Двигатель внутреннего сгорания шкрабаков

 

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: в двигателе внутреннего сгорания поршень соединен с шатуном-рейкой в виде вилки, внутренние поверхности щек которой на длине, соответствующей величине хода поршня, выполнены в виде зубчатой рейки-пластины с возможностью их взаимодействия с шестернями-дисками, размещенными на валу. Количество шестерен-дисков соответствует числу цилиндров двигателя. Кроме того, диаметр шестерни и величина длины окружности в шестернях, которая снабжена зубьями, соответствуют циклу двигателя. Например, при цикле двигателя, происходящем за 2 оборота вала, зубья размещены на половине длины окружности шестерни, диаметр которой соответствует величине двойного хода поршня, деленной на 3,14. 11 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к передаче возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров, поршень, вильчатый шатун-рейку, связанный через поршневой палец с поршнем, и вал с шестернями, размещенными между щеками шатуна рейки, причем внутренние поверхности щек, обращенные к валу двигателя, на длине, соответствующей величине хода поршней, выполнены в виде зубчатых реек-пластин, взаимодействующих с шестернями, последние размещены на пересечении геометрических осей цилиндра и вала двигателя, а число шестерен равно числу цилиндров (заявка Франции N2608711, кл. F 16 H 21/16, 1988).

Недостаток известного двигателя заключается в недостаточной эффективности передачи крутящего момента.

Задачей изобретения является повышение эффективности передачи крутящегося момента, при снижении стоимости двигателя и упрощение его конструкции.

Поставленная задача решается тем, что двигатель содержит блок цилиндров, поршень, который поршневым пальцем соединен с шатуном-рейкой, представляющим собой форму вилки, параллельные внутренние поверхности щек которых (обращенные к валу двигателя), на длине, соответствующей величине хода поршня, выполнены в виде зубчатой рейки-пластины, а наружные поверхности шатуна-рейки (обращенные к блоку цилиндров) выполнены в виде "ласточкиного хвороста" на длине, соответствующей величине хода поршня, при этом, в промежутке (вилки) между двумя шатунами-рейками размещен вал двигателя, снабженный шестернями-дисками с возможностью их взаимодействия с шатунами-рейками на длине, соответствующей величине хода поршня, причем расстояние между вилками (шатунами-рейками) соответствует диаметру шестерен-дисков, которые размещены на пересечении геометрических осей цилиндра и вала двигателя, а количество шестерен-дисков соответствует числу цилиндров двигателя. Кроме того, диаметр шестерни-диска и величина длины окружности в шестернях-дисках, которая снабжена зубьями, зависит от цикла двигателя при цикле, равном 2-м оборотам вала, зубья размещены на половине длин окружности шестерни-диска, диаметр которой соответствует двойному ходу поршня деленному на 3,14; при цикле двигателя 1-му обороту вала зубья двойные, а диаметр шестерни-диска равен величине учетверенного хода поршня, деленной на цифру 3,14.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема; здесь 1 поршень; 2 вал двигателя; 3 шатун-рейка; 4 шестерня-диск; 5 вильчатая часть шатуна-рейки; R радиус шестерни-диска. На фиг. 2 представлена схема шатуна-рейки для обычных 2-х и 4-х тактных двигателей, у которых цикл осуществляется соответственно за 1 и 2 оборота двигателя (за 2 и 4 хода поршня соответственно). Здесь 3 шутун-рейка; 6 левая вильчатая часть (щека) шатуна-рейки, а 7 правая; 8 и 9 -"ласточкин хвост" соответственно на левой и правой частях (щеках) шатуна-рейки. На фиг. 3 представлена схема-сечение шатуна-рейки для двигателя, у которого цикл осуществляется за 1 и 0,5 оборота вала двигателя (4 хода поршня); здесь 6 и 7 соответственно левая и правая вильчатая часть (щека) шатуна-рейки; 8 и 9 -"ласточкин хвост" соответственно на левой и правой вильчатых частях (щеках) шатуна-рейки; 10 шестеренчатая часть вилок шатуна-рейки; 11 плоская часть (зубья сняты) вилок шатуна-рейки.

