Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Двигатель включает в себя корпус, цилиндр, камеру сгорания, передаточный механизм, топливную систему и механизм газораспределения. Цилиндр установлен с возможностью возвратно-поступательного движения без поворота вокруг оси, к цилиндру прикреплены шпонки, входящие в сопряжение с прямолинейными пазами корпуса, параллельными оси цилиндра. Блок конических роликов может двигаться в пространственно-замкнутом пазу, выполненном на внутренней поверхности цилиндрического стакана, и имеет в сечении форму "ласточкин хвост". Конические ролики блока постоянно опираются на две опорные поверхности паза. Технический результат заключается в снижении количества движущихся деталей и в повышении коэффициента полезного действия и долговечности работы двигателя. 5 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению.

Известны конструкции бесшатунных двигателей внутреннего сгорания, например двигатель Баландина, двигатель Ванкеля, бесшатунный двигатель внутреннего сгорания (патент DE, Заявка 3831451, МКИ F 02 В 75/32, 1990).

Двигатель Баландина [см. Баландин С.С. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1972, с. 14.] имеет в конструкции, по меньшей мере, цилиндр, поршень, шток, камеру сгорания, коленчатый вал. Преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное выполняется коленчатым валом специальной конструкции.

Двигатель Ванкеля [см. Орлин А.С. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. - М.: Машиностроение, 1990, с. 254] содержит корпус, ротор, камеру сгорания, источник воспламенения, выходной вал, соединенный с ротором. Усилие сгорающей рабочей смеси передается непосредственно вращающемуся ротору и от него выходному валу.

Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания [см. патент DE, заявка 3831451, МКИ F 02 В 75/32, 1990] содержит цилиндр, поршень, выходной вал, камеру сгорания, форсунку, механизм газораспределения. Поршням придается вращение, которое и осуществляет преобразование движения.

Наиболее близким к предлагаемому двигателю является бесшатунный двигатель внутреннего сгорания с вращающимися поршнями (патент RU 2099559, МКИ6 F 02 В 75/26, 75/32, F 01 В 9/06). Он содержит два поршня, установленных на одном шлицевом валу и помещенных во внутреннюю полость одного цилиндра. Цилиндры снабжены уплотняющими кольцами, двумя отверстиями, через одно из которых проходит вал, уплотненный кольцами, а в другом установлена шлицевая втулка. Шлицы втулки входят в соединение со шлицами вала, на котором установлены шестерни отбора мощности. В полусферических углублениях поршня установлены шары, входящие в сочлинение с бесконечными криволинейными пазами, нарезанными на внутренней поверхности цилиндра и имеющими в нормальном сечении профиль в виде полуокружности. Под действием расширяющегося рабочего тела и маховика цилиндры совершают возвратно-поступательные перемещения и воздействием на шары через канавки в цилиндре приобретают вращение вокруг оси, передаваемое на выходной вал и шестерню.

К числу недостатков такой конструкции двигателя следует отнести: интенсивное истирание уплотняющих колец, участвующих одновременно в двух движениях - поступательном и вращательном, и, как следствие, нарушение уплотнения и отсутствие приработки колец и зеркала цилиндра, которая обеспечивается в кривошипно-шатунной схеме преобразования движения. Качение шаров в полусферической полости цилиндра и в пазах цилиндра может быть обеспечено только при наличии зазоров. При перемене направления движения поршня шары и стенки полости и паза испытывают удары, что приводит к интенсивному износу взаимодействующих поверхностей. Удаление обработанного рабочего тела требует дополнительного устройства продувки и согласно схеме, приведенной в патенте, не может быть выполнено в полном объеме. В результате происходит снижение КПД двигателя.

Сущность изобретения заключается в том, что в бесшатунном двигателе внутреннего сгорания, включающем корпус, цилиндр, камеру сгорания, передаточный механизм, топливную систему, механизм газораспределения, дополнительно цилиндр установлен с возможностью возвратно-поступательного движения без поворота вокруг оси, а к цилиндру прикреплены шпонки, входящие в сопряжение с прямолинейными пазами корпуса, параллельными оси цилиндра, а также блок конических роликов с возможностью двигаться в пространственно-замкнутом пазу, выполненном на внутренней поверхности цилиндрического стакана и имеющем в натуральном сечении форму "ласточкин хвост", при этом конические ролики блока постоянно опираются на две опорные поверхности паза.

Возвратно-поступательное перемещение совершается цилиндром относительно неподвижного элемента, функцию поршня выполняет элемент, являющийся составной частью тела корпуса.

Преобразование движения цилиндра во вращательное движение вала съема мощности осуществляется блоком конических роликов, жестко связанным с цилиндром, перемещающимся в криволинейном бесконечном пазе, выполненном на внутренней поверхности цилиндрического стакана, не имеющего возможности перемещения в осевом направлении. Цилиндрическая часть стакана имеет хвостовик, имеющий возможность вращения относительно корпуса и соединенный шестерней отбора мощности.

Совокупность заявляемых признаков позволяет снизить количество движущихся деталей, количество пар скольжения, повысить КПД и долговечность работы двигателя.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на: фиг. 1 изображено осевое сечение двигателя (без механизма приведения в перемещение впускного и выпускного клапанов); фиг. 2 - блок роликов I на виде сбоку; фиг. 3 - вид А блока ролика I; фиг. 4 - вид Б; фиг. 5 - развертка внутренней поверхности стакана 7.

Двигатель включает корпус 1, в теле которого выполнены прямоугольные шпоночные пазы 2, сопрягаемые со шпонками 3, жестко прикрепленными к цилиндру 4. К цилиндру прикреплен блок конических роликов 5, движущийся по пространствено-замкнутому пазу 6, выполненному на внутренней поверхности цилиндрического стакана 7, имеющему в нормальном сечении форму "ласточкин хвост". На цилиндрическом хвостовике стакана 7, являющемся валом съема мощности, посредством шпонки 8 установлена шестерня 9, а сам хвостовик установлен в радиально-упорных подшипниках с коническими роликами 10, которые предотвращают осевое перемещение. Элемент корпуса 1, сочлененный с цилиндром 4, снабжен уплотняющими кольцами 11, а в цилиндрических отверстиях установлены впускной и выпускной клапаны 12 и 13, свеча или форсунка 14 и трубка подвода масла 15. Отверстия клапанов соединены с патрубками 16 впускного и 17 выпускного коллекторов. Блок конических роликов 5 установлен на оси 18 и состоит из поперечины 19, подпружиненной спиральной пружиной 20, которая создает для поперечины вращательный момент за счет крепления одного конца в теле цилиндра 4, а другого конца в теле поперечины 19. Поперечина 19 соединена с осью 20 шайбой 21 и шплинтом 22, а на осях 23, жестко прикрепленных к поперечине 19, установлены шарикоподшипники 24, закрепленные шайбами 25 и гайками 26. Наружные кольца шарикоподшипника впрессованы в цилиндрические полости конических роликов 27.

Двигатель может быть выполнен как в карбюраторной схеме, так и дизельной. Работа устройства происходит следующим образом. Под действием сгорающего и расширяющегося рабочего тела цилиндр 4, стремясь увеличить объем камеры сгорания, воздействует на поверхности паза 6 стакана 7 блоком 5 и принуждает к вращению ее вокруг оси. Хвостовик стакана 7 поворачивает шестерню 9, укрепленную на нем посредством шпонки 8. Шестерня 9 передает движение на общий вал двигателя, не показанного на чертеже. Начало рабочего хода соответствует опиранию блока 5 в точке P криволинейного паза 6 в теле стакана 7, показанного на развертке ее внутренней поверхности (фиг. 2). Удаленность точки P от дна цилиндрической части стакана 7 (в развертке) обеспечивает определенный объем камеры сгорания и соответствует верхней мертвой точки (В.М.Т.) в кривошипно-шатунных механизмах. Участок р паза соответствует такту рабочего хода, в конце которого паз 6 повернувшись приходит в опирание на блок 5 в точке М нижней мертвой точке (Н.М.Т.) этого такта. Для следующего такта - выхлопа, соответствующего зоне m развертки, конфигурация паза выбрана таким образом, чтобы по достижении вращательным перемещением стакана 7 опирания на блок 5 в точке N достигалось минимально возможный, практически нулевой, объем подцилиндрового пространства. Это приведет к полному выталкиванию отработанной рабочей смеси без применения дополнительных продувочных устройств, а значит, потере мощности на их функционирование. Опирание паза на блок 5 в точке N соответствует В.М.Т. такта. В следующем такте (зона n развертки) положение конечной точки К, соответствующей Н.М.Т., может быть выбрано при необходимости на меньшем удалении от 1 нежели точки B, что обеспечит больший объем подцилиндрового пространства, а значит, увеличение сжатия рабочей смеси. После поворота стакана 7 в такте сжатия (зона k развертки) опирание на блок конических роликов придет в точку P, что и завершает рабочий цикл. Газораспределительный механизм обеспечит при этом соответствующее открывание и закрывание клапанов.

Таким образом, В.М.Т. и Н.М.Т. для каждого такта может варьироваться в широких пределах и определять различные объемы подцилиндрового пространства в зависимости от требований проектировщика.

Предлагаемый механизм позволяет повысить КПД, сократить до минимума число пар скольжения, снизить массу перемещаемых деталей и их неуравновешенность. Устройство, обеспечивающее взаимопреобразование вращательного и возвратно-поступательного движений, может быть использовано и в конструкциях иного рода, в частности в насосах.

Формула изобретения

Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, цилиндр, камеру сгорания, передаточный механизм, топливную систему, механизм газораспределения, отличающийся тем, что цилиндр установлен с возможностью возвратно-поступательного движения без поворота вокруг оси, а к цилиндру прикреплены шпонки, входящие в сопряжение с прямолинейными пазами корпуса, параллельными оси цилиндра, а также блок конических роликов с возможностью двигаться в пространственно-замкнутом пазу, выполненном на внутренней поверхности цилиндрического стакана и имеющем в натуральном сечении форму "ласточкин хвост", при этом конические ролики блока постоянно опираются на две опорные поверхности паза.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5