Поршневой, бесшатунный двигатель внутреннего сгорания (варианты)

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению. Техническим результатом является повышение экономичности и ресурса двигателя за счет уменьшения трения поршней о стенки цилиндра. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит коленвал с радиусом кривошипа, равным четверти хода поршня, размещенный на кривошипе эксцентрик с эксцентриситетом, равным четверти хода поршня, и ползун, надетый на эксцентрик и опирающийся на боковые поверхности картера. Ползун соединен с поршнем при помощи штока. Для прохождения «мертвых» точек механизм оснащен фиксаторами в виде подпружиненных роликов, которые позволяют вращаться коленвалу только в одну сторону, а эксцентрику - в противоположную. Например, на эксцентрике устанавливается упор в виде эвольвентного зуба или цилиндрического штифта, а на картере выполняются ответные впадины. 3 н.п. ф-лы, 13 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано на транспортных средствах: мотоциклах, автомобилях, речных судах, летательных аппаратах, а также в качестве привода стационарных энергетических установок.

Аналогом предлагаемому двигателю являются бесшатунные двигатели Баландина (Баландин С.С. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания, 1972).

В бесшатунных двигателях Баландина в несколько раз снижаются потери на трение, значительно увеличивается КПД, повышается надежность и создаются условия для увеличения ресурса двигателей за счет снижения трения поршней о цилиндры вследствие применения бесшатунного механизма преобразования движения.

Механический КПД опытных бесшатунных моторов Баландина равен 94% против 75…85% двигателей с кривошипно-шатунными механизмами.

Прототипом является двигатель внутреннего сгорания Баландина, выполненный по схеме со спаренным эксцентриком (То же, стр.14. Рис. 11в).

Коленчатый вал этого двигателя аналогичен коленчатому валу кривошипно-шатунного двигателя, но имеет в два раза меньший радиус кривошипа. На шатунной шейке коленвала установлен спаренный эксцентрик. На эксцентрики устанавливаются ползуны, которые через штоки соединены с поршнями. Ползуны относительно друг друга расположены под углом 90°, поэтому двигатель может быть выполнен по Х и V-образным схемам.

Этот двигатель имеет недостатки. Так как эксцентрик спаренный, то двигатель невозможно выполнить рядным, расположить цилиндры в одной плоскости, что для автомобилестроения немаловажно. На коленвале невозможно выполнить среднюю опору между цилиндрами из-за спаренного эксцентрика, поэтому двигатель имеет небольшой ресурс. Двигатель сложен в изготовлении.

Изобретение направлено на устранение перечисленных недостатков.

Техническим результатом для всех трех вариантов является повышение экономичности и ресурса двигателя за счет уменьшения трения поршней о стенки цилиндра. Сущность изобретения заключается в том, что каждый цилиндр двигателя оснащен своим эксцентриком, расположенным на кривошипе коленвала, а также оснащен фиксаторами для прохождения средних «мертвых» точек. Для недопустимости обратного вращения коленвала на его коренной шейке также установлен фиксатор. Как вариант, для прохождения «мертвых» точек на эксцентрике устанавливается упор в форме эвольвентного зуба или в форме штифта, а в картере выполнены ответные впадины. Сущность изобретения поясняется при помощи чертежей.

На фиг.1 показан описываемый бесшатунный двигатель;

на фиг.2 - то же, разрез по А-А фиг.1;

на фиг.3 - то же, при положении поршня в средней правой «мертвой» точке;

на фиг.4 - то же, при положении поршня в средней левой «мертвой» точке;

на фиг.5 - то же, момент прохождения поршнем средней правой «мертвой» точки по инерции;

на фиг.6 - двигатель, разрез по Б-Б фиг.1;

на фиг.7 показаны силы, действующие при пуске двигателя в момент прохождения поршнем средней правой «мертвой» точки;

на фиг.8 показаны силы, действующие при пуске двигателя в момент прохождения поршнем средней левой «мертвой» точки;

на фиг.9 показано прохождение средней «мертвой» точки эксцентриком с упором в форме эвольвентного зуба;

на фиг.10 показано взаимное расположение зубьев и впадин:

- а - 15° до средней «мертвой» точки;

- 6 - 30° после средней «мертвой» точки;

на фиг.11 - показан пример выполнения упора эксцентрика в форме штифта;

Фиг.12 - поршень с ползуном и штоком, выполненные одной деталью;

Фиг.13 - четырехцилиндровый поршневой, бесшатунный двигатель.

