ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к машиностроению, а точнее к производству и эксплуатации поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Известен повсеместно применяющийся во всем мире поршневой ДВС, содержащий, кривошипно-шатунный механизм, преобразующий прямолинейное перемещение поршня во вращательное движение вала, для обеспечения создания крутящего момента (Мкр) на выходном валу (См. «Политехнический словарь», СЭ, М, 1976, стр.382).
Использование в конструкции этого ДВС кривошипно-шатунного механизма является главным ее недостатком, т.к. при его применении исключается возможность создания кривошипного плеча в момент, когда над поршнем создается максимальное давление рабочего газа. Кривошипное плечо появляется только после того, как вал повернется относительно положения в верхней мертвой точке (ВМТ) не менее чем на 50-85°, при этом давление рабочего газа многократно снизится, а Мкр возникнет и будет кратковременно расти, но величина его тоже будет многократно меньше той величины, которая обеспечивалась бы в случае наличия плеча при положении вала в ВМТ. Из изложенного понятно, какие большие потери энергии вызываются применением кривошипно-шатунного механизма для преобразования прямолинейного перемещения поршня во вращательное движение вала.
Известен двигатель, в котором реализован новый способ преобразования прямолинейного перемещения поршня во вращательное движение вала (см. патент RU 2187006, опубл. 10.08.2002). В указанном патенте раскрыт способ, при котором вместