Двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение может быть использовано в качестве силовой установки на сухопутных и водных транспортных средствах, а также в энергомашиностроении в качестве стационарных двигателей для компрессоров, электрогенераторов и других рабочих машин и механизмов. Двигатель внутреннего сгорания содержит блок цилиндров, механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коренного вала, состоящий из поршней, размещенных в цилиндрах, кинематически связанных шатунами через зубчатую передачу попеременного внутреннего зацепления с коренным валом двигателя. Между каждой парой противоположных цилиндров расположено овальное колесо зубчатой передачи, внутренние поверхности которого, соответствующие продольной оси, зубчатые. Поверхности, соответствующие поперечным осям колеса, выполнены гладкими. Колесо зубчатой передачи шарнирно соединено с шатунами поршней двух противоположно расположенных цилиндров. Вал установлен в подшипниках качения, расположенных на опорах блока цилиндров. Зубчатая передача попеременного внутреннего зацепления содержит полушестерню, одна половина которой зубчатая, попеременно взаимодействующая с зубчатыми поверхностями колеса, другая половина гладкая, диаметром не более диаметра впадин полушестерни, свободно вращающуюся относительно перемещающихся зубчатых поверхностей колеса. Крайний участок зубчатой поверхности полушестерни, выходящей из зацепления, заканчивается впадиной, переходящей в гладкий участок полушестерни, диаметром не более диаметра впадин. Крайний участок зубчатой поверхности колеса заканчивается зубом, вершина которого переходит в гладкий участок, соответствующий смене направления движения колеса, диаметром не менее гладкого участка полушестерни. Зубчатый участок полушестерни, входящей в зацепление, выполнен по касательной к гладкой поверхности полушестерни и вершине последнего зуба в зацеплении с колесом, крайний участок зубчатой поверхности которого выполнен радиусом не менее радиуса вершин зубьев полушестерни. На гладких поверхностях колеса имеются упоры, например, в виде свободно вращающегося ролика, взаимодействующего в переходном периоде с кулачком, выполненным в пазу гладкой поверхности полушестерни, профилем, соответствующим закону движения колеса. Технический результат заключается в увеличении коэффициента полезного действия, повышении надежности и долговечности работы двигателя и уменьшении удельной металлоемкости двигателя, а также в упрощении конструкции за счет уменьшения радиальной составляющей сил в цилиндропоршневой группе при работе двигателя, уменьшении движущихся возвратно-поступательно масс и сведения к минимуму количества подвижных соединений. 4 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к поршневым многоцилиндровым двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в качестве двигателя на сухопутных и водных транспортных средствах, а также в энергомашиностроении в качестве стационарных двигателей для компрессоров, электрогенераторов и других рабочих машин и механизмов.

Известны автомобильные двигатели внутреннего сгорания: поршневые, многоцилиндровые, рядные и V-образные, карбюраторные или дизельные, двухтактные и четырехтактные, состоящие из блока цилиндров с камерами для сжигания топлива и механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала, состоящего из поршней, размещенных в цилиндрах, связанных кинематически с валом двигателя через шатун и колесо зубчатой передачи попеременного внутреннего зацепления, а также из механизма газораспределения, систем питания, смазки и охлаждения (см. заявку ФРГ № 3230508, МПК F 01 В 9/06, а также патент РФ № 2109152, МПК F 02 В 75/32 и патент РФ № 2131528, МПК F 02 В 75/32).

