Двигатель внутреннего сгорания

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания. Технический результат заключается в повышении надежности и долговечности работы двигателя, упрощении его конструкции и повышении технологичности изготовления. Согласно изобретению механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала в двигателе выполнен в виде зубчатой передачи попеременного внутреннего зацепления. Указанная зубчатая передача состоит из ведомой полушестерни, закрепленной на валу, и колеса зубчатой передачи, выполненного в виде овала и соединенного с поршнем. Поверхности овального колеса, соответствующие большой оси овала, выполнены зубчатыми прямолинейными, попеременно взаимодействующими с шестерней, а поверхности, соответствующие малым осям овала, выполнены гладкими, радиусом не более радиуса зубьев шестерни, и в рабочем цикле соответствуют фазе смены направления движения поршней. Параллельно ведомой полу шестерне на валу установлен кулачок, выполненный также в виде полушестерни, попеременно взаимодействующий во время рабочего цикла с упорами, рабочие поверхности которых выполнены зубчатыми с исходным контуром, одинаковым с полушестерней. Зубчатая поверхность кулачка выполнена одинаковой с зубчатой поверхностью ведомой полушестерни, упорами для кулачка являются зубчатые поверхности колеса, находящиеся попеременно в зацеплении с полушестерней и кулачком. Размер зубчатых поверхностей полушестерни и кулачка в перпендикулярной движению колеса плоскости не более внутреннего размера вершин зубьев колеса. При этом движущаяся возвратно-поступательная группа имеет амортизирующее устройство, элементы которого взаимодействуют при приближении группы к ВМТ и НМТ. А система свободновращающийся кулачок и овальное зубчатое колесо имеет устройство, тормозящее и поворачивающее кулачок при обратном движении колеса на угол, достаточный для надежного ввода в зацепление зубчатой поверхности колеса с кулачком в переходном периоде движения колеса. 4 з.п. ф-лы, 7 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.

Известны автомобильные двигатели внутреннего сгорания: поршневые, многоцилиндровые, рядные и V-образные, карбюраторные или дизельные, двухтактные или 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, кл. F 01 B 9/06, Реферативный информационный сборник "Изобретения в СССР и за рубежом", 1984 г., патент РФ № 2109152, кл. F 02 B 75/32; патент РФ № 2217613, кл. F 02 B 75/32).

Недостаток известных по аналогу двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что в механизме преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала нижняя головка шатуна совершает колебательные радиальные движения, создавая тем самым радиальную составляющую сил в цилиндропоршневой группе, что ведет к повышенному ее износу.

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 колесо зубчатой передачи расположено в нижней головке шатуна и выполнено в виде овала, боковые зубчатые поверхности которого попеременно взаимодействуют с шестерней, при этом одна зубчатая боковая поверхность овала соответствует прямому ходу поршня, другая - его обратному ходу, а верхняя и нижняя поверхности гладкие и в рабочем цикле соответствуют фазам смены направления движения поршня. Шестерня расположена внутри овального колеса и установлена на прямом валу, установленном в подшипниках качения, размещенных в опорах блока цилиндров. На участке зубчатой передачи имеется кулачок, установленный вращающимся на валу и выполненный в виде полушестерни, попеременно взаимодействующей с соответствующими упорами, установленными параллельно зубчатым поверхностям колеса. Также имеется механизм газораспределения, системы питания, смазки и охлаждения (см. патент РФ № 2131528, кл. F 02 В 75/32, от 1997 г.).

Недостатком указанного двигателя является наличие шатуна в кинематической связи поршень-приводной вал двигателя, нижняя головка которого, в переходном периоде движения поршней, совершает колебательные движения амплитудой колебания min на высоту зуба, тем самым увеличивая радиальную составляющую сил в цилиндропоршневой группе, что ведет дополнительно к износу юбки поршня, иногда к сколам юбки и эллипсному износу цилиндра, а параллельно установленные упоры для кулачка на зубчатых поверхностях колеса усложняют двигатель конструктивно и технологически. Все это уменьшает надежность и долговечность двигателя, уменьшает его механический КПД, усложняет технологию и увеличивает трудозатраты при изготовлении.

