Двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к области двигателестроения 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 и механизмов. Двигатель внутреннего сгорания содержит механизм газораспределения, системы питания, смазки и охлаждения, блок цилиндров с противоположно расположенными цилиндрами и поршнями, между которыми размещен механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение приводного вала. Механизм преобразования состоит из двухсторонней рейки внешнего зацепления, расположенной между попеременно взаимодействующих с ней шестерен, жестко закрепленных на параллельных валах, установленных на подшипниках качения, расположенных в опорах картера механизма попеременного зубчатого зацепления и кинематически связанных промежуточной шестерней с приводным валом. На шестернях против рабочих зубцов имеются кулачки, параллельно зубчатым поверхностям рейки выполнены упоры, попеременно взаимодействующие с кулачками. Вершина крайнего зуба зубчатой поверхности рейки, выходящей из зацепления, переходит в гладкую поверхность на уровень, достаточный для принудительного вывода рейки из зацепления. Крайние зубцы противоположной поверхности рейки, входящей в зацепление, выполнены контуром, одинаковым с шестерней. На концах, свободных от зубцов, рейка имеет проушины с отверстием для ползуна, с перпендикулярно установленным в нем поршневым пальцем, концевые участки которого расположены в отверстиях проушин поршня, образуя шарнирное соединение. Проушина рейки имеет возможность вертикального перемещения относительно поршневого пальца на величину, достаточную для вывода из зацепления с шестерней одной зубчатой поверхности и ввода в зацепление другой, тем самым осуществляя смену направления движения поршневой группы. Направляющие ползуна выполнены наклонными на угол, достаточный для создания противоположно направленной силы, уравновешивающей радиальные силы зубчатого зацепления в процессе однонаправленного хода поршневой группы. Технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия двигателя, надежности, долговечности и уменьшения удельной металлоемкости. 4 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 и механизмов.

Известны автомобильные двигатели внутреннего сгорания: поршневые, многоцилиндровые, рядные и V-образные, карбюраторные или дизельные, двухтактные и 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, МПК F 01 В 9/06, а также патент РФ 2109152, МПК F 02 В 75/32 и патент РФ 2131528, МПК F 02 В 75/32).

Недостаток известных по аналогам двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что рабочий ресурс цилиндро-поршневой группы и механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала, мал, так как наличие шатуна увеличивает радиальную составляющую силу в цилиндро-поршневой группе, что ведет к повышенному ее износу, а также в том, что при рядном расположении цилиндров элементы зубчатой передачи - колесо и шестерня изнашиваются не одинаково: одна сторона колеса и половина шестерни работают с максимальной нагрузкой, другая - с минимальной, а отсюда - снижается и долговечность всего двигателя.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков и технической сущности предлагаемого изобретения является двигатель внутреннего сгорания, содержащий механизм газораспределения, системы питания, смазки и охлаждения, блок цилиндров, с противоположно расположенными цилиндрами и поршнями, между которыми размещен механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение приводного вала, состоящий из двухсторонней рейки внешнего зацепления, расположенной между попеременно взаимодействующих с ней шестерен, жестко закрепленных на параллельных валах, установленных на подшипниках качения, расположенных в опорах картера механизма попеременного зубчатого зацепления и кинематически связанных промежуточной шестерней с приводным валом (см. заявку ФРГ 3531862, МПК F 02 B 75/32, 1987).

Известный двигатель не обеспечивает возможности повышения коэффициента полезного действия (КПД), надежности и долговечности двигателя.

Задачей изобретения является увеличение КПД, уменьшение удельной металлоемкости двигателя, а также повышение надежности и долговечности работы двигателя, за счет уменьшения радиальной составляющей сил в цилиндро-поршневой группе при работе двигателя, за счет уменьшения плеча приложения сил в зубчатом зацеплении, уменьшения инерционных сил за счет уменьшения движущихся возвратно-поступательно масс.

