с принудительной циркуляцией масла по замкнутому контуру, способную обеспечить надежное охлаждение их при высокой степени форсирования двигателя по быстроходности и длительную работоспособность цилиндропоршневой группы. Кроме того, осуществлена принудительная циркуляция смазки основных узлов многопериодного пространственного силового механизма, чем обеспечивается длительная работоспособность механизма.

В конструкции подшипника внутреннее кольцо вращается и изнашивается по окружности равномерно. При этих условиях местные напряжения происходят у наружного кольца (обоймы 18, 19, 44, 45), но контактные напряжения между наружными кольцами и шариками значительно меньше. Поэтому срок службы таких подшипников больше на 15-25%, чем в случае неподвижного внутреннего кольца.

Все вышеизложенные достижения открывают широкие перспективы применения бескривошипных двигателей на автомобилях, тракторах, судах в качестве привода генераторов, в авиации, а также в других транспортных средствах и областях техники, т. е. там, где первостепенное значение имеют малая масса двигателя и минимальная вибрация, а также сравнительно небольшая стоимость, а особенно более экологически чисты, т.к. при уменьшенном расходе топлива на единицу мощности уменьшается токсичность выхлопа.

Формула изобретения

1. Бескривошипный четырехтактный двигатель, содержащий блок цилиндров с аксиально расположенными цилиндрами, в которых установлены с возможностью возвратно-поступательного движения поршни, головка блока цилиндров, в которой установлены клапана, корпус блока, в котором установлен многопериодный пространственный силовой механизм, преобразующий возвратно-поступательные движения поршней во вращательное движение вала, на передней и задней торцовых поверхностях обода ротор-маховика многопериодного пространственного силового механизма выполнены правого и левого направлений тородуговинтовые профили с четным количеством полупериодов t, каждый полупериод правого направления последовательно сопряжен с полупериодом левого направления, полупериоды разделены эллиптическими и гиперболическими точками перегиба, каждая эллиптическая точка перегиба является верхней мертвой точкой осевого хода поршня, а гиперболическая точка перегиба является нижней мертвой точкой осевого хода поршня, передний тородуговой профиль в радиальной плоскости образован дугой окружности радиусом R₃ - передней радиальной кривизны, профиль выполнен наклонным на угол β относительно радиальной плоскости, при этом центр радиуса радиальной кривизны расположен на наклонной линии, перпендикулярной к касательной, проходящей через точку, лежащую на линии образующей делительной окружности профиля, а по развернутой делительной окружности цилиндра обода на плоскость образованы выпуклыми дугами окружностей радиусом ₁ и вогнутыми дугами окружностей радиусом R₂, которые плавно и касательно сопряжены с винтовыми линиями правого и левого направлений, задний тородуговинтовой профиль в радиальной плоскости образован дугой окружности радиусом R₄ - задней радиальной кривизны, профиль выполнен наклонным на угол β₁ относительно радиальной плоскости, при этом центр этого радиуса R₄ расположен на наклонной линии, перпендикулярной к касательной заднего профиля, проходящей через точку, лежащую на линии образующей делительной окружности заднего профиля, а по развернутой делительной окружности цилиндра обода на плоскость образованы выпуклыми дугами окружностей радиусом R_1b и вогнутыми дугами окружностей радиусом R_2b, которые плавно и касательно сопряжены с винтовыми линиями правого и левого направлений, на наружных поверхностях у переднего рабочего и у заднего вспомогательного роликов выполнены желоба, рабочий и вспомогательный ролики установлены с возможностью взаимодействия их желобов с передним и задним тородуговинтовыми профилями обода ротора-маховика пространственного механизма, каждый рабочий и вспомогательный ролик выполнен в виде двухрядного концентричного радиально-упорного совмещенного шарикоподшипника с вращающимся внутренним кольцом, выполненным за одно целое с роликом, отличающийся тем, что на внешней полке, у каждой передней вилковидной головки поршневого штока выполнены правый и левый втулковидные выступы с отверстиями параллельно оси штока и перпендикулярно к оси рабочего ролика, аналогичные правый и левый втулковидные выступы выполнены и на каждой внешней полке задней вилковидной головки с отверстиями соосно с передней головкой и перпендикулярно к оси вспомогательного ролика, на торцах передней и задней вилковидных головок выполнен разъемный замок, которым определена величина Н межцентрового расстояния рабочего и вспомогательного роликов и обеспечен беззазорный контакт рабочего и вспомогательного роликов с тородуговинтовыми профилями многопериодного пространственного силового механизма, каждая передняя вилковидная головка поршневого штока соединена с соответствующей задней вилковидной головкой правой и левой призонными втулками и закреплена гайками, в корпусе блока установлены проходящие через отверстия призонных втулок правая и левая цилиндрические направляющие, выполненные в виде полых стержней, диаметр отверстия у каждой призонной втулки больше диаметра цилиндрической направляющей, в образованный кольцевой зазор установлен втулочный сепаратор, по образующей которого выполнены по спирали гнезда, в этих гнездах установлены шарики, шарики взаимодействуют с внутренней поверхностью призонной втулки и с наружной поверхностью цилиндрической направляющей, а каждый шарик имеет свою беговую дорожку качения на внутренней и наружной контактируемых поверхностях, каждая задняя вилковидная головка на внешней полке имеет гребень, в котором выполнены маслораспределительные каналы, к каналам присоединены специальные штуцера, а штуцера соответственно соединены с центральными стержнями рабочего и вспомогательного роликов, газораспределительный механизм выполнен в виде двух кулачковых валиков, соосно соединенных конической шестерней, которая кинематически связана с соответствующей конической шестерней, установленной на валу двигателя, а клапана в правых и левых цилиндрах установлены на равных расстояниях от диаметральной плоскости блока цилиндров и параллельно этой плоскости.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что расположение гнезд для шариков по образующей втулочного сепаратора определено равенством
n₀•k₀•i₀•sinγ = πd_в,
где n₀ - количество шариков в одном ряду;
k₀ - число гнезд по окружности сепаратора или рядов;
i₀ - расстояние между шариками в ряду;
γ - угол наклона спирали;
d_в - внутренний диаметр втулки сепаратора.

3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что диаметр каждого гнездового отверстия в сепараторе выполнен в пределах (0,1-0,15)d_ш с внутренней фаской от сверла, а с наружной стороны каждый шарик завальцован и обеспечено свободное его вращение в гнезде в трех координатах, где d_ш - диаметр шарика.

4. Двигатель по пп.1-3, отличающийся тем, что диаметр каждого отверстия в призонной втулке и диаметр соответствующей цилиндрической направляющей выполнены таким образом, что в сочетании с шариками получен натяг в пределах 0,015-0,02 мм, чем обеспечено динамически связанное качение шариков по цилиндрической направляющей и отверстию призонной втулки.

5. Двигатель по пп.1-4, отличающийся тем, что внутренние и боковые отверстия у каждой цилиндрической направляющей соединены с маслораспределительными каналами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9