Целью настоящего изобретения является повышение надежности и долговечности работы двигателя за счет исключения радиальной составляющей сил в цилиндропоршневой группе при работе двигателя, упрощение конструкции, повышение технологичности и уменьшение трудозатрат при изготовлении двигателя.

Для достижения обеспечиваемого заявленным изобретением технического результата в известном двигателе внутреннего сгорания, содержащем блок цилиндров, механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коренного вала, состоящий из поршней, размещенных в цилиндрах, кинематически связанных с шатунами, через зубчатую передачу попеременного внутреннего зацепления, с коренным валом двигателя, а также механизм газораспределения, системы питания, смазки и охлаждения, причем в нижней головке шатуна каждой цилиндропоршневой группы расположено колесо зубчатой передачи, а ведомая шестерня закреплена на прямом валу, вал установлен в подшипниках качения, расположенных в опорах блока цилиндров, контур колеса выполнен в виде овала, зубчатые поверхности которого, соответствующие большой оси овала, выполнены прямолинейными, попеременно взаимодействующими с ведомой шестерней, одна зубчатая поверхность овала соответствует прямому ходу поршня, другая - его обратному ходу, а поверхности овала, соответствующие малым его осям, выполнены гладкими, радиусом не более радиуса зубьев шестерни, и в рабочем цикле соответствуют фазе смены направления движения поршней, совместно с шестерней на валу, на подшипнике, установлен свободновращающийся кулачек, выполненный в виде полушестерни, половина поверхности кулачка зубчатая с длиной дуги по делительному диаметру, равной ходу поршня, другая половина поверхности кулачка гладкая, диаметром менее диметра впадин полушестерни минимум на высоту зуба шестерни, кулачек выполнен попеременно взаимодействующим во время рабочего цикла с упорами, рабочие поверхности которых выполнены зубчатыми с исходным контуром, одинаковым с полушестерней, установлены упоры параллельно зубчатым поверхностям овального колеса, а ведомая шестерня выполнена в виде полушестерни, зубчатая же поверхность свободновращающегося кулачка выполнена одинаковой с зубчатой поверхностью указанной полушестерни, упорами для кулачка являются зубчатые поверхности колеса, находящиеся попеременно в зацеплении одна с зубчатой поверхностью полушестерни, другая с зубчатой поверхностью кулачка, при этом в положении элементов зубчатой передачи в верхней или нижней мертвых точках (ВМТ или НМТ) зубчатые поверхности полушестерни и кулачка выполнены со стороны, входящей в зацепление по касательной к гладкой поверхности полушестерни и кулачка, параллельной зубчатой поверхности колеса, а со стороны, выходящей из зацепления, выполнены заканчивающимися крайним зубом, вышедшим из зацепления, при этом размер полушестерни и кулачка между касательной и вершиной крайнего зуба, в перпендикулярной движению колеса плоскости, не более внутреннего размера вершины зубьев колеса, при этом движущаяся возвратно-поступательная группа имеет амортизирующее устройство, элементы которого взаимодействуют при приближении группы к ВМТ или НМТ, а система свободновращающийся кулачек и колесо имеет устройство, тормозящее и поворачивающее кулачок, при обратном движении колеса, на угол, достаточный для ввода в зацепление зубчатой поверхности кулачка с колесом при встречном вращении вала и ведомой полушестерни. Амортизирующее устройство выполнено в виде упора, установленного на колесе, взаимодействующего при приближении колеса к ВМТ или НМТ с амортизаторами, выполненными, например, в виде плоских ленточных пружин, установленных на картере блока цилиндров. Или амортизирующее устройство выполнено в виде гумированных роликов, установленных на боковых поверхностях гладких участков колеса, взаимодействующих при приближении колеса к ВМТ или НМТ с вогнутым кулачком, выполненным на боковых поверхностях гладкого участка полушестерни. А устройство системы колеса и кулачок состоит из магнитов, установленных на гладких поверхностях колеса, взаимодействующих в переходном периоде движения колеса с магнитопритягивающейся пластиной, установленной на гладкой поверхности кулачка, изготовленного из немагнитного материала. Или в устройстве системы колесо и кулачок, например, один или несколько крайних зубьев зубчатой поверхности кулачка, входящей в зацепление, выполнены подпружиненными в виде храпового механизма.

