Двигатель внутреннего сгорания

 

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: двигатель внутреннего сгорания содержит два шток-поршня, размещенные в цилиндрах с возможностью возвратно-поступательного движения, и соединительный и коленчатый валы, связанные между собой при помощи шатуна. С коленчатым валом жестко связана шестерня, взаимодействующая через зубчатое зацепление со шток-поршнями. 3 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к конструкции двигателей внутреннего сгорания.

Известен двигатель внутреннего сгорания (ДВС) по патенту СССР N 1709921 "Вспомогательный привод двигателя внутреннего сгорания для воздушного компрессора", F 02 B 67/04, 1992, который содержит ведущее зубчатое колесо, установленное на выходном валу двигателя, промежуточное зубчатое колесо, установленное на распределительном валу двигателя и кинематически связанное с ведущим зубчатым колесом, ведомое зубчатое колесо, входящее в зацепление с промежуточным зубчатым колесом, цилиндр компрессора, поршень, установленный в цилиндре, шатун, коленчатый вал компрессора, соединенный с поршнем посредством шатуна, причем ведомое зубчатое колесо установлено на коленчатом валу компрессора, в котором с целью снижения уровня шума боковых поверхностей зубьев ведомое зубчатое колесо установлено эксцентрично относительно оси вращения коленчатого вала с возможностью обеспечения максимального эксцентриситета при расположении поршня в верхней мертвой точке, когда оси коленчатого вала ведомого и промежуточного зубчатых колес лежат на одной прямой. Имеется несколько причин, препятствующих получению требуемого технического результата: сложный механизм кривошипно-шатунной передачи, при такой конструкции невозможно выполнение полного оборота коленчатого вала за один рабочий ход поршня.

Известен двигатель внутреннего сгорания (ДВС), по авт. свид. СССР N 1548487 "Двигатель внутреннего сгорания", FV 02 B 67/04, 1990г. содержащий блок с коленчатым валом, головку цилиндра с распределительным валом и привод распределительного вала, размещенный со стороны торцевых стенок блока и головки и состоящий из ведущей шестерни, соединенный соосно с коленчатым валом, ведомой шестерни, расположенной на оси распределительного вала, промежуточной шестерни и поворотного рычага с верхней и нижней опорами и нижней торцовой поверхностью, снабженного фиксирующим элементом, причем расстояние между осями верхней и нижней опор поворотного рычага равно межцентровому расстоянию между ведомой и промежуточной шестернями, верхняя опора поворотного рычага расположена на оси распределительного вала с возможностью качения, промежуточная шестерня расположена на одной оси с нижней опорой поворотного рычага, ось промежуточной шестерни смещена от линии, проходящей через оси ведомой и ведущей шестерни, в сторону головки цилиндра, а поворотный рычаг сопряжен через фиксирующий элемент с головкой цилиндра, в котором с целью уменьшения трудоемкости сборки и технического обслуживания путем исключения регулировки межцентрового расстояния между ведущей и промежуточной шестернями привод дополнительно снабжен упорным элементом, расположенным на торцовой стенке блока со стороны промежуточной шестерни и снабженным наружной цилиндрической поверхностью, геометрический центр которой совпадает с осью ведущей шестерни, торцовая поверхность поворотного рычага выполнена цилиндрической с геометрическим центром, совпадающим с осью промежуточной шестерни, а поворотный рычаг сопряжен с упорным элементом через цилиндрические поверхности, причем сумма их радиусов равна межцентровому расстоянию между ведущей и промежуточной шестернями. Причиной, препятствующей получению требуемого технического результата, является сложный механизм кривошипно-шатунной передачи.

Известен двигатель внутреннего сгорания по авт. свид.СССР N 1134749 "Двигатель внутреннего сгорания", F 02 B 75/32, 1985 г. содержащий цилиндры, попарно снабженные общей камерой сгорания, размещенные в цилиндрах поршни со штоками, попарно соединенные между собой, и два рабочих синхронизированных между собой коленчатых вала, каждая из шатунных шеек которых кинематически связана со штоком одного из поршней, а на коренных шейках рабочих валов установлены синхронизирующие шестерни, в котором с целью повышения уравновешенности двигатель снабжен дополнительным кривошипным валом, установленным параллельно рабочим валам и связанным с ними тягами, эксцентрично установленными на дополнительном валу и сочлененными с коренными шейками рабочих валов, причем на кривошипе дополнительного вала установлена шестерня, входящая в зацепление с синхронизирующими шестернями рабочих валов. Причиной, препятствующей получению требуемого технического результата, является сложный механизм кривошипно-шатунной передачи, сложность конструкции, наличие дополнительного кривошипного вала.