На фиг. 4 представлена схема вала 4-х цилиндровых обычных 2-х и 4-х тактных двигателей, у которых цикл осуществляется соответственно за 1 (два хода поршня) и 2 (четыре хода поршня) оборота вала двигателя; здесь 2 вал двигателя; 4 шестерни-диски; 12 коренные подшипники; 13 маховик.

На фиг. 5 представлена схема вала 4-х цилиндровых двигателей, у которых цикл осуществляется за 0,5 и 1 оборот вала (4 хода поршня); здесь 2 вал двигателя; 4 шестерни-диски (имеют две части); 12 коренные подшипники; 13 маховик.

На фиг. 6 представлена схема расположения поршней в цилиндрах на валу двигателя при осуществлении тактов расширения-выпуска-впуска -сжатия у обычных 2-х и 4-х тактных двигателей, где процесс осуществляется соответственно за 1 (2 хода поршня) и 2 (4 хода поршня) оборота вала двигателя; здесь 2 вал двигателя; 3 шатун-рейка; 4 шестерня-диск; 12 коренные подшипники; 13 - маховик; 1 положение при начале такта расширения (у 4-х тактных) и расширения-продувки (у 2-х тактных двигателей); П положение при выпуске отработавших газов (у обычных 4-х тактных двигателей) и сжатии (у обычных 2-х тактных двигателей); Ш положение при впуске (у 4-х тактных двигателей) и тоже, что и 1 у 2-х тактных; 1У положение при сжатии воздуха (смеси).

На фиг. 7 представлена схема расположения поршней в цилиндрах шатунов-реек и шестерен-дисков на валу двигателя при осуществлении тактов расширения-выпуска-впуска-сжатия у 4-х цилиндровых двигателей, где цикл осуществления за 4 хода поршня, за 0,5 или 1 оборот вала двигателя; здесь 2 - вал двигателя, 4 шестерня-диск при такте расширения, Б при такте выпуска. В при такте впуска, Г при такте сжатия.

На фиг. 8 представлена схема шестерни-диска для обычных 2-х и 4-х тактных двигателей, где цикл осуществляется соответственно за 2 и 4 хода поршня (1 и 2 оборота вала); здесь 4 шестерня-диск; 14 зубчатая поверхность ее; 15 гладкая поверхность.

На фиг. 9 представлена схема шестерни-диска (блока) для двигателя, у которого цикл осуществляется за 1 оборот вала двигателя (4 хода поршня); здесь 4 шестерня-диск; 14 зубчатая часть шестерни-диска: 15 дисковая часть шестерни-диска; 1 сторона, работающая (входящая в контакт с реечной левой вильчатой части шатуна-рейки) на тактах расширения и впуска; П сторона шестерни-диска, работающая (входящая в контакт с реечной частью правой вильчатой части шатуна-рейки) на тактах выпуска и сжатия. Шестерня-диск для двигателя, у которого цикл осуществляется за 0,5 оборота вала двигателя, отличается от описанной на фиг. 9 тем, что зубчатая и дисковая часть располагается на длине окружности в 2 раза чаще и чередуется периодически в 2 раза чаще.

На фиг. 10 представлена схема размещения щеки вильчатой части шатуна-рейки в блоке посредством пары "ласточкин хвост"; здесь 6 вильчатая часть шатуна-рейки; 10 реечная часть шатуна-рейки; 16 блок двигателя.

На фиг. 11 представлено положение кривошипно-шатунного механизма на такте расширения обычного двигателя внутреннего сгорания, здесь 1 поршень, 2 вал двигателя ( в данном случае коленчатый), 17 шатун; 18 кривошип; α угол между вертикалью и кривошипом в процессе преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение коленчатого вала.