Недостаток известных по аналогам двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что рабочий ресурс цилиндропоршневой группы и механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала мал, так как наличие шатуна увеличивает радиальную составляющую сил в цилиндропоршневой группе, что ведет к повышенному ее износу, а также в том, что при рядном расположении цилиндров элементы зубчатой передачи колесо и шестерня изнашиваются неодинаково: одна сторона колеса и половина шестерни работают с максимальной нагрузкой, другая с минимальной, а отсюда снижается и долговечность всего двигателя.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков и технической сущности предлагаемого изобретения является двигатель внутреннего сгорания многоцилиндровый, рядный, состоящий из блока цилиндров с поршнями, шатунами и зубчатой передачей попеременного внутреннего зацепления для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коренного (приводного) вала двигателя. Причем в двигателе между каждой парой противоположных цилиндров расположено колесо зубчатой передачи, выполненное в виде овала, зубчатые поверхности которого попеременно взаимодействуют с шестерней, при этом одна зубчатая поверхность колеса соответствует прямому ходу одного поршня и обратному ходу другого, а другая зубчатая поверхность соответствует прямому ходу другого, противоположного поршня, и обратному ходу первого поршня, а поверхности колеса, соответствующие малым осям колеса, гладкие и в рабочем цикле соответствуют фазам смены направления движения поршней. Шестерня расположена внутри овального колеса на прямом валу, установленном в подшипниках качения, размещенных в опорах блока цилиндров. На участке зубчатой передачи имеется кулачок, попеременно взаимодействующий с упорами, установленными параллельно зубчатым поверхностям колеса. Также имеется механизм газораспределения, системы питания, смазки и охлаждения (см. патент РФ № 2153588, МПК F 02 В 75/32, 2000 г.).

Недостатком указанного двигателя является то, что зубчатому колесу в конце такта необходимо придавать импульс движения, перпендикулярный к основному продольному, для вывода из зацепления одной зубчатой поверхности колеса и ввода в зацепление другой и надежного удержания в зацеплении колеса в процессе всего такта, а для этого необходимы шатуны, кулачки, упоры и другие устройства, что усложняет конструкцию, увеличивает движущиеся возвратно-поступательно массы: а отсюда и инерционные и радиально-составляющие силы в цилиндропоршневой группе, что ведет к повышенному ее износу, а также увеличивается металлоемкость и габариты двигателя. Все это уменьшает надежность и долговечность двигателя, а также его механический КПД и удельную металлоемкость.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности и долговечности работы двигателя, упрощение конструкции и уменьшение удельной металлоемкости его, а также увеличение коэффициента полезного действия (КПД) за счет отсутствия перпендикулярно-колебательного движения колеса в переходный период, а следовательно, возможность убрать шатуны, кулачки, упоры, т.е. уменьшить движущиеся возвратно-поступательно массы и количество подвижных соединений, а следовательно, уменьшить инерционные силы и радиальную составляющую сил в цилиндропоршневой группе при работе двигателя.

Решение поставленной задачи достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров, механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коренного вала, состоящий из поршней, размещенных в цилиндрах, кинематически связанных шатунами через зубчатую передачу попеременного внутреннего зацепления с коренным валом двигателя, а также механизм газораспределения, системы питания, смазки и охлаждения, причем между каждой парой противоположных цилиндров расположено овальное колесо зубчатой передачи, внутренние поверхности которого, соответствующие продольной оси, зубчатые, при этом одна зубчатая поверхность соответствует прямому ходу, например, левого поршня, и обратному ходу правого поршня, другая зубчатая поверхность соответствует прямому ходу правого поршня и обратному ходу левого поршня, а поверхности, соответствующие поперечным осям колеса, выполнены гладкими и в рабочем цикле соответствуют фазе смены направления движения поршней, колесо зубчатой передачи с обеих сторон продольной оси шарнирно соединено с шатунами поршней двух противоположно расположенных цилиндров, вал установлен в подшипниках качения, расположенных на опорах блока цилиндров, согласно изобретению зубчатая передача попеременного внутреннего зацепления содержит полушестерню, одна половина которой зубчатая, попеременно взаимодействующая с зубчатыми поверхностями колеса, другая половина гладкая, диаметром не более диаметра впадин полушестерни, свободно вращающуюся относительно перемещающихся зубчатых поверхностей колеса, при этом крайний участок зубчатой поверхности полушестерни, выходящей из зацепления, заканчивается впадиной, переходящей в гладкий участок полушестерни, диаметром не более диаметра впадин, крайний участок зубчатой поверхности колеса заканчивается зубом, вершина которого переходит в гладкий участок, соответствующий смене направления движения колеса, диаметром не менее гладкого участка полушестерни, а зубчатый участок полушестерни, входящей в зацепление, выполнен по касательной к гладкой поверхности полушестерни и вершине последнего зуба в зацеплении с колесом, крайний участок зубчатой поверхности которого выполнен радиусом не менее радиуса вершин зубьев полушестерни, при этом на гладких поверхностях колеса имеются упоры, например, в виде свободно вращающегося ролика, взаимодействующего в переходном периоде с кулачком, выполненным в пазу гладкой поверхности полушестерни профилем, соответствующим закону движения колеса.