Все это обеспечивает достижение поставленной цели изобретения.

Благодаря тому, что ведомая шестерня выполнена в виде полушестерни, а зубчатые поверхности полушестерни и кулачка одинаковы, находящиеся попеременно в зацеплении с зубчатыми поверхностями колеса, являющимися одновременно упорами для кулачка, колесо движется прямолинейно возвратно-поступательно, без колебательных движений, радиальных сил в цилиндропоршневой группе нет, а наличие у возвратно-поступательно движущихся групп амортизирующих устройств смягчают ударные нагрузки в зубчатом зацеплении в переходном периоде движения колеса, при этом устройство, тормозящее и поворачивающее кулачек на угол, достаточный для ввода в зацепление колеса с кулачком в переходном периоде движения колеса, при встречном вращении коренного вала, надежнее введет кулачек в зацепление с противоположной зубчатой поверхностью колеса.

А возможная установка упора на колесе и амортизаторов на блоке цилиндров, смягчит удар колеса о ведущую полушестерню и придаст обратный импульс движения в переходный период движения колеса, или установка вогнутого кулачка на полушестерне и гумированных роликов на колесе также смягчает удар в переходном периоде и придает колесу импульс обратного движения согласно закону движения зубчатой поверхности полушестерни.

Выполнение магнитов на колесе и взаимодействующих с ними пластин на кулачке позволяет поворачивать кулачок при переходе мертвых точек колесом и вводить в зацепление зубчатые поверхности кулачка при противоположном вращении коренного вала.

Выполнение же крайних зубьев зубчатой поверхности кулачка подпружиненными, в виде храпового механизма, позволяет при встречном движении зубчатых поверхностей колеса и кулачка более надежно ввести в зацепление указанные поверхности при последующем обратном движении колеса.

Все это позволяет повысить надежность и долговечность двигателя, его КПД, а также упростит конструкцию и уменьшит технологические трудозатраты.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично изображен продольный разрез заявляемого двигателя внутреннего сгорания; на фиг.2 - поперечный разрез указанного двигателя; на фиг.3 представлено сечение по А-А коренного вала с элементами зубчатой передачи; на фиг.4 изображено сечение по Б-Б (вариант I), элементы передачи находятся в ВМТ; на фиг.5 изображено сечение по В-В, кулачек и колесо находятся в ВМТ; на фиг.6 изображено сечение по Г-Г (вариант II) исполнения с вогнутым кулачком и гумированными роликами; на фиг.7 изображено сечение Д-Д (вариант II) указанных элементов в перпендикулярной плоскости.