Поршень 1 ( фиг. 1, 2 ) посредством поршневого пальца соединен с шатуном-рейкой 3, который имеет только верхнюю головку (для соединения с поршневым пальцем) и выполнен в виде вилки 5, параллельные внутренние поверхности щек 6 и 7 которых (обращенные к валу двигателя) на длине хода поршня 1 выполнены в виде зубчатой рейки или рейки-пластины (фиг. 2), а наружные 8 и 9 (обращенные к блоку цилиндров) в виде "ласточкиного хвоста" (фиг. 1, 2) на длине не менее хода поршня, щепки шатуна рейки 3 на длине, равной не менее суммы хода поршня 1 и межцентрального расстояния между валом 2 двигателя и поршневым пальцем при положении поршня в нижней мертвой точке, выполняются параллельными с расстоянием между ними, равным диаметру шестерни-диска 4, расположенной на валу 2 двигателя и входящей циклически в контакт с зубчатой частью внутренних щек шатуна-рейки 3 на длине хода поршня 1. Причем у обычных (2-х и 4-х тактных двигателей, где цикл совершается соответственно за 1 и 2 оборота вала) двигателей рейки на внутренних щеках 6 и 7 шатуна-рейки 3 (вильчатая часть их) выполнены симметрично, а у двигателей, где цикл совершается за 0,5 или 1 оборот вала двигателя (4 хода поршня), внутренние поверхности щек вилок выполнены так, что на всей длине хода поршня одна половина ширины каждой щеки 6 и 7 (фиг. 3) выполнена в виде плоской поверхности 11 (снятые зубья рейки); расположение зубьев рейки и плоской поверхности у противоположных сторонах вилок несимметрично.

Вал 2 двигателя (фиг. 4, 5) выполнен цилиндрическим с коренными шейками под коренные подшипники 12 (как обычно) и не имеют кривошипов и шатунных шеек, а снабжен шестернями-дисками 4, число которых равно числу цилиндров, а установлены они на пересечении осей цилиндра и вала двигателя (фиг. 6, 7). Вал двигателя, как обычно, снабжен маховиком 13.

Каждая шестерня-диск 4 (фиг. 8, 9) устроена так, что часть длины окружности ее 14 выполняется зубчатой с модулем зацепления, соответствующим параметрам реечной части внутренней поверхности шатуна-рейки 3, а часть 15 в виде диска ( с этой части поверхности зубья убираются), причем: для обычных 2-х тактовых и 4-х тактовых двигателей, у которых цикл осуществления соответственно за 1 (2 хода поршня) и 2 (4 хода поршня) оборота вала, шестерня-диск 4 на первой половине длины окружности 14 выполняется шестеренчатой, а на второй 15 в виде диска; при этом диаметр шестерни-диска 4 равен двойному ходу поршня, деленному на 3,14; для двигателей, у которых цикл осуществляется за 4 хода поршня, но за 1 или 0,5 оборота вала двигателя, шестерня-диск 4 (фиг. 9) устанавливаемая на валу двигателя, имеет диаметр, равный соответственно учетверенному ходу поршня, деленному на 3,14, или восьми ходами поршня, деленному на 3,14. При этом длина окружности шестерни-диска 4 делится в первом случае на 4 части (во втором на 8), две из которых (во втором четыре) 14 выполняются зубчатыми на 0,25 длины окружности каждая (во втором случае на 0,125 длины окружности), а две 15 (во втором случае четыре) в виде диска на той же длине окружности соответственно, причем в такой очередности: "шестеренчатая часть дисковая часть шестеренчатая часть дисковая часть" (и т.д. для второго случая). Шестерня-диск 4 выполняется точно такой, как и первая (с шестеренчатой и дисковой частью), однако сдвинуты они друг относительно друга на 90^o. При этом вильчатая часть шатуна-рейки (реечная часть), перемещающая поршень от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), выполнена такой ширины, что входит в зацепление с зубчатой частью 14 только одной (1) половиной шестерни-диска 4 (фиг. 5), а вильчатая часть шатуна-рейки (реечная часть), перемещающая поршень от НМТ к ВМТ такой ширины, что входит в зацепление с зубчатой частью 14 только другой половины (П) шестерни-диска. Этим исключается соответствующее перекрытие и работоспособность конструкции.

Крепится шестерня-диск 4 на валу 2 двигателя (фиг. 1, 2, 3, 8) так, чтобы при нахождении поршня в ВМТ на такте расширения одна половина (вильчатая часть) шатуна-рейки 3 своей реечной частью 10 начинала входить в контакт с зубчатой частью 14 шестерни диска 4; при положении поршня в НМТ этот контакт кончается, другая же половина (вильчатая часть) шатуна-рейки 3 в описанной ситуации (при достижении поршня от ВМТ к НМТ) своей реечной частью должна свободно перемещаться вниз (от ВМТ к НМТ) на дискообразной (без зубьев) длине 15 окружности шестерни-диска. При движении же поршня от НМТ к ВМТ шестерня-диск 4 своей шестеренчатой частью 14 входит в контакт с рассмотренной реечной частью 10 той вильчатой части шатуна-рейки 3, которая раньше перемещалась свободно вниз, и перемещает ее вверх, обеспечивая этим выталкивание газов или сжатие воздуха (смеси) в цилиндре (в зависимости от того 2-х или 4-х тактный двигатель); указанному перемещению не мешает та половина вильчатой части 10 шатуна-рейки 3, которая перед этим перемещалась вниз на такте расширения или впуска, будучи в контакте с шестеренчатой частью 14 шестерни-диска 4, расположенной на валу двигателя (в это время шестерня-диск 4 повернулась своей ненарезанной частью 15 к реечной части шатуна-рейки, чем обеспечивается свободное перемещение ее вместе с поршнем к ВМТ благодаря перемещению их противоположной вилочной (реечной 10) частью шатуна-рейки).

Число установленных на валу двигателя шестерней-дисков должно быть равно числу цилиндров.

Блок двигателя в плоскостях перемещения шатунов-реек снабжен пазами типа "ласточкин хвост" для фиксации и перемещения в них шатунов-реек, наружные щеки которых также выполнены в виде "ласточкиного хвоста".

Для обеспечения легкости запуска двигателя у двухцилиндровых двигателей при монтаже один из поршней устанавливается в ВМТ, а другой в НМТ, при установке соответствующих зацеплений в парах "шатун-рейка" "шестерня-диск", причем у 4-х тактного двигателя (цикл осуществляется за 2 оборота вала) положение ВМТ должно смениться рабочим ходом, а НМТ ходом сжатия.

У 4-х цилиндровых двигателей двухтактный (цикл осуществляется за 1 оборот вала) два поршня устанавливаются в положении ВМТ, а два в положении НМТ. У 4-х цилиндровых 4-х тактных двигателей (цикл осуществляется за 2 оборота вала) (фиг. 6, 7) один поршень устанавливается в ВМТ с последующим рабочим ходом, другой в НМТ с последующим сжатием, третий и четвертый в середине между ВМТ и НМТ, причем так, что в одном из них осуществляется процесс выталкивания отработавших газов, а во второй процесс впуска; последовательность расположения поршней при монтаже осуществляется в соответствии с порядком работы двигателя.