Поставленная задача решается тем, что двигатель внутреннего сгорания, содержащий механизм газораспределения, системы питания, смазки и охлаждения, блок цилиндров, с противоположно расположенными цилиндрами и поршнями, между которыми размещен механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение приводного вала, состоящий из двухсторонней рейки внешнего зацепления, расположенной между попеременно взаимодействующих с ней шестерен, жестко закрепленных на параллельных валах, установленных на подшипниках качения, расположенных в опорах картера механизма попеременного зубчатого зацепления и кинематически связанных промежуточной шестерней с приводным валом, согласно изобретению на шестернях против рабочих зубцов имеются кулачки, параллельно зубчатым поверхностям рейки выполнены упоры, попеременно взаимодействующие с кулачками, вершина крайнего зуба зубчатой поверхности рейки, выходящей из зацепления, переходит в гладкую поверхность на уровень, достаточный для принудительного вывода рейки из зацепления, а крайние зубцы противоположной поверхности рейки, входящей в зацепление, выполнены контуром, одинаковым с шестерней, причем на концах, свободных от зубцов, рейка имеет проушины с отверстием для ползуна, с перпендикулярно установленным в нем поршневым пальцем, концевые участки которого расположены в отверстиях проушин поршня, образуя шарнирное соединение, при этом проушина рейки имеет возможность вертикального перемещения относительно поршневого пальца, на величину, достаточную для вывода из зацепления с шестерней одной зубчатой поверхности и ввода в зацепление другой, тем самым осуществляя смену направления движения поршневой группы, а направляющие ползуна выполнены наклонными на угол, достаточный для создания противоположно направленной силы, уравновешивающей радиальные силы зубчатого зацепления в процессе однонаправленного хода поршневой группы.

Благодаря тому, что зубчатые поверхности, соответствующие продольной оси, выполнены в виде двухсторонней рейки и размещены между двух шестерен, закрепленных на параллельных валах, кинематически связанных промежуточной шестерней, уменьшаются радиальные силы в поршневой системе, а соединение рейки непосредственно с поршнями через ползуны и поршневые пальцы позволяет значительно уменьшить подвижные массы, что уменьшает инерционные силы, повышает КПД. А использование задней части цилиндра для вхождения свободной от зацепления части рейки, позволяет значительно уменьшить расстояние между противоположными цилиндрами, что уменьшает удельную металлоемкость двигателя, а направляющие ползуна, выполненные наклонными, надежнее удерживают рейку в зацеплении, уменьшая силы трения между кулачками и упорами, что уменьшает их износ и увеличивает долговечность двигателя.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично изображен поперечный разрез заявляемого двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 2 - продольный разрез указанного двигателя по А-А; на фиг.3 представлено сечение по В-В, соединения поршня с двухсторонней рейкой; на фиг.4 изображено сечение по Б-Б указанного соединения в перпендикулярной плоскости.