Заявляемый двигатель внутреннего сгорания содержит блок цилиндров 1 с рядным расположением цилиндров, внутри которых находятся поршни 2, соединенные с овальным зубчатым колесом 3, механизма преобразования движения поршневой группы, представляющего собой зубчатую передачу попеременного внутреннего зацепления, состоящую из овального колеса 3, зубчатые боковые поверхности которого находятся в зацеплении попеременно с ведомой полушестерней 4 и свободновращающимся кулачком 5. При этом ведомая полушестерня 4 неподвижно установлена на валу 6, а кулачек 5 установлен вращающимся на валу 6. Вал 6 установлен в картере блока цилиндров 1 на подшипниках качения 7. Для уменьшения ударных нагрузок в переходный период движения колеса имеется амортизирующее устройство, состоящее, вариант I, из упора 8, выполненного на колесе 3, и амортизаторов нижних 9 и верхних 10, выполненных, например, в виде плоских ленточных пружин, закрепленных на стенках картера блока цилиндров 1, или вариант II, выполненного в виде вогнутого кулачка 11, установленного на боковых поверхностях ведомой полушестерни 4, взаимодействующего в переходном периоде с упорами, выполненными в виде гумированных роликов 12, установленных на боковых поверхностях колеса 3. При этом размер глубины вогнутости кулачка 11 Δ1 не менее размера Δ1 гарантированного ввода в зацепление колеса 3 и полушестерни 4. Устройство торможения и ввода в зацепление кулачка 5 с противоположной зубчатой поверхностью колеса 3 состоит, вариант I, из магнитов 13, установленных на гладких поверхностях колеса 3, в плоскости зацепления кулачка 5, взаимодействующих в переходном периоде движения колеса 3 с магнитопритягивающейся пластиной 14, например стальной, имеющейся на гладкой поверхности кулачка 5, выполненного из немагнитного материала, например бронзы. Размер L пластины 14 и магнита 13 зависит от угла α поворота кулачка 5, достаточного для надежного зацепления зубчатых поверхностей колеса 3 и кулачка 5. Вариант II устройства: для ввода в зацепление колеса 3 и кулачка 5 в переходном периоде движения колеса 3 выполнено с одним или несколькими зубьями зубчатой поверхности кулачка 5, входящей в зацепление, подпружиненными, в виде храпового механизма. При этом размеры diш ведомой полушестерни 4 и кулачка 5 между касательной входящей в зацепление и вершиной крайнего зуба выходящего из зацепления не более размера dek, внутреннего размера вершин зубьев колеса 3. Кроме того, двигатель имеет маховик 15, головку блока цилиндров 1, механизм газораспределения с распределительным валом, клапанами впускными и выпускными, 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 верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней (НМТ) с усилением Р, совершая такт "рабочий ход". Совместно с поршнем 2 перемещается соединенное с ним колеса 3 зубчатой передачи, которое одной из зубчатых поверхностей вращает полушестерню 4 и вал 6, другой зубчатой поверхностью вращает кулачек 5 в противоположном полушестерне 4 и валу 6 направлении, уравновешивая при этом радиальные силы зубчатого зацепления ведомой полушестерни 4. Вращение вала 6 с ведомой полушестерней 4 в переходном периоде движения поршневой группы и переход через ВМТ и НМТ осуществляется инерционными силами маховика 15. При приближении колеса 3 к ВМТ и НМТ упор колеса 3, взаимодействуя с амортизаторами 9 или 10, смягчает ударные нагрузки, затем при достижении колесом 3 ВМТ или НМТ, амортизаторы 9 или 10 придают колесу 3 импульс обратного направления движения, вводя при этом в зацепление вращающуюся полушестерню 4 с другой зубчатой поверхностью колеса 3. При выполнении амортизирующего устройства по варианту II (с вогнутым кулачком), при приближении колеса 3 к ВМТ или НМТ упор 12 действует на одну из сторон вогнутого кулачка 11, вращающегося вместе с полушестерней 4, и усиливает крутящий момент в зубчатом зацеплении. Затем, при достижении колесом 3 ВМТ или НМТ, другая сторона вогнутого кулачка 11 воздействует на упор 12 и придает импульс обратного движения колесу 3, вводя в зацепление другую зубчатую поверхность колеса 3 с полу шестерней 4. В переходном периоде движения колеса 3, при подходе последнего к ВМТ или НМТ, крайний зуб зубчатой поверхности кулачка 5 вращает его в противоположном валу 6 и ведомой полушестерни 4 направлении. В ВМТ или НМТ крайний зуб зубчатой поверхности кулачка 5 выходит из зацепления, а магнит 13 на колесе 3 и пластина на кулачке 5 находятся в замкнутом состоянии с наибольшей силой притяжения. При обратном движении колеса 3 магнит 13 пластиной 14 поворачивает кулачек 5 на угол α, достаточный для зацепления зубчатых поверхностей колеса 3 и кулачка 5. При дальнейшем движении колеса 3 магнитная цепь размыкается. При варианте исполнения крайних зубьев кулачка 5 подпружиненными по достижении колесом 3 ВМТ или НМТ последний зуб зубчатой поверхности кулачка 5 выходит из зацепления с одной зубчатой поверхностью колеса 5 и, преодолевая упругие силы крайних подпружиненных зубьев кулачка 5, вводит в зацепление другую противоположную зубчатую поверхность колеса 3. При многоцилиндровом исполнении двигателя вал 6, продолжая вращение, полушестернями 4 соответствующих цилиндров при соответствующей работе системы газораспределения произведет чередование тактов и порядок работы 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 3-5%, а также уменьшить себестоимость изготовления двигателя на 10-15%.