Известен бесшатунный двигатель внутреннего сгорания по авт. свид. СССР N 1262074 "Бесшатунный ДВС", F 02 B 75/24, 1986 г. который наиболее близок к заявляемому ДВС и является прототипом. Бесшатунный ДВС, содержащий два поршня, жестко соединенных между собой штоком и размещенных в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного движения, и два механизма газораспределения, каждый из которых выполнен в виде клапанов с кулачковым валом и впускного и выпускного каналов, расположенных в корпусе, причем шток снабжен направляющими, параллельными оси цилиндра, в котором с целью уменьшения габаритов и металлоемкости в стенках направляющих штока выполнены две продольные проточки, одна из которых сообщена с впускным каналом, а другая с выпускным, а в каждом поршне расположено газораспределительное окно, сообщенное с проточками в штоке, и размещен клапан с кулачковым валом, причем клапан снабжен цилиндрическим золотником, установленным соосно с клапаном и имеющим привод от кулачкового вала для обеспечения его вращения вокруг продольной оси. Причинами, препятствующими получению технического результата в устройстве-прототипе, являются: сложность конструкции, сложный механизм кривошипно-шатунной передачи, наличие двух коленчатых валов, рассекающих цилиндры, и трех кривошипов, невозможность выполнения полного оборота коленчатого вала за один рабочий ход поршня.

Задача изобретения заключается в устранении отмеченных недостатков и позволяет исключить кривошипно-шатунный механизм.

Поставленная задача решается тем, что бесшатунный ДВС содержит два шток-поршня, размещенных в цилиндрах с возможностью возвратно-поступательного движения, соединительный и коленчатый валы, соединенные между собой с помощью шатуна, для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное без применения известного кривошипно-шатунного механизма, введена зубчатая шестерня, жестко связанная с коленчатым валом, расположенная на горизонтальной оси симметрии устройства в окнах соприкасающихся цилиндров, которая входит в зубчатое зацепление со шток-поршнями. На шток-поршнях для этого имеются горизонтальные зубчатые проточки на штоке цилиндров со стороны шестерни по всей их высоте, кроме высоты уплотнительных поршневых колец. Шаг и профиль этих проточек соответствуют шагу и профилю зубьев шестерни, образуя с шестерней зубчатую передачу. Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение: исключение кривошипно-шатунного механизма, который имеет следующие недостатки сложность конструкции, невозможность выполнения большого кривошипа, что приводит к большим габаритам двигателя, невозможность выполнения полного оборота коленчатого вала за один рабочий ход поршня. Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения: уменьшение габаритов, упрощение конструкции ДВС, исключение кривошипно-шатунной передачи, выполнение коленчатым валом полного оборота за один рабочий ход поршня. Известно устройство, решающее поставленную задачу бесшатунным способом, по авт. свид. СССР N 3386662, F 02 B 75/24, 1972 г. в котором вал для отбора мощности расположен внутри П-образной полости, выполненной в центре картера, что увеличивает размеры цилиндра на размер радиуса кривошипа и осуществляет пол-оборота коленчатого вала за рабочий ход поршня. Также без шатуна преобразуется возвратно-поступательное движение во вращательное в прототипе по авт. свид. СССР N 1262074, в котором для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное используется сложная система двух коленчатых валов, расположенных в корпусах цилиндров, трех кривошипов, а также двух шестерен. В изобретении с помощью введенной шестерни, взаимодействующей через окна с горизонтальными зубчатыми проточками шток-поршня, удалось исключить вышеперечисленные детали и узлы, что упростило конструкцию и повысило число оборотов коленчатого вала за один рабочий ход поршня вдвое при уменьшении габаритов.

На фиг.1 показан двигатель внутреннего сгорания в продольном разрезе, на фиг.2 вид А-А фиг.1, на фиг.3 вид В-В фиг.2.

Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания содержит в соприкасающихся цилиндрах, являющихся одновременно корпусом 1, бесшатунный механизм, выполненный в виде двух шток-поршневых узлов 2, представляющих собой два поршня, жестко соединенных штоком, имеющим диаметр, равный диаметру поршня. По сути это цилиндр с уплотнительными поршневыми кольцами на концах. По всей высоте штока на расстоянии между уплотнительными кольцами со стороны окон 3 соприкасающихся цилиндров на шток-поршнях горизонтально профрезерованы зубчатые проточки 4, соответствующие шагу и профилю зуба шестерни 5, которая жестко связана с коленчатым валом 6 и расположена на горизонтальной оси симметрии устройства, образуя зубчатую передачу со шток-поршнем. Кроме того, двигатель имеет шатун 7, соединяющий коленчатый вал с соединительным валом 8. Шатун 7, шатунная шейка которого кинематически связана с коленчатым валом, пеpедает движение на соединительный вал 8.

Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) работает следующим образом. При совершении шток-поршневыми узлами 2 каждого такта возвратно-поступательное движение от шток-поршня 2 через зубчатую передачу, образованную зубчатыми проточками 4 шток-поршня 2 и шестерней 5, передается коленвалу 6, который жестко соединен с ней, преобразуя поступательное движение поршней во вращательное движение. Причем коленчатый вал 6 совершает следующее вращение: при движении шток-поршня 2 от ВМТ к НМТ в первый такт коленчатый вал 6 совершает оборот, при втором такте движения от НМТ и ВМТ коленчатый вал 6 совершает обратное вращение, при этом суммарное вращение соответствует двум оборотам. Благодаря наличию шатуна 7 вращение от коленчатого вала передается соединительному валу 8, с которого снимается крутящий момент двигателя. Таким образом, при совершении шток-поршневыми узлами полного цикла соединительный вал совершает четыре полных оборота.

Для преобразования возвратно-поступательного движения шток-поршня 2 во вращательное движение коленчатого вала 6 в корпусе 1 соприкасающихся цилиндров вдоль горизонтальной оси симметрии имеется отверстие размером, несколько большим диаметра шестерни 5, для того, чтобы зубья шестерни 5 попали в зацеп с горизонтальными зубчатыми проточками 4 шток-поршня 2, находящимися внутри цилиндров. Таким образом в соприкасающихся цилиндрах образуются окна 3, размеры которых определяются диаметром шестерни 5. В свою очередь размеры шестерни 5 определяются мощностью двигателя, а следовательно, ходом шток-поршня 2. Известно, что чем больше ход S, тем эффективнее работа двигателя. В нашем случае ход S связан зависимостью S=2π·R_ш где R_ш радиус шестерни. Т.е. если увеличивать ход S, а R_ш оставить постоянным, то тем самым можно увеличивать число оборотов двигателя, увеличивая мощность, что принципиально невозможно сделать в двигателях с использованием сложного по форме и конструкции известного кривошипно-шатунного механизма, в котором мощность увеличивается за счет увеличения диаметра цилиндра, поскольку выполнение коленчатого вала с большим кривошипом затруднено. Рассмотрим конкретный пример. У двигателя ВАЗ 32108 диаметр цилиндра равен D 76 мм, а ход S 71 мм, объем цилиндров составляет V=1,3 литра. В нашем случае при одинаковом объеме цилиндра V= 1,3 литра выбираем диаметр шестерни, равный 40 мм (для удержания нагрузок), тогда ход S 130 мм, а диаметр цилиндра равен 58,5 мм, но при этом коленчатый вал будет совершать не два оборота за полный цикл, а четыре, т.е. мощность будет увеличена в два раза. А если увеличить ход S еще в два раза до 260 мм, то мощность двигателя увеличится в четыре раза. При этом размеры двигателя увеличатся несущественно, поскольку будет увеличиваться только линейный размер (высота), который определяется ходом S шток-поршневого механизма. Из вышесказанного можно сделать вывод, что предлагаемая конструкция дает возможность более простого изменения мощности двигателя, чем в ранее известных конструкциях. Существенно упрощается конструкция коленчатого вала и соединительного вала. Упрощена связь шток-поршня с коленчатым валом. Упрощена конструкция шток-поршня по сравнению с бесшатунными ДВС. Новое размещение валов в точке соприкосновения цилиндров приводит к минимальным размерам как самих валов, так и всего устройства.

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий два шток-поршня, размещенных в цилиндрах с возможностью возвратно-поступательного движения, соединительный и коленчатый валы, соединенные между собой с помощью шатуна, отличающийся тем, что с коленчатым валом жестко связана шестерня, расположенная на горизонтальной оси симметрии устройства, в окнах соприкасающихся цилиндров, которая соединяется зубчатым зацеплением со шток-поршнями, на шток-поршнях имеются горизонтальные зубчатые проточки, соответствующие шагу и профилю зуба шестерни, образуя с шестерней зубчатую передачу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3