Двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания и поршневых машинах. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит цилиндры с корпусом, в котором размещен составной вал, включающий рабочий коленвал и расположенные на противолежащих его сторонах эксцентрические втулки с эксцентрическими шейками, которые смещены от оси на 1/4 хода поршня и вращаются с коленвалом в разные стороны. При этом эксцентрические втулки с эксцентрическими шейками имеют шестерни с диаметром, равным 1/2 хода поршня, зацепленные с закрепленными в корпусе коронными шестернями, имеющими диаметр, равный ходу поршня, а штоки поршней жестко связаны с поршнями и сочленены с эксцентрическими втулками. Согласно изобретению коленвал выполнен цельным и имеет две противолежащие шейки, смещенные в разные стороны от оси на 1/4 хода поршня, а эксцентрические втулки с эксцентрическими шейками установлены на шейках коленвала через подшипники. При этом шестерни эксцентрических шеек жестко закреплены с двух сторон от эксцентрической втулки. 3 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала, в частности к четырехтактным двигателям.

Известен двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом (см. а. с. СССР 118471, МПК F 01 B 9/02, опуб. 1974), в котором механизм содержит шток, жестко соединенный с поршнями, коленчатый вал, концевые шейки которого могут двигаться по кругу с радиусом, равным 1/4 хода поршней, кривошипы с центральными выводными валами и соединенный вал с шестернями наружного зацепления, фиксирующими относительное положение кривошипов друг относительно друга.

Кроме того, известен двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом (см. а.с. СССР 1036945, МПК F 02 B 75/32, опуб. 1983), содержащий поршень с цилиндром, картер, в котором размещен составной вал, выполненный из двух половин и кривошипа, соединяющего половины и закрепленного в них на подшипниках на радиусе 1/4 хода поршня от оси вала, и шток, жестко связанный с поршнем и сочлененный через подшипник с кривошипом, причем кривошипная головка штока размещена в неподвижной направляющей с возможностью скольжения по ней, направляющая выполнена в виде вставки с пазом для головки штока, а картер снабжен сквозным окном для размещения в нем вставки, а рабочие поверхности паза снабжены накладками из антифрикционного материала.

Из всей совокупности известных технических решений наиболее близким по совокупности признаков и значимости прототипом является двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом (см. патент WO 92/17694, МПК F 02 B 75/32, МПК F 16/H 21/30, опуб. 15.10.1992), в котором от рабочего вала попарно с разных сторон расположены цилиндры с поршнями, эти поршни попарно жестко связаны между собой штоками, сочлененными через подшипники с шейками коленчатого вала, коленвал имеет две шейки, расположенные по одной оси. Находящиеся в разных концах коленвала шейки смещены на 1/4 хода поршня от оси вращения коленвала и выступают с разных сторон за пределы рабочего вала, где они сочленены через подшипники со штоками. Во вращающейся шейке коленвала имеется шестерня с диаметром 1/2 хода поршня, которая связана с коронной шестерней с диаметром, равным ходу поршня, а коленвал закреплен через подшипники со смещением на 1/4 хода поршня в рабочем валу.

Недостатком аналогов и прототипа является то, что рабочий вал состоит из двух частей и ориентируется между собой за счет объединительного вала или пазов с накладками, которые недостаточно жестко ориентируют части рабочего вала, что приводит к повышенным вибрациям частей механизма и вызывает повышенный их износ.

Технической задачей изобретения является снижение габаритных размеров при увеличении индикаторной мощности с улучшением жесткости механизма, увеличение ресурса работы двигателя и его КПД.

Поставленная цель достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, содержащем цилиндры с корпусом, в котором размещен составной вал, включающий рабочий коленвал и расположенные на противолежащих его сторонах эксцентрические втулки с эксцентрическими шейками, которые смещены от оси на 1/4 хода поршня и вращаются с коленвалом в разные стороны, при этом эксцентрические втулки с эксцентрическими шейками имеют шестерни с диаметром, равным 1/2 хода поршня, зацепленные с закрепленными в корпусе коронными шестернями, имеющими диаметр, равный ходу поршня, а штоки поршней жестко связаны с поршнями и сочленены с эксцентрическими втулками, согласно изобретению коленвал выполнен цельным и имеет две противолежащие шейки, смещенные в разные стороны от оси на 1/4 хода поршня, эксцентрические втулки с эксцентрическими шейками установлены на шейках коленвала через подшипники, при этом шестерни эксцентрических шеек жестко закреплены с двух сторон от эксцентрической втулки.

Поставленная цель достигается также тем, что между штоками на рабочем коленвалу может быть участок с зубчатым венцом наружного зацепления для отбора мощности.

Поставленная цель достигается также тем, что часть венца на рабочем коленвалу может иметь зацепление с шестерней, имеющей выступающие кольца с управляющими кулачками газораспределения двигателя.

Поставленная цель достигается также тем, что в планетарном механизме привода шестерни с кулачками газораспределения могут иметься выходные валы с подшипниками для приводов масляного насоса, насоса охлаждающей жидкости, генератора, компрессора кондиционера.

Применение двух коронных и двух планетарных шестерен на каждом штоке с поршнями уменьшит скручивающие нагрузки, позволит равномерно распределить их на шестерни и шейки коленвала. Использование двух поршней на одном штоке противодействуют вращательному моменту от трения скольжения подшипника штока. Возможно изготовление коленвала цельным, тогда эксцентрическая втулка изготавливается разъемной.

Газораспределительная коронная шестерня может иметь в зацеплении до четырех паразитных шестерен привода, которые имеют выходные валы для приводов собственных нужд двигателя; генератор, масляный насос, насос охлаждающей жидкости, привод лебедки, кондиционера и другие. У валов на выходе обороты в два раза больше, чем у двигателя, что дает преимущество за счет повышения производительности. Уменьшаются габаритные размеры и металлоемкость приводных механизмов и узлов. Есть возможность установки муфты сцепления с наружным зацеплением.

Коленвал вращается в одну сторону, а газораспределительная коронная шестерня в другую. Это дает инерционный баланс, особенно в моменты резкого изменения мощности или оборотов двигателя.

Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен продольный разрез двигателя внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - разрез В-В на фиг.2, на уровне выходного вала отбора мощности; на фиг.5 - газораспределительная коронная шестерня; на фиг.6 - газораспределительная коронная шестерня, разрез Г-Г на фиг.5; на фиг.7 - кинематическая схема двигателя; на фиг.8 - кинематическая схема двигателя, разрез Д-Д на фиг.7; на фиг.9 - кинематическая схема двигателя, разрез Е-Е на фиг.7, на уровне вала отбора мощности;
на фиг. 10 - цикл поэтапного движения бесшатунного механизма двигателя внутреннего сгорания;
на фиг. 11 - диаграмма газораспределения за один оборот вала двигателя без углов опережения.

Двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом содержит цилиндры 1, которые закреплены в корпусе 3 двигателя, расположены противоположно друг другу с разных сторон коленвала 2 и противоположно со сдвигом относительно главной оси вращения. В корпусе размещен коленвал 2 на подшипниках с шейками, расположенными в разных концах и напротив друг друга относительно главной оси вращения со смещением на 1/4 хода поршня, совпадающими с разными парами цилиндров. Шейки расположены противоположно. В шейках коленвала установлены эксцентрические втулки 4 через подшипники. Шейки коленвала и шейки эксцентрической втулки имеют смещение от центра оси на 1/4 хода поршня. У эксцентрической втулки 4 имеются шестерни 5 с диаметром 1/2 хода поршня, закрепленные жестко с двух сторон от шейки эксцентрической втулки и зацепленные с коронными шестернями 6 с диаметром, равным ходу поршня, которые закреплены в корпусе 3 по главной оси вращения коленвала.

Шток 7 жестко связывает между собой два поршня 8 в противоположно расположенных цилиндрах. В середине шток связан через подшипник 9 с шейкой эксцентрической втулки 4, имеющей диаметр, больший, чем диаметр цилиндра, поэтому в корпусе 3 имеются специальные пазы 10. В двигателе для отбора мощности от коленвала 2 используется середина коленвала: через зубчатую передачу на коленвале, шестерню отбора мощности 11, вал выхода 12 - на коробку переключения передач или другую нагрузку.

Имеется газораспределительная коронная шестерня 13, которая имеет четыре газораспределительных кольца с кулачками 14 с технологически разделительными проточками и пятую вставную шестерню 15 наружного зацепления для привода двигателя от стартера. Газораспределительная коронная шестерня 13 с зубьями внутреннего зацепления 16 через шестерню 17 связана с шестерней 18, жестко закрепленной с коленвалом 2. Газораспределительная коронная шестерня 13 закреплена в корпусе через подшипники и вращается в обратном направлении, с передаточным отношением 1/2 с уменьшением от коленвала 2. Вставная шестерня 18 находится в зацеплении с шестерней 17. На валу установлена также цельная шестерня 19 для отбора мощности.

Шестерни 17 передают вращение газораспределительной коронной шестерне 13 от коленвала 2. Имеются выходы для привода от каждой шестерни 17 через валы 20 с увеличением передаточного отношения 2/1 по отношению к коленвалу и изменением направления вращения.

Устройство работает следующим образом. С целью увеличения ресурса работы и КПД, уменьшения габаритных размеров, снижения вибраций и износа возвратно-поступательное движение поршней 8 преобразуется во вращательное движение коленвала 2. Шестерни 5 входят в зацепление с коронными шестернями 6 с диаметром, равным ходу поршня, установлены симметрично оси коленвала 2 и закреплены в корпусе жестко, неподвижно. Они задают определенные условия для осуществления работы бесшатунного механизма.

Как показано на фиг.3 и 10, коленвал вращается против часовой стрелки, а эксцентрическая втулка 4 по часовой за счет планетарной шестерни 5 и коронной шестерни 6.

Эксцентрическая втулка 4 с помощью шестерни 5 вращается как водило со смещением оси на 1/4 хода поршня.

Таким образом, за счет вращения коленвала 2 и эксцентрической втулки 4 в разные стороны они складываются до середины хода поршня I-II.

Потом раскладываются до другого края хода поршня II-III.

И обратно складываются, прокрутившись вокруг оси коленвала 2 также до середины III-IV.

Потом раскладываются до другого края, и так каждый шток 7 движется возвратно-поступательно IV-I.

Таким образом, эксцентрическая втулка 4 совершает в обратном направлении круговое движение со смещением оси на 1/4 хода поршня, а коленвал 2 крутится в другом направлении вокруг основной оси с шейками со смещением оси на 1/4 хода поршня.

Газораспределительная коронная шестерня 13 вращается по часовой стрелке за счет шестерен 17, которые связаны с шестерней 18, закрепленной в коленвале 2. Поэтому коленвал вращается против часовой стрелки и наоборот вращается по часовой стрелке газораспределительная коронная шестерня 13 с передаточным отношением 1/2 к коленвалу 2, как и положено распределительным валам двигателей внутреннего сгорания.

Если рассмотреть газораспределение четырехпоршневого двигателя с противолежащими цилиндрами по краям коленвала, напротив шеек с порядком работы поршней или камер расширения, I; II; III; IV, которые расположены как бы по кругу (фиг. 7), то достаточно четырех газораспределительных колец с кулачками 14 с разделительными технологическими проточками для полного газораспределения в клапанных механизмах (см. диаграмму газораспределения фиг.11). За счет противоположности рабочих камер в двигателе одно кольцо с кулачком выполняет функции сразу для двух выхлопных клапанов противолежащих камер расширения двигателя или для двух всасывающих клапанов противолежащих камер расширения.

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, содержащий цилиндры с корпусом, в котором размещен составной вал, включающий рабочий коленвал и расположенные на противолежащих его сторонах эксцентрические втулки с эксцентрическими шейками, которые смещены от оси на ¹/₄ хода поршня и вращаются с коленвалом в разные стороны, при этом эксцентрические втулки с эксцентрическими шейками имеют шестерни с диаметром, равным ¹/₂ хода поршня, зацепленные с закрепленными в корпусе коронными шестернями, имеющими диаметр, равный ходу поршня, а штоки поршней жестко связаны с поршнями и сочленены с эксцентрическими втулками, отличающийся тем, что коленвал выполнен цельным и имеет две противолежащие шейки, смещенные в разные стороны от оси на ¹/₄ хода поршня, эксцентрические втулки с эксцентрическими шейками установлены на шейках коленвала через подшипники, при этом шестерни эксцентрических шеек жестко закреплены с двух сторон от эксцентрической втулки.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что между штоками на рабочем коленвале имеется участок с зубчатым венцом наружного зацепления для отбора мощности.

3. Двигатель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что часть венца на рабочем коленвале имеет зацепление с шестерней, имеющей выступающие кольца с управляющими кулачками газораспределения двигателя.

4. Двигатель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в планетарном механизме привода шестерни с кулачками газораспределения имеются выходные валы с подшипниками для приводов масляного насоса, насоса охлаждающей жидкости, генератора, компрессора кондиционера.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11