Все это обеспечивает решение поставленной задачи. Благодаря тому что в механизме преобразования движения использована полушестерня, попеременно взаимодействующая с зубчатыми поверхностями колеса, а зацепление происходит только в двух тактах рабочего процесса: “рабочий ход” и “сжатие”, а “всасывание” и “выпуск” осуществляется поршнем противоположного цилиндра, уменьшается количество подвижных соединений, что повышает КПД двигателя, также уменьшаются подвижные массы, что уменьшает инерционные силы, а упор гладкой поверхности колеса, взаимодействующий с кулачковой поверхностью полушестерни, позволяет исключить колебательные движения колеса при переходном режиме движения и усиливает принудительный переход колесом мертвой точки, а так как отсутствуют колебательные движения колеса и колесо своими концами опирается на оба поршня, то уменьшаются и радиальные силы в цилиндропоршневой группе, что повышает надежность и уменьшает износ взаимотрущихся поверхностей.

Все это позволяет повысить надежность и долговечность двигателя, его КПД, а также и его удельную металлоемкость.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично изображен поперечный разрез заявляемого двигателя внутреннего сгорания; на фиг.2 - продольный разрез указанного двигателя по А-А; на фиг.3 представлено сечение по В-В соединения поршня с колесом при положении колеса и полушестерни в мертвой точке; на фиг.4 изображено сечение по Б-Б указанного соединения в перпендикулярной плоскости.

Двигатель внутреннего сгорания содержит блоки цилиндров 1 с оппозитно расположенными цилиндрами и поршнями 2, между которыми размещен механизм 3 преобразования возвратно-поступательного движения поршней 2 во вращательное приводного вала 4, состоящий из полушестерни 5 и находящегося с ней в попеременном зацеплении колеса 6, которое с двух сторон соединено поршневыми пальцами 7 с поршнями 2. Полушестерни 5 жестко закреплены на валу 4, вращающемся в подшипниках 8, установленных в опорах картера механизма 3 и закрепленных крышками 9. На гладких поверхностях колеса 6, соответствующих смене направления движения, установлены упоры 10, выполненные, например, в виде роликов, попеременно взаимодействующих в процессе смены направления движения с кулачковой поверхностью 11, выполненной в пазу гладкой поверхности полушестерни 5, при этом гладкая поверхность выполнена диаметром не более диаметра впадин и заканчивается с одной стороны впадиной, а с другой стороны касательной к вершине последнего зуба в зацеплении, а гладкие поверхности колеса выполнены диаметром не менее диаметра гладкого участка полушестерни 5, и с одной стороны заканчиваются вершиной первого зуба зубчатой поверхности колеса 6, а с другой стороны радиусом не менее радиуса вершин зубьев полушестерни 5. Кроме того, двигатель имеет головку 12 блока цилиндров 1, механизм газораспределения с распределительными валом 13, клапанами 14 впускными и выпускными с толкателями 15 и маховик 16, а также системы питания, смазки, охлаждения и зажигания (на чертеже не показаны).

