Двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания и поршневых машинах. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит цилиндры, поршни, попарно жестко связанные между собой штоками, корпус, в котором на подшипниках размещен рабочий вал с отбором мощности в его средней части и имеющий отверстие, смещенное на 1/4 хода поршня от оси вращения рабочего вала. Причем в отверстии рабочего вала через подшипники установлен коленчатый вал, имеющий две противоположно расположенные шейки, сочлененные через подшипники со штоками и находящиеся в разных концах вала со смещением на 1/4 хода поршня от оси вращения коленчатого вала и выступающие с разных сторон за пределы рабочего вала. Согласно изобретению шейки коленчатого вала смещены в разные стороны, цилиндры расположены крестообразно, а для отбора мощности используется зубчатый венец наружного зацепления гидротрансформатора. Причем насос гидротрансформатора соединен через шлицы с рабочим валом, турбина гидротрансформатора совмещена с его корпусом, а зубчатый венец наружного зацепления для отбора мощности находится на корпусе гидротрансформатора. 4 з.п. ф-лы, 22 ил.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала, относящимся к четырехтактным и двухтактным двигателям.

Известен двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом (патент ФРГ 3001094, F 02 B 75/32, 1981 г.), который имеет бесшатунный механизм, состоящий из двух частей рабочего вала, и вспомогательный коленвал, установленный посередине между частями рабочего вала со смещением на 1/4 хода поршня через подшипники. Также смещена на 1/4 хода поршня шейка вспомогательного коленвала, находящегося между двумя шестернями с диаметром 1/2 хода поршня, которые зацепляются с внутренними зубьями коронных шестерен, закрепленных в корпусе по оси рабочего вала, имеющего объединительный вал, соединяющий две части основного вала.

Кроме того, известен двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом (см. а.с. СССР 1036945, МПК F 02 B, 75/32, 1983 г.), содержащий поршень с цилиндром, картер, в котором размещен составной вал, выполненный из двух половин и кривошипа, соединяющего половины и закрепленного в них на подшипниках на радиусе 1/4 хода поршня от оси вала, и шток, жестко связанный с поршнем и сочлененный через подшипник с кривошипом, причем кривошипная головка штока размещена в неподвижной направляющей с возможностью скольжения по ней, направляющая выполнена в виде вставки с пазом для головки штока, а картер снабжен сквозным окном для размещения в нем вставки, при этом рабочие поверхности паза снабжены накладками из антифрикционного материала.

Из всей совокупности известных технических решений наиболее близким по совокупности признаков и значимости прототипом является двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом (см. пат. WO 92/17694, МПК F 02 B 75/32, F 16 H 21/30, 15.10.1992 г.), в котором от рабочего вала попарно с разных сторон расположены цилиндры с поршнями, эти поршни попарно жестко связаны между собой штоками, сочлененными через подшипники с шейками коленчатого вала, коленвал имеет две шейки, расположенные по одной оси, а находящиеся в разных концах коленвала шейки смещены на 1/4 хода поршня от оси вращения коленвала и выступающие с разных сторон за пределы рабочего вала, где они сочленены через подшипники со штоками. Во вращающейся шейке коленвала имеется шестерня с диаметром 1/2 хода поршня, которая связана с коронной шестерней с диаметром хода поршня, коленвал закреплен через подшипники со смещением на 1/4 хода поршня в рабочем валу.

Недостатком прототипа является то, что рабочий вал состоит из двух частей и ориентируется между собой за счет объединительного вала с шестернями, которые являются выходом, недостаточно жестко ориентируют части рабочего вала и снижают вибрацию двигателя.

Технической задачей изобретения является снижение габаритных размеров, увеличение индикаторной мощности улучшением технических параметров механизма двигателя.

Поставленная задача достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, содержащем цилиндры, поршни, попарно жестко связанные между собой штоками, корпус, в котором на подшипниках размещен рабочий вал с отбором мощности в его средней части и имеющий отверстие, смещенное на 1/4 хода поршня от оси вращения рабочего вала, причем в отверстии рабочего вала через подшипники установлен коленчатый вал, имеющий две противоположно расположенные шейки, сочлененные через подшипники со штоками и находящиеся в разных концах вала со смещением на 1/4 хода поршня от оси вращения коленчатого вала и выступающие с разных сторон за пределы рабочего вала, согласно изобретению шейки коленчатого вала смещены в разные стороны, цилиндры расположены крестообразно, а для отбора мощности используется зубчатый венец наружного зацепления гидротрансформатора, причем насос гидротрансформатора соединен через шлицы с рабочим валом, турбина гидротрансформатора совмещена с его корпусом, а зубчатый венец наружного зацепления для отбора мощности находится на корпусе гидротрансформатора.

