Двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом
Изобретение относится к области двигателестроения. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит параллельно расположенные цилиндры, поршни в которых попарно жестко связаны между собой штоками. В рабочем валу выполнено отверстие, расположенное со смещением на 1/4 хода поршня от главной оси вращения. В отверстии рабочего вала на подшипниках установлен коленвал, имеющий две соосно расположенные шейки, смещенные от оси вращения коленвала на 1/4 хода поршня и выступающие за пределы рабочего вала с разных сторон. Шейки сочленены через подшипники со штоками. Согласно изобретению, коленвал имеет дополнительные шейки с подшипниками, расположенные параллельно друг другу с разных концов коленвала за шейками штоков со смещением на 1/2 хода поршня относительно шейки штока коленвала и на 1/4 хода поршня относительно оси вращения коленвала. При этом дополнительные шейки движутся по поперечным относительно штока пазам. Двигатель имеет отбор мощности в средней части рабочего вала, а газораспределение выполнено в виде газораспределительных цепей, связанных со средней частью рабочего вала. Причем рабочий вал имеет противовесы, а коленвал имеет выборку для его балансировки. 4 ил.
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала как четырехтактным, так и двухтактным.
Известен двигатель внутреннего сгорания (патент Германии №3001094, МПК F 02 B 75/32, опубл. 1981), который имеет бесшатунный механизм, состоящий из двух частей рабочего вала и вспомогательного коленвала, установленного по середине между частями рабочего вала со смещением на 1/4 хода поршня через подшипники. Вспомогательный коленвал жестко соединен с двумя шестернями диаметром 1/2 хода поршня, зацепленными с внутренними зубьями закрепленных в корпусе по оси двигателя шестерен, диаметр которых равен ходу поршня. Шейка вспомогательного коленвала также смещена на 1/4 хода поршня от оси вспомогательного коленвала, при этом она жестко соединена с двумя шестернями и находится между ними. Объединительный вал соединяет две части рабочего вала, а шейка вспомогательного коленвала через подшипник соединяется со штоком, проходящим через уплотнение в расположенные противоположно друг другу рабочие камеры. На концах штока закреплены поршни.
Кроме того, известен двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом (см. а.с. СССР №11847, МПК F 01 B 9/02, опубл. 1974), в котором механизм содержит шток, жестко соединенный с поршнями противолежащих цилиндров и с крейцкопфами, коленчатый вал, концевые шейки которого могут двигаться по кругу с радиусом, равным 1/4 хода поршня, кривошипы с центральными выводными валами и соединительный вал с шестернями наружного зацепления, фиксирующими относительное положение кривошипов друг относительно друга.
Наиболее близким по совокупности признаков и значимости аналогом является двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом (см. Международную заявку WO 92/17694, МПК F 02 B 75/32, опубл. 15.10.1992), в котором попарно с разных сторон от рабочего вала расположены цилиндры с поршнями. Поршни попарно жестко связаны между собой штоками, сочлененными через подшипники с шейками коленчатого вала. Коленвал имеет две шейки, расположенные по одной оси, находящиеся в разных концах коленвала. Шейки смещены на 1/4 хода поршня от оси вращения коленвала и выступают 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, равным ходу поршня. Коленвал закреплен в рабочем валу через подшипники со смещением на 1/4 хода поршня.
Недостатком известного технического решения является то, что шестерни механизма ограничивают диаметр коленвала и его прочность, а также жесткость механизма, что приводит к повышенному износу и снижению ресурса двигателя.
Технической задачей изобретения является упрощение конструкции двигателя и повышение надежности его работы при увеличении жесткости механизма, а также уменьшение габаритных размеров, увеличение ресурса и КПД двигателя.
Поставленная цель достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, включающим параллельно расположенные цилиндры, поршни в которых попарно жестко связаны между собой штоками, рабочий вал с отверстием, расположенным со смещением на 1/4 хода поршня от главной оси вращения, в отверстии рабочего вала на подшипниках установлен коленвал, имеющий две соосно расположенные шейки, смещенные от оси вращения коленвала на 1/4 хода поршня, выступающие за пределы рабочего вала с разных сторон и сочлененные через подшипники со штоками, согласно изобретению, коленвал имеет дополнительные шейки с подшипниками, расположенные параллельно друг другу с разных концов коленвала за шейками штоков со смещением на 1/2 хода поршня относительно шейки штока коленвала и на 1/4 хода поршня относительно оси вращения коленвала, дополнительные шейки движутся по поперечным относительно штока пазам, двигатель имеет отбор мощности в средней части рабочего вала, а газораспределение выполнено в виде газораспределительных цепей, связанных со средней частью рабочего вала, причем рабочий вал имеет противовесы, а коленвал имеет выборку для его балансировки.