Заявляемый двигатель внутреннего сгорания содержит блоки цилиндров 1 с противоположно расположенными цилиндрами и поршнями 2, между которыми размещен механизм 3 преобразования возвратно-поступательного движения поршней 2 во вращательное приводного вала 4, состоящий из двухсторонней рейки 5, расположенной между попеременно взаимодействующих с ней шестерен 6, жестко закрепленных на параллельных валах 7, установленных в подшипниках 8, картера механизма 3, кинематически связанных шестернями 9, промежуточной шестерней 10 с приводным валом 4, разгруженным от изгибающих усилий подшипником 11. На шестерне 6, против рабочих зубцов имеется кулачок 12, половина поверхности которого выполнена диаметром, более диаметра выступов шестерни 6, а другая половина - менее диаметра впадин. Параллельно зубчатым поверхностям рейки 5 выполнены упоры 13, попеременно взаимодействующие с кулачком 12. С обоих концов рейка 5 имеет проушины с отверстиями, в которых установлены ползуны 14 с перпендикулярно установленными в них поршневыми пальцами 15, концевые участки которых находятся в отверстии проушин поршня 2. При этом рейка 5 в фазе смены направления движения смещается относительно поршневого пальца 15 в направляющих ползуна 14, изменяя при этом направление движения поршней 2 и рейки 5 на обратное. Направляющие поверхности в отверстии ползуна выполнены наклонными на угол а, достаточный для создания силы, противодействующей радиальной силе в зубчатом зацеплении. Кроме того, двигатель имеет головку 16 блока цилиндров 1, механизм газораспределения с распределительными валами 17, клапанами 18 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 усилием Р, совершая такт "рабочий ход". Совместно с поршнем 2 первого цилиндра перемещается соединенная с ним рейка 5 и поршень 2 противоположно расположенного другого цилиндра, совершая при открытых выпускных клапанах 18 этого цилиндра такт "выпуск", перемещая при этом соединенную с поршнями 2 рейку 5 зубчатой передачи, которая одной из зубчатых поверхностей вращает шестерню 6 и вал 7, а последний через шестерню 9 вращает промежуточную шестерню 10 приводного вала 4 и кинематически связанный другой параллельный вал 7, шестерни 6 которого перемещают другую рейку 5, соответствующую третьему и четвертому цилиндру, в противоположном направлении поршням 2 первого и второго цилиндров (в зависимости от сборки зубчатой передачи), совершая при этом такт "сжатие" в третьем цилиндре и такт "выпуск" при открытых выпускных клапанах 18 в четвертом цилиндре. Продолжая вращение, вал 7 шестерней 6 и кулачком 12 произведет в конце однонаправленного хода смену зацепления шестерни 6 с одной из зубчатых поверхностей рейки 5 зубчатой передачи на противоположную. При этом проушина рейки 5 переместится в направлении свободной от зацепления шестерни 6 на величину, достаточную для бесконтактного перемещения свободной от зацепления зубчатой поверхности рейки 5, создавая при этом наклонными направляющими ползуна 14 в шарнирных соединениях поршня 2 и рейки 5 усилия, удерживающие рейку 5 в зацеплении с шестерней 6 в процессе всего однонаправленного движения подвижной группы, не увеличивая при этом радиальные усилия в цилиндро-поршневой группе. Таким образом непрерывная смена тактов в порядке "рабочий ход" - "выпуск" - "впуск" и "сжатие" образуют рабочий цикл цилиндра. Повторение и чередование рабочих циклов в порядке работы цилиндров 1-3-4-2 образуют непрерывный рабочий цикл всего двигателя. Наличие маховика, на чертеже не указанного, сглаживает незначительные перепады величин крутящих моментов 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 2-3%.

Формула изобретения

Двигатель внутреннего сгорания, содержащий механизм газораспределения, системы питания, смазки и охлаждения, блок цилиндров, с противоположно расположенными цилиндрами и поршнями, между которыми размещен механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение приводного вала, состоящий из двухсторонней рейки внешнего зацепления, расположенной между попеременно взаимодействующими с ней шестернями, жестко закрепленными на параллельных валах, установленных на подшипниках качения, расположенных в опорах картера механизма попеременного зубчатого зацепления и кинематически связанных промежуточной шестерней с приводным валом, отличающийся тем, что на шестернях против рабочих зубцов имеются кулачки, параллельно зубчатым поверхностям рейки выполнены упоры, попеременно взаимодействующие с кулачками, вершина крайнего зуба зубчатой поверхности рейки, выходящей из зацепления, переходит в гладкую поверхность на уровень, достаточный для принудительного вывода рейки из зацепления, а крайние зубцы противоположной поверхности рейки, входящей в зацепление, выполнены контуром, одинаковым с шестерней, причем на концах, свободных от зубцов, рейка имеет проушины с отверстием для ползуна, с перпендикулярно установленным в нем поршневым пальцем, концевые участки которого расположены в отверстиях проушин поршня, образуя шарнирное соединение, при этом проушина рейки имеет возможность вертикального перемещения относительно поршневого пальца, на величину, достаточную для вывода из зацепления с шестерней одной зубчатой поверхности и ввода в зацепление другой, тем самым осуществляя смену направления движения поршневой группы, а направляющие ползуна выполнены наклонными на угол, достаточный для создания противоположно направленной силы, уравновешивающей радиальные силы зубчатого зацепления в процессе однонаправленного хода поршневой группы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4