Поставленная задача достигается также тем, что двигатель может иметь два модуля.

Поставленная задача достигается также тем, что газораспределение может быть выполнено в виде участка юбки поршня, управляющего окнами цилиндра, соединенными с впускными и выпускными каналами.

Поставленная задача достигается также тем, что газораспределение может быть выполнено клапанным с кулачками и газораспределительной цепью.

Поставленная задача достигается также тем, что газораспределительный механизм одного модуля может состоять из двух цепей.

Для работы четырехцилиндрового с крестообразно расположенными цилиндрами с бесшатунным механизмом двигателя, имеющего восемь камер расширения, у каждого штока по четыре рабочей камеры или модуля и у каждого модуля своя газораспределительная цепь с двумя участками газораспределения с выступающими в виде кулачков в нужном месте для управления, которые обеспечивают полное газораспределение этого двигателя. Но так как цилиндры попарно оппозитны, а штоки крестообразны, а каждая оппозитная пара объединены общим штоком с поршнями и отделенная гидротрансформатором на рабочем валу на модули или одинаковые модули находятся с разных концов рабочего вала, но только повернуты между собой на девяносто градусов по оси вращения, поэтому газораспределительный механизм разделен в каждый модуль, у каждого модуля своя газораспределительная цепь и свои две газораспределительные полосы, которые обеспечивают газораспределение своего модуля и находятся в этом модуле и берущие привод от ведущей звездочки, находящейся на рабочем валу со стороны того же модуля.

В двухтактном режиме двигатель имеет всего четыре камеры расширения и поршни со стороны штока используются как перепускная камера для обеспечения работы двигателя, а уплотнение за счет крейцкопфов обеспечивает разделение между камерами и отделение бесшатунного механизма валов с полумодулями двигателя, а также отделение системы смазки двигателя, а соответственно нет газораспределительных цепей и звездочек, дополнительно уменьшаются габаритные размеры. Возможно использование вместо гидротрансформатора различных модификаций муфт сцепления.

Противоположное расположение цилиндров - оппозитное с двумя поршнями на одном штоке исключает вращательный момент от трения скольжения подшипников штока, соединяющихся со смещенной шейкой коленвала. Есть возможность применения только подшипников качения, а нахождение подшипников коленвала и рабочего вала на одном уровне дает дополнительное преимущество: уменьшение скручивающих моментов валов.

Для уменьшения габаритных размеров, улучшения газораспределения всего механизма используется газораспределительный механизм в виде цепей, которые разделены по ширине на четыре участка управления, с выступающими в виде кулачков в определенных местах каждого участка для полного газораспределения двигателя. Газораспределительные цепи вращаются в ту же сторону, что и рабочий вал. Газораспределительный механизм в виде цепей имеет ведущие звездочки, которые закреплены на рабочем валу жестко, соотношение зубьев звездочки к звеньям цепи 1:2 или звеньев в два раза больше чем зубьев. У каждой цепи два катка-звездочки, установленные с механизмом натяжения газораспределительной цепи у горизонтальных противолежащих головок двигателя, закрепленных в корпусе через подшипники и имеющих выходные валы для привода собственных нужд двигателя: масляный насос, насос охлаждающей жидкости, генератор. В зависимости от числа зубьев в звездочках получаем увеличение оборотов в пределах два, три раза. В камерах расширения двигателя, находящихся со стороны штока от поршня, имеется механизм управления клапанами с катком, находящимся над газораспределительным участком с определенным зазором, в определенном месте. Механизм дает возможность замены трения скольжения на трение качения, удлинение пути движения по кулачку газораспределительной цепи с улучшением качества газораспределения, а в камерах расширения, находящихся не со стороны штока от поршня, используются штанги для связи механизма управления с механизмом исполнения. В двигателе имеется две газораспределительные цепи с двумя катками-звездочками в каждой цепи, имеющие выходные валы для привода собственных нужд двигателя с увеличением оборотов в два раза и более, это повышает производительность, значит уменьшает габаритные размеры и металлоемкость приводных механизмов и узлов. У каждой цепи по два кулачка, а каждая газораспределительная цепь у своего штока с цилиндрами или полумодуля, находящиеся в корпусе рабочего вала. Газораспределительная цепь имеет большой зазор между газораспределительной цепью и катком и поэтому как следствие - безударные кулачки. Между ведущей звездочкой и корпусом имеется шестерня для запуска двигателя от стартера. Несколько камер расширения работают от одних и тех же кулачков газораспределительной цепи, значит у них одинаковая степень открывания клапанов и равномерный режим работы даже по мере износа.