Двигатель состоит из картера 1 (см. Фиг.1 и 2), в котором находится механизм преобразования движения, состоящий из коленвала 2, эксцентрика 3, ползуна 4, штока 5. Шток соединен с ползуном через палец 6. К картеру крепится цилиндр 7, в котором установлен поршень 8 с поршневыми кольцами 9. Поршень соединен со штоком поршневым пальцем 10. К цилиндру крепится головка цилиндра 11, на который установлена свеча зажигания 12, впускной и выпускной клапаны 13, 14. На картере выполнены направляющие поверхности 15 для ползуна. В ползуне установлены ролики 16, фиксируемые пружинами 17. На двигателе установлены система охлаждения, система смазки, система топливопитания, система пуска, механизм газораспределения, как на обычных поршневых двигателях внутреннего сгорания.

Особенностью предлагаемого двигателя является то, что он имеет четыре «мертвые» точки. Верхняя «мертвая» точка - при положении поршня в крайнем верхнем положении. Нижняя «мертвая» точка - при положении поршня в крайнем нижнем положении. Средняя-правая «мертвая» точка - при положении поршня в середине между крайними положениями, при этом кривошип коленвала повернут вправо на 90° от оси цилиндра. Средняя-левая «мертвая» точка при положении поршня в середине между крайними положениями, при этом кривошип коленвала повернут влево на 90° от оси цилиндра. Средние правая и левая «мертвые» точки показаны на Фиг.3 и 4. Прохождение «мертвых» точек работающего двигателя происходит за счет инерционных сил. На Фиг.5 показан момент прохождения средней-правой «мертвой» точки. Поршень двигается вниз, коленвал вращается вправо, эксцентрик вращается влево и проходит среднюю «мертвую» точку за счет инерционной силы 18 от поршня, ползуна, штока и эксцентрика.

Для прохождения средних «мертвых» точек неработающего двигателя, например в момент пуска двигателя, в ползуне установлены фиксаторы, которые состоят из роликов и пружин. Фиксаторы позволяют вращаться эксцентрику только в одну сторону. Для недопущения вращения коленвала в обратную сторону на картере в опоре коренной шейки коленвала установлены фиксаторы (см. Фиг.6), состоящие из роликов 19 и пружин 20.

Действие сил при прохождении средней-правой «мертвой» точки при пуске двигателя показано на Фиг.7. При пуске двигателя пусковое устройство сообщает коленвалу угловую скорость ω, при этом кривошип коленвала действует в точке А на эксцентрик с силой Р. Ролик 16 фиксирующего устройства, находящийся справа, тормозит эксцентрик 4 в точке В. Сила Р на плече L создает момент М, который вращает эксцентрик. Эксцентрик, вращаясь, двигается вниз, тянет за собой ползун, который через шток двигает поршень со скоростью v.

Действие сил при прохождении средней-левой «мертвой» точки при пуске двигателя показано на Фиг.8. При пуске двигателя пусковое устройство сообщает коленвалу угловую скорость ω, при этом кривошип коленвала действует в точке А на эксцентрик с силой Р. Ролик 16 фиксирующего устройства, находящийся слева, тормозит эксцентрик 4 в точке В. Сила Р на плече L создает момент М, который вращает эксцентрик. Эксцентрик, вращаясь, двигается вверх, тянет за собой ползун, который через шток двигает поршень со скоростью v.

Для прохождения средних «мертвых» точек в момент пуска двигателя (как вариант) на эксцентрике можно установить упор в виде зуба или штифта, а на картере сделать упор в виде выемки. Прохождение средней «мертвой» точки эксцентрика с упором, выполненным в форме зуба, показано на Фиг.9. Эвольвентный зуб 21 выполняется за одно целое с эксцентриком или изготавливается отдельной деталью и закрепляется на эксцентрике со стороны кривошипа. На картере выполнены напротив кривошипа в средней левой и правой «мертвых» точках две выемки 22 в форме впадин шестерен с внутренним зубчатым зацеплением. Д₁ - делительный диаметр для зуба. Д₂ - делительный диаметр впадин. Делительный диаметр зуба Д₁ равен половине диаметра Д₂ впадин.

На Фиг.10,а показано положение зуба эксцентрика в момент 15° до средней «мертвой» точки. На Фиг.10,б показано положение зуба эксцентрика в момент - 30° после средней мертвой точки поворота кривошипа коленвала.

На Фиг.11 упор эксцентрика выполнен в форме штифта 23, диаметр Д₁ равен половине диаметра Д₂, поэтому впадина 24 имеет форму цилиндрической галтели. При любом другом отношении диаметров Д₁ к Д₂ впадина будет иметь вид циклоиды.

Упоры в виде зубьев или штифтов можно разместить на картере, а впадины выполнить на эксцентрике.

Детали - поршень, поршневой палец, шток, палец штока, ползун - можно выполнить одной целой деталью, как у двигателей Баландина. Такая деталь показана на Фиг.12.