Работает двигатель следующим образом. При вспышке в одном из цилиндров усилие давления газов через зубчатую часть 10 одной из вилок шатуна-рейки 3 (фиг. 1-11) передается на шестерню-диск 4 вала двигателя и проворачивает его до тех пор, пока поршень не достигнет НМТ; в этот момент зубчатая часть 14 шестерни-диска 4 кончается и выходит из зацепления с зубчатой частью 10 шатуном-рейкой 3. Одновременно с этим зубчатая часть 10 противоположной вилки шатуна-рейки 3 входит в зацепление с зубчатой частью 14 шестерни-диска 4, повернувшейся при входе поршня от ВМТ к НМТ на 180^o, и перемещает поршень от НМТ к ВМТ. Противоположная вошедшей в зацепление с шестерней-диском 4 вилка шатуна-рейки 3 свободно перемещается вверх, т.к. на длине хода поршня от НМТ к ВМТ шестерня-диск вращается дисковой частью 15, где нет зубьев, не мешая перемещению шатуна-рейки к ВМТ (аналогично тому, как это имело место при движении поршня от ВМТ к НМТ, когда соответствующей вилке шатуна-рейки 3 не мешало перемещению вниз то обстоятельство, что шестерня-диск 4 была повернута к этой рейке гладкой частью 14). Выведению поршней из мертвых точек способствует маховик, как у обычного двигателя.

Работа 4-х тактных двигателей, у которых цикл осуществляется за 4 хода поршня, но за 1 оборот вала, осуществляется аналогично с той лишь разницей, что (фиг. 3, 5, 9) одна половина (1) двойной шестерни-диска 4 осуществляет перемещение поршня от ВМТ к НМТ (на длине дуги, соответствующей повороту на 90^o) на такт расширения и впуска (противоположная вилке шатуна-рейки 3 в этом случае перемещение свободно, т. к. вторая половина шестерни-диска 4 повернута к ней в это время дисковой частью 15 и не мешает перемещению шатуна-рейки вниз), а другая (П) от НМТ к ВМТ на тактах выпуска и сжатия (в это время первая половина шестерни-диска 4 занимает положение дисковой частью 15 и не мешает перемещению соответствующей вильчатой части шатуна-рейки 3 от НМТ к ВМТ). Реечные части вилок шатуна-реек 3 имеют ширину рейки, строго соответствующей ширине "своей" шестерни-диска 4 и против них расположены.

У двигателей, осуществляющих цикл за 4 хода поршня, но за 0,5 оборота вала, процесс осуществляется аналогично с той лишь разницей, что за 1 ход поршня вал (шестерня-диск) поворачивается на 45^o.

Перемещение шатуна-рейки 3 от ВМТ к НМТ и наоборот осуществляется в салазках типа "ласточкина хвоста", находящихся по обе стороны блока двигателя на внутренних его поверхностях (фиг. 5).

Преобразование энергии газов у описанных двигателей происходит при постоянном радиусе R (плече, рычаге) см. фиг. 1,11.

Формула изобретения

Двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров, поршень, вильчатый шатун-рейку, связанный через поршневой палец с поршнем, и вал с шестернями, размещенными между щеками шатуна рейки, причем внутренние поверхности щек, обращенные к валу двигателя, на длине, соответствующей величине хода поршней, выполнены в виде зубчатых реек-пластин, взаимодействующих с шестернями, последние размещены на пересечении геометрических осей цилиндра и вала двигателя, а число шестерен равно числу цилиндров, отличающийся тем, что наружные поверхности шатуна-рейки, обращенные к блоку цилиндров, выполнены в виде ласточкина хвоста, шестерни выполнены в виде шестерен-дисков, расстояние между щеками шатуна-рейки соответствует диаметру шестерен-дисков, причем диаметр шестерни-диска и величина длины окружности шестерни-диска, снабженной зубьями, выполнены в соответствии с циклом двигателя, так при осуществлении цикла двигателя за два оборота вала зубья размещены на половине длины окружности шестерни-диска, диаметр которой соответствует величине двойного хода поршня, деленной на 3,14, при осуществлении цикла двигателя за один оборот вала зубья выполнены двойными, а диаметр шестерни-диска равен величине учетверенного хода поршня, деленной на 3,14.

РИСУНКИ

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