Работает двигатель следующим образом. При воспламенении горючей смеси в камере сгорания, например в первом цилиндре, газы, расширяясь, давят на днище поршня 2, перемещая его из одной мертвой точки начала движения поршня (МТН) к другой мертвой точке конца движения поршня (МТК) (в двигателях с вертикальным расположением цилиндров мертвой точке МТН соответствует верхняя мертвая точка ВМТ, мертвой точке МТК соответствует нижняя мертвая точка НМТ) с усилием Р, совершая такт “рабочий ход”. Совместно с поршнем 2 первого цилиндра перемещаются соединенные с ним колесо 6 и поршень 2 противоположного второго цилиндра, совершая при открытых выпускных клапанах 14 такт “выпуск”, во втором цилиндре, вращая при этом одной из зубчатых сторон колеса 6 полушестерню 5 и вал 4, последний через другую полушестерню 5, находящуюся в зацеплении с одной из зубчатых поверхностей колеса 6 третьего и четвертого цилиндров, перемещает колесо 6 и поршни 2 в противоположном направлении поршням 2 первого и второго цилиндров (в зависимости от сборки зубчатой передачи), совершая при этом такт "сжатие" в третьем цилиндре и такт "выпуск" при открытых выпускных клапанах 14 в четвертом цилиндре. По достижении колесом 6 мертвой точки конца движения “КМТ” в первом цилиндре полушестерня 5, перейдя “КМТ” на расстояние Δ1, выходит из зацепления с зубчатой поверхностью колеса 6 первого цилиндра и, не дойдя до положения зацепления с зубчатой поверхностью колеса 6 второго цилиндра на расстояние Δ2, может свободно провернуться относительно обеих зубчатых поверхностей колеса 6, при этом упор 10, взаимодействуя с кулачковой поверхностью 11 полушестерни 5, перемещает колесо 6 на расстояние Δ, большее расстояния Δ2, и с синхронной окружной скоростью зубчатой поверхности полушестерни 5 вводит в зацепление зубчатую поверхность колеса 6 второго цилиндра. Таким образом, происходит смена направления движений и непрерывная смена тактов в порядке "рабочий ход", "выпуск", "впуск" и "сжатие", образуя рабочий цикл цилиндра. Повторение и чередование рабочих циклов в порядке работы цилиндров 1-3-4-2 образуют непрерывный рабочий цикл всего двигателя. Наличие маховика 16 сглаживает незначительные перепады величин крутящих моментов цилиндров двигателя.

Согласно предварительным расчетам и эскизной проработке предлагаемое конструктивное решение заявляемого двигателя внутреннего сгорания по сравнению с прототипом позволит увеличить долговечность двигателя в 1,5-2 раза, а также повысить механический КПД на 2-3%, и значительно упростить конструкцию двигателя и повысить его технологичность.

Формула изобретения

Двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров, механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коренного вала, состоящий из поршней, размещенных в цилиндрах, кинематически связанных шатунами через зубчатую передачу попеременного внутреннего зацепления с коренным валом двигателя, а также механизм газораспределения, системы питания, смазки и охлаждения, причем между каждой парой противоположных цилиндров расположено овальное колесо зубчатой передачи, внутренние поверхности, соответствующие продольной оси которого, зубчатые, при этом одна зубчатая поверхность соответствует прямому ходу, например, левого поршня, и обратному ходу правого поршня, другая зубчатая поверхность соответствует прямому ходу правого поршня и обратному ходу левого поршня, а поверхности, соответствующие поперечным осям колеса, выполнены гладкими, и в рабочем цикле соответствуют фазе смены направления движения поршней, колесо зубчатой передачи с обоих сторон продольной оси шарнирно соединено с шатунами поршней двух противоположно расположенных цилиндров, вал установлен в подшипниках качения, расположенных на опорах блока цилиндров, отличающийся тем, что зубчатая передача попеременного внутреннего зацепления содержит полушестерню, одна половина которой зубчатая, попеременно взаимодействующая с зубчатыми поверхностями колеса, другая половина гладкая, диаметром не более диаметра впадин полушестерни, свободно вращающуюся относительно перемещающихся зубчатых поверхностей колеса, при этом крайний участок зубчатой поверхности полушестерни, выходящей из зацепления, заканчивается впадиной, переходящей в гладкий участок полушестерни, диаметром не более диаметра впадин, крайний участок зубчатой поверхности колеса заканчивается зубом, вершина которого переходит в гладкий участок, соответствующий смене направления движения колеса, диаметром не менее гладкого участка полушестерни, а зубчатый участок полушестерни, входящей в зацепление, выполнен по касательной к гладкой поверхности полушестерни и вершине последнего зуба в зацеплении с колесом, крайний участок зубчатой поверхности которого выполнен радиусом не менее радиуса вершин зубьев полушестерни, при этом на гладких поверхностях колеса имеются упоры, например, в виде свободно вращающегося ролика, взаимодействующего в переходном периоде с кулачком, выполненным в пазу гладкой поверхности полушестерни, профилем, соответствующим закону движения колеса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4