Работа предлагаемого двигателя не отличается от работы поршневого двигателя внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом.

Двигатель может быть двухтактным или четырехтактным, может быть бензиновым или дизельным.

Отличительной особенностью предлагаемого бесшатунного двигателя является то, что он может быть рядным или оппозитным, а при выполнении двигателя четырехцилиндровым двигатель полностью уравновешен. Инерционные силы поршней, эксцентриков, ползунов соответственно попарно направлены друг к другу, поэтому взаимно компенсируются. Возникающий момент пары сил M₁ от поршней П1 и П2 компенсируется моментом М₂ от поршней П3 и П4 (см. Фиг.13).

Преимущество предлагаемого двигателя перед двигателем с кривошипно-шатунным механизмом - в уменьшении трения поршней о стенки цилиндров, в результате чего в несколько раз снижаются суммарные потери мощности на трение, значительно увеличивается коэффициент полезного действия, улучшается экономичность, повышается моторесурс.

Предлагаемый двигатель можно легко построить из автомобильного двигателя. Необходимо заменить коленвал автомобиля на коленвал с кривошипами с уменьшенным в два раза радиусами, в картере необходимо выполнить направляющие плоскости для ползунов. Установить ползуны с эксцентриками на кривошипы. В ползуны и в опору коленвала установить фиксаторы (шарики или ролики с пружинами).

Увеличение себестоимости изготовления двигателя окупается экономией топлива и увеличением ресурса по предварительным расчетам в два-три раза.

1. Поршневой, бесшатунный двигатель внутреннего сгорания, состоящий из картера, к которому крепится цилиндр, с размещенным в нем поршнем с поршневыми кольцами, закрепленной к цилиндру головкой с камерой сгорания и свечей зажигания, механизмом газораспределения, системой смазки, системой охлаждения, системой пуска, системой топливопитания, механизмом преобразования прямолинейного движения во вращательное движение, состоящего из коленвала с кривошипом, равным четверти хода поршня, эксцентриком с эксцентриситетом, равным четверти хода поршня, размещенным на кривошипе, ползуна, надетого на эксцентрик, опирающегося на опорные плоскости, выполненные в картере, отличающийся тем, что, с целью упростить конструкцию и уменьшить механические потери, для каждого цилиндра выполняется отдельный эксцентрик, который фиксируется для прохождения «мертвых» точек подпружиненными роликами, установленными в отверстиях, выполненных в ползунах по касательной к диаметру эксцентрика, для недопущения вращения коленвала в нерабочую сторону, в опоре картера шейки коленвала установлены подпружиненные ролики.

2. Поршневой, бесшатунный двигатель внутреннего сгорания, состоящий из картера, к которому крепится цилиндр, с размещенным в нем поршнем с поршневыми кольцами, закрепленной к цилиндру головкой с камерой сгорания и свечей зажигания, механизмом газораспределения, системой смазки, системой охлаждения, системой пуска, системой топливопитания, механизмом преобразования прямолинейного движения во вращательное движение, состоящего из коленвала с кривошипом, равным четверти хода поршня, эксцентриком с эксцентриситетом, равным четверти хода поршня, размещенным на кривошипе, ползуна, надетого на эксцентрик, опирающегося на опорные плоскости, выполненные в картере, отличающийся тем, что для прохождения «мертвых» точек на эксцентрике устанавливается упор в форме эвольвентного зуба, а в картере имеются две выемки в форме эвольвентных впадин, расположенные напротив друг друга в плоскости оси коленвала, перпендикулярной плоскости цилиндра, при этом диаметр делительной окружности зуба в два раза меньше делительного диаметра впадин.

3. Поршневой, бесшатунный двигатель внутреннего сгорания, состоящий из картера, к которому крепится цилиндр, с размещенным в нем поршнем с поршневыми кольцами, закрепленной к цилиндру головкой с камерой сгорания и свечей зажигания, механизмом газораспределения, системой смазки, системой охлаждения, системой пуска, системой топливопитания, механизмом преобразования прямолинейного движения во вращательное движение, состоящего из коленвала с кривошипом, равным четверти хода поршня, эксцентриком с эксцентриситетом, равным четверти хода поршня, размещенным на кривошипе, ползуна, надетого на эксцентрик, опирающегося на опорные плоскости, выполненные в картере, отличающийся тем, что для прохождения «мертвых» точек на эксцентрике устанавливается упор в форме штифта, а в картере выполняются две выемки, расположенные напротив друг друга в плоскости оси коленвала, перпендикулярной плоскости цилиндра, форма которых может быть цилиндрической или циклоидной в зависимости от отношения диаметров, на которых расположены штифт и впадины.