Двигатель имеет раздельную систему смазки для гидротрансформатора с газораспределительным механизмом и коробкой переключения передач, смазывающихся трансмиссионным маслом. А сам двигатель смазывается моторным маслом и имеет систему охлаждения поршней и штоков по специальным каналам в штоках. По одному каналу подается масло в поршни, по другому возвращается, смазывая цилиндры и поршни, охлаждая их, обратно в полость двигателя, имеющего радиатор охлаждения масла или теплоносителя. Есть возможность применения газораспределительной цепи в качестве насоса моторного масла путем увлечения цепью масла при прохождения катка-звездочки после поворота. Масло отрывается и попадает к стенке корпуса кармана двигателя, где есть специальный карман для последующего отбора в картер.

Между штоками рядом с газораспределительными цепями закреплен через подшипники на корпусе рабочего вала зацепленный со шлицами рабочего вала гидротрансформатор, который адаптирован для этих условий и имеет шестерню наружного зацепления для отбора мощности. Гидротрансформатор отличается большим диаметром, соединяющим его через подшипники с рабочим валом двигателя, а шестерня гидротрансформатора соединяется непосредственно с коробкой переключения скоростей, так как средняя часть двигателя скреплена в единый корпус с коробкой переключения передач и имеет единую систему смазки, которая обеспечивает гидротрансформатор и всю систему кроме двигателя смазкой трансмиссионным маслом. Двигатель имеет свою систему смазки с моторным маслом, которая обеспечивает смазкой: рабочий вал, бесшатунный механизм, штоки с поршнями, цилиндрами и, где необходимо, моторное масло. Эта система разделена с помощью сальников, находящихся на рабочем валу. В гидротрансформаторе есть отбор для работы автоматической коробки переключения передач от реактора.

В бесшатунном механизме двигателя, за счет использования 1/4 хода поршня в механизме и преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала, используется довольно большой ход поршня, что дает предпочтение дизельному циклу работы двигателя.

Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен двигатель внутреннего сгорания для наглядности в продольном разрезе с бесшатунным механизмом и газораспределительным механизмом в виде цепей, находящихся рядом с цилиндрами; на фиг.2 - двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, разрез А-А; на фиг.3 - двигатель внутреннего сгорания, разрез Б-Б с бесшатунным механизмом для наглядности имеет местные разрезы; на фиг.4 - двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, разрез В-В на уровне газораспределительной цепи; на фиг. 5 - кинематическая схема двигателя внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом и газораспределительным механизмом в виде цепей, находящихся рядом с цилиндрами; на фиг. 6 - кинематическая схема двигателя внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, разрез Г-Г; на фиг. 7 - кинематическая схема двигателя внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, разрез Д-Д перед газораспределительными цепями; на фиг.8 - двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, для наглядности в продольном разрезе с параллельно расположенным газораспределительным механизмом в виде цепей; на фиг.9 - двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, разрез Е-Е;
на фиг.10 - двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, разрез Ж-Ж;
на фиг.11 - двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, разрез З-З на уровне газораспределительного механизма;
на фиг.12 - Кинематическая схема двигателя внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, для наглядности в продольном разрезе с параллельно расположенными газораспределительными цепями;
на фиг.13 - Кинематическая схема двигателя внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, в разрезе И-И;
на фиг.14 - Кинематическая схема двигателя внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, в разрезе К-К;
на фиг. 15 - двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, с двухтактным газораспределением, имеющий для наглядности частичные разрезы.

на фиг. 16 - двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, в разрезе Л-Л, с муфтой сцепления сухого исполнения;
на фиг. 17 - двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, в разрезе М-М, с муфтой сцепления сухого исполнения;
на фиг.18 - Кинематическая схема двигателя внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, с двухтактным газораспределением;
на фиг.19 - Кинематическая схема двигателя внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, разрез Н-Н с муфтой сцепления сухого исполнения;
на фиг.20 - Кинематическая схема двигателя внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, в разрезе О-О с муфтой сцепления;
на фиг. 21 - один цикл поэтапного движения бесшатунного механизма двигателя внутреннего сгорания, в один оборот рабочего вала;
на фиг.22 - диаграмма газораспределения двигателя внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, без учета углов опережения и показано с разделом тактов в газораспределительном механизме.

Двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом содержит цилиндры 1, расположенные напротив друг друга, крестообразно с разных сторон от рабочего вала 2. Каждая пара оппозитных цилиндров закреплена в корпусе 3 двигателя, в котором размещен рабочий вал 2 на подшипниках 4, рабочий вал 2 с отверстием, расположенным со смещением на 1/4 хода поршня от главной оси вращения. В отверстие через подшипники 5 установлен коленвал 6 (фиг.1 и фиг. 2) Коленвал 6, установленный на подшипниках 5 в рабочий вал 2, имеет две шейки, выступающие за пределы рабочего вала 2, с разных концов, находящиеся противоположно от оси вращения коленвала 6, имеющего смещение на 1/4 хода поршня. Эти шейки сочленены через подшипники 7 со штоками 8 посередине, которые через уплотнительные камеры-крейцкопфы 9 жестко сочленены с помощью резьбы с поршнями 10, находящимися в оппозитных цилиндрах 1 (фиг.3).

В двигателе для отбора мощности используется середина рабочего вала 2, который в зацеплении через шлицы 11 с гидротрансформатором 12, закрепленным на рабочем валу через подшипники и имеющим зубчатый венец 13 наружного зацепления для отбора мощности двигателя.

Гидротрансформатор 12 для этого двигателя конструктивно изменен. В рабочем валу двигателя установлен через подшипники реактор 14, который используется в системе управления автоматической коробки переключения передач с помощью шестерни 15. Насос 16 через шлицы соединен с рабочим валом 2, а турбина 17 совмещена с корпусом гидротрансформатора, на котором находится зубчатый венец 13 наружного зацепления для отбора мощности.

Используются газораспределительные механизмы в виде цепей, или газораспределительные цепи 18. В этом случае две однорядные цепи обеспечивают по ширине цепей четыре участка управления с выступающими в виде кулачков 19 в определенных местах каждого участка и для полного газораспределения двигателя с восьмью камерами расширения. Газораспределительные цепи 18 вращаются в ту же сторону, что и рабочий вал 2 двигателя и имеет опорные катки 20, которые находятся в нужном месте управления как опора для механизма управления клапанами, смещенными в нужное место для обеспечения работы двигателя (фиг.4, фиг.7 и фиг.8, 11). Газораспределительная цепь 18 имеет ведущую звездочку 21, которая закреплена на рабочем валу жестко, с соотношением зубьев звездочки к звеньям цепи один к двум или звеньев в два раза больше чем зубьев. А также имеет четыре катка-звездочки 22, которые в зависимости от количества зубьев будут иметь увеличение оборотов, по техническим условиям в пределах два-три раза (на чертежах показана 1/2 фиг.10 и 11). Каток-звездочки 22 установлены с механизмом натяжения газораспределительной цепи и закреплены у противолежащих головок двигателя или в корпусе двигателя параллельно горизонтальному полумодулю (фиг.9 и 14). Каток-звездочки 22 закреплены через подшипники. У каждого катка-звездочки 22 есть выходной вал 23 для собственных нужд: масляный насос, генератор, насос охлаждающей жидкости (фиг. 13). В двигателе имеется механизм управления клапанами с катком 24, находящимся над одной из газораспределительных полос с определенным зазором, в нужный момент из нужного места с помощью кулачка 19 как конус раздвигает, так как газораспределительная цепь 18 оказывается между катком клапанного механизма 24 и катком-опорой 20, потом освобождает, когда закончится кулачок 19 на распределительной полосе. Так работает весь механизм газораспределения (фиг. 4. и фиг. 5 фиг.6). Это дает возможность замены трения скольжения на трение качения с использованием штанг толкателей для удаленных рабочих камер от рабочего вала. В двигателе имеются четыре катка-звездочки 22 с выходными валами 23 для привода собственных нужд двигателя с увеличением оборотов, что повышает производительность приводных механизмов и узлов, уменьшает габаритные размеры и металлоемкость. Между ведущей звездочкой и корпусом имеется шестерня 25 для запуска двигателя от стартера (фиг.12).

Механизмы двухплечие имеют свои катки 24 с подшипниками, которые расположены над газораспределительным участком газораспределительной цепи и работающих с большим зазором в безударном режиме (на чертежах механизм не показан кроме катка 24).

Устройство работает следующем образом. С целью увеличения ресурса работы и КПД, уменьшения габаритных размеров, снижения вибрации и износа возвратно-поступательное движение поршней 10 преобразуется во вращательное движение рабочего вала 2 путем использования в рабочем валу 2 отверстия, имеющего смещение на 1/4 хода поршня от центра вращения рабочего вала для установки в это отверстие через подшипники 5 коленвала 6, имеющего выступающие из разных концов рабочего вала шейки, смещенные на противоположные стороны от центра вращения коленвала, или две шейки от оси вращения коленвала в разные стороны и с разных концов коленвала, выступающие за пределы рабочего вала (фиг.15 и фиг.18 и 20). С этими шейками через подшипники связаны штоки, которые движутся возвратно-поступательно, а рабочий вал вращается, но у коленвала движение сложное. Он движется по кругу и крутится в обратном направлении.