Эффект достигается за счет применения дополнительных шеек в коленвале за шейками штоков, которые движутся по пазам перпендикулярно штокам. Этот коленвал имеет две дополнительные шейки как продолжение коленвала со смещением на 1/2 хода поршня от шейки для штока коленвала и на 1/4 от оси вращения коленвала. С каждой стороны рабочего вала противоположно расположены цилиндры с поршнями, которые жестко соединены штоком, а штоки расположены параллельно между собой. Каждый шток соединен по середине через подшипники со смещенной шейкой коленвала. Два штока с поршнями совершают возвратно-поступательное движение в цилиндрах и образуют восемь камер расширения двигателя. Из них четыре камеры с наружных сторон поршней, а четыре со стороны штока.
Каждый шток с четырьмя рабочими камерами образует модули. У каждого модуля своя газораспределительная цепь с двумя выступающими в виде кулачков участками газораспределения.
В четырехтактном и двухтактном режимах двигатель может иметь всего четыре камеры расширения. Уплотнение камер расширения за счет крейцкопфов обеспечивает отделение камерами от механизма двигателя, а также отделение от системы смазки. При двухтактном режиме отсутствуют газораспределительные цепи, что дополнительно уменьшает габариты. Вместо гидротрансформатора можно использовать различные модификации с муфтами сцепления, например сухое сцепление.
Противоположное расположение цилиндров с двумя поршнями, связанными штоком, 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, уменьшая скручивающие моменты валов.
Двигатель имеет раздельную систему смазки для гидротрансформатора, газораспределительного механизма и коробки переключения передач, смазывающихся трансмиссионным маслом. 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 каналу смазываются цилиндры. Через поршни масло, охлаждая их, возвращается обратно в полость двигателя. Система охлаждения имеет радиатор охлаждения масла, или охлаждения двигателя. В двигателе применяется очень короткая масляная магистраль в рабочем валу. Каналы системы охлаждения поршней со штоками очень длинные. Это дает преимущество. Пока масло холодное или густое, оно по каналам протекает медленно. Масляный насос работает в основном на редукционный клапан, удерживая давление масла в магистрали смазки. После прогрева двигателя масло имеет высокую текучесть. После нагрева циркуляция масла нормализуется и будет зависеть только от температурной вязкости масла, длины каналов и их сечения. В рабочем валу также жестко закреплена центрифуга (возможно изготовление полой звездочки) для очистки масла, которая находится снаружи рабочего вала (на чертеже не показано) и соединена с магистралью. Масло вращается вместе с рабочим валом, очищаясь от тяжелых примесей.
Между газораспределительными цепями снаружи рабочего вала через подшипники закреплен гидротрансформатор. Его насос имеет зацепление со шлицами рабочего вала. Гидротрансформатор имеет шестерню наружного зацепления для отбора мощности и имеет относительно большой диаметр.
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 трансмиссионным маслом, за исключением двигателя. Двигатель имеет свою систему смазки с моторным маслом, которая обеспечивает смазкой рабочий вал, механизм, штоки с поршнями, цилиндры. Эта система разделена с помощью сальников, находящихся на рабочем валу. В гидротрансформаторе есть отбор для работы автоматической коробки переключения передач от реактора.
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами:
На фиг.1 показан продольный разрез описываемого двигателя;
на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;
на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1;
на фиг.4 - разрез В-В на фиг.1 по газораспределительной цепи.
Описываемый двигатель содержит цилиндры 1, расположенные друг против друга параллельно с разных сторон от рабочего вала 2. Каждая пара противоположных цилиндров закреплена в корпусе 3 двигателя. В двигателе установлен рабочий вал 2 на подшипниках 4. В рабочем валу 2 выполнено отверстие со смещением на 1/4 хода поршня от главной оси вращения. В отверстии через подшипники 5 установлен коленвал 6 (фиг.1). Коленвал 6 имеет две шейки, выступающие за пределы рабочего вала 2 с разных его концов и расположенные соосно со смещением на 1/4 хода поршня от оси коленвала 6. Эти шейки сочленены через подшипники 7 со штоками 8 по середине. Штоки 8 через уплотнительные камеры - крейцкопфы 9 жестко сочленены с поршнями 10, находящимися в цилиндрах 1 (фиг.1). У коленвала 6 имеются две дополнительные соосные шейки, расположенные со смещением 1/2 хода поршня по отношению к шейке штока 8 коленвала 6 и на 1/4 хода поршня от оси вращения коленвала 6. Каждая дополнительная шейка с подшипником 11 находится в поперечном по отношению к штоку 8 пазу 12. Дополнительная шейка, двигаясь по пазу 12, управляет работой механизма.