1. 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 в нижней головке шатуна каждой цилиндро-поршневой группы расположено колесо зубчатой передачи, а ведомая шестерня закреплена на прямом валу, вал установлен в подшипниках качения, расположенных в опорах блока цилиндров, контур колеса выполнен в виде овала, зубчатые поверхности которого, соответствующие большой оси овала, выполнены прямолинейными, попеременно взаимодействующими с ведомой шестерней, одна зубчатая поверхность овала соответствует прямому ходу поршня, другая - его обратному ходу, а поверхности овала, соответствующие малым его осям, выполнены гладкими радиусом не более радиуса зубьев шестерни и в рабочем цикле соответствуют фазе смены направления движения поршней, совместно с шестерней на валу на подшипнике установлен свободновращающийся кулачок, выполненный в виде полушестерни, половина поверхности кулачка зубчатая с длиной дуги по делительному диаметру, равной ходу поршня, другая половина поверхности кулачка гладкая диметром менее диаметра впадин полушестерни минимум на высоту зуба шестерни, кулачок выполнен попеременно взаимодействующим во время рабочего цикла с упорами, рабочие поверхности которых выполнены зубчатыми, исходным контуром одинаковым с полушестерней, установлены упоры параллельно зубчатым поверхностям овального колеса, отличающийся тем, что ведомая шестерня выполнена в виде полушестерни, зубчатая поверхность свободновращающегося кулачка выполнена одинаковой с зубчатой поверхностью указанной полушестерни, упорами для кулачка являются зубчатые поверхности колеса, находящиеся попеременно в зацеплении одна с зубчатой поверхностью полушестерни, другая с зубчатой поверхностью кулачка, при этом в положении элементов зубчатой передачи в верхней или нижней мертвых точках (ВМТ или НМТ) зубчатые поверхности полушестерни и кулачка выполнены со стороны, входящей в зацепление, по касательной к гладкой поверхности полушестерни и кулачка, параллельной зубчатой поверхности колеса, а со стороны, выходящей из зацепления, выполнены заканчивающимися крайним зубом, вышедшим из зацепления, при этом размер полушестерни и кулачка между касательной и вершиной крайнего зуба в перпендикулярной движению колеса плоскости не более внутреннего размера вершин зубьев колеса, при этом движущаяся возвратно-поступательно группа имеет амортизирующее устройство, элементы которого взаимодействуют при приближении группы к ВМТ или НМТ, а система свободновращающийся кулачок и колесо имеет устройство, тормозящее и поворачивающее кулачок при обратном движении колеса на угол, достаточный для надежного ввода в зацепление зубчатой поверхности колеса с кулачком при встречном вращении вала и ведомой полушестерни.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что амортизирующее устройство выполнено в виде упора, установленного на колесе, взаимодействующего при приближении колеса к ВМТ или НМТ с амортизаторами, выполненными, например, в виде плоских ленточных пружин, установленных на картере блока цилиндров.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что амортизирующее устройство выполнено в виде гумированных роликов, установленных на боковых поверхностях гладких участков колеса, взаимодействующих при приближении колеса к ВМТ или НМТ с вогнутым кулачком, выполненным на боковых поверхностях гладкого участка полушестерни.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что устройство системы колесо и кулачок состоит из магнитов, установленных на гладких поверхностях колеса, взаимодействующих в переходном периоде движения колеса с магнитопритягивающейся пластиной, установленной на гладкой поверхности кулачка, изготовленного из немагнитного материала.

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в устройстве системы колесо и кулачок, например, один или несколько крайних зубьев зубчатой поверхности кулачка, входящей в зацепление, выполнены подпружиненными в виде храпового механизма.