Как показано на фиг. 3 в статическом состоянии и один цикл поэтапного движения коленвал 6 вращается как водило со смещением оси на 1/4 хода поршня.

Таким образом, за счет вращения коленвала 2 и эксцентрической втулки 4 в разные стороны они складываются до середины хода поршня I-II.

Потом раскладываются до другого края хода поршня II-III.

И обратно складываются, прокрутившись вокруг оси коленвала 2 также до середины III-IV.

Потом раскладываются до другого края, и так каждый шток 7 движется возвратно-поступательно IV-I, то есть цикл движения штока.

Таким образом, эксцентрическая втулка 4 совершает в обратном направлении круговое движение со смещением оси на 1/4 хода поршня, а коленвал 2 крутится в другом направлении вокруг основной оси с шейками со смещением оси на 1/4 хода поршня.

Если рассмотреть газораспределение четырехпоршневого двигателя с противолежащими цилиндрами по краям коленвала, напротив шеек с порядком работы поршней или камер расширения; I; II; III; 1-ч, которые расположены как бы по кругу (фиг. 7), то достаточно четырех газораспределительных колец с кулачками с разделительными технологическими проточками для полного газораспределения в клапанных механизмах. За счет противоположности рабочих камер в двигателе одно кольцо с кулачком выполняет функции сразу для двух выхлопных клапанов противолежащих камер расширения двигателя или для двух всасывающих клапанов противолежащих камер расширения.

Таким образом, за счет вращения рабочего вала 2 и коленвала 6 в разные стороны они складываются до середины хода поршня.

Потом раскладываются до другого края хода поршня.

И обратно складываются, прокрутившись вокруг оси отверстия рабочего вала 2 также до середины.

Таким образом, коленвал 6 совершает круговое движение в обратном направлении, его ось крутится в другом направлении вокруг основной оси рабочего вала со смещением оси 1/4 хода поршня, а рабочий вал 2 крутится.

Рассмотрим газораспределение двигателя с четырьмя цилиндрами, расположенными попарно крестообразно с углом девяносто градусов, имеющими восемь камер расширения с разных сторон поршней и в разных краях цилиндра с порядком работы камер расширения: 1, 2, 3, 4, 3, 4, 1, 2, которые расположены по кругу (фиг. 3), то достаточно четырех газораспределительных участков для двигателя по два кулачка 19 в разных газораспределительных цепях 18 (см. диаграмму газораспределения фиг. 22). В диаграмме углы опережения не учтены, сама диаграмма описана в виде газораспределительного круга поэтому рабочий ход в двигателе происходит через девяносто градусов поворота коленвала. Диаграмма разделена на две модульные группы. Из диаграммы видно, что из-за расположения модулей газораспределительные цепи повернуты на девяносто градусов, но они взаимозаменяемы. За счет оппозитного расположения рабочих камер, расположения самих камер расширения и смещения места управления с использованием опорных катков 20 один газораспределительный участок с кулачком выполняет функции сразу для четырех выпускных режимов камер расширения одного модуля, а другой кулачок - для четырех впускных режимов камер расширения того же модуля газораспределительного механизма.

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, содержащий цилиндры, поршни, попарно жестко связанные между собой штоками, корпус, в котором на подшипниках размещен рабочий вал с отбором мощности в его средней части и имеющий отверстие, смещенное на ¹/₄ хода поршня от оси вращения рабочего вала, причем в отверстии рабочего вала через подшипники установлен коленчатый вал, имеющий две противоположно расположенные шейки, сочлененные через подшипники со штоками и находящиеся в разных концах вала со смещением на ¹/₄ хода поршня от оси вращения коленчатого вала и выступающие с разных сторон за пределы рабочего вала, отличающийся тем, что шейки коленчатого вала смещены в разные стороны, цилиндры расположены крестообразно, а для отбора мощности используется зубчатый венец наружного зацепления гидротрансформатора, причем насос гидротрансформатора соединен через шлицы с рабочим валом, турбина гидротрансформатора совмещена с его корпусом, а зубчатый венец наружного зацепления для отбора мощности находится на корпусе гидротрансформатора.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что двигатель имеет два модуля.

3. Двигатель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что газораспределение выполнено в виде участка юбки поршня, управляющего окнами цилиндра, соединенными с впускными и выпускными каналами.

4. Двигатель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что газораспределение выполнено клапанным с кулачками и газораспределительной цепью.

5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что газораспределительный механизм одного модуля состоит из двух цепей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22