В двигателе для отбора мощности используется середина рабочего вала 2, который зацеплен через шлицы 13 с гидротрансформатором 14. У гидротрансформатора 14 есть зубчатый венец 15 наружного зацепления для отбора мощности. Гидротрансформатор 14 имеет реактор 16, который используется в системе управления автоматической коробки переключения передач с помощью шестерни 17. Насос 18 в гидротрансформаторе 14 через шлицы 13 связан с рабочим валом 2, а турбина 19 совмещена с корпусом гидротрансформатора 14, на котором находится зубчатый венец 15 наружного зацепления для отбора мощности.
Как показано на фиг.1, рабочий вал имеет противовесы 20, а коленвал 6 имеет выборку 21 для балансировки коленвала.
Каждая газораспределительная цепь 22 зацеплена со звездочкой 23 рабочего вала 2 и с двумя роликами-звездочками 24, находящимися на противоположных головках двигателя между цилиндрами 1, и имеет механизм натяжения газораспределительной цепи (на чертежах не показан). Исполнительные механизмы имеют ролики 25 с подшипниками, которые расположены над газораспределительным участком газораспределительной цепи 22, находящимся над роликом-опорой 26, и работают с большим зазором в безударном режиме за счет конфигурации кулачка 27 газораспределительной цепи 22 (на чертежах исполнительные механизмы не показаны, кроме ролика 25). Двигатель имеет разделительные сальники 28 для разделения системы смазки и каналы 29 подачи смазки, а также каналы охлаждения и смазки 30, проходящие по штокам и поршням. Для привода стартера имеется шестерня 31, запрессованная в звездочку 23. Газораспределительная цепь передает крутящий момент на ролики-звездочки 24 с валами 32 для передачи момента к узлам 33 собственных нужд (генератор, трамблер, масляный и топливный насосы и т.д.).
Устройство работает следующим образом. Возвратно-поступательное движение поршней 10 преобразуется во вращательное движение рабочего вала 2. При вращении вала 2 подшипник 11 дополнительных шеек движется возвратно-поступательно по поперечными пазам 12. Коленвал 6 вращается в направлении, обратном вращению рабочего вала 2, и в два раза быстрее него.
Коленвал 6 вращается как водило со смещением оси на 1/4 хода поршня. Таким образом, за счет вращения рабочего вала 2 и коленвала 6 в разные стороны они сходятся до середины хода поршня, а потом расходятся.
Таким образом, коленвал 6 вращается в одном направлении, а его ось - в другом направлении вокруг основной оси рабочего вала 2 со смещением оси на 1/4 хода поршня. Вращение рабочего вала 2 показано на фиг.3 и 4.
Для двигателя с четырьмя цилиндрами 1, расположенными параллельно и имеющими восемь камер расширения, достаточно четырех газораспределительных участков по два кулачка 27 в разных газораспределительных цепях 22.
В двигателе рабочий ход происходит через 180 градусов поворота коленвала. Например, коленвал 6 крутится против часовой стрелки, а рабочий вал 2 по часовой стрелке, и газораспределительные цепи параллельны и взаимозаменяемы. За счет оппозитного расположения рабочих камер один газораспределительный участок с кулачком выполняет функции сразу для четырех выпускных режимов камер расширения одного модуля (фиг.4).
Двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, включающий параллельно расположенные цилиндры, поршни в которых попарно жестко связаны между собой штоками, рабочий вал с отверстием, расположенным со смещением на 1/4 хода поршня от главной оси вращения, в отверстии рабочего вала на подшипниках установлен коленвал, имеющий две соосно расположенные шейки, смещенные от оси вращения коленвала на 1/4 хода поршня, выступающие за пределы рабочего вала с разных сторон и сочлененные через подшипники со штоками, отличающийся тем, что коленвал имеет дополнительные шейки с подшипниками, расположенные параллельно друг другу с разных концов коленвала за шейками штоков со смещением на 1/2 хода поршня относительно шейки штока коленвала и на 1/4 хода поршня относительно оси вращения коленвала, дополнительные шейки движутся по поперечным относительно штока пазам, двигатель имеет отбор мощности в средней части рабочего вала, а газораспределение выполнено в виде газораспределительных цепей, связанных со средней частью рабочего вала, причем рабочий вал имеет противовесы, а коленвал имеет выборку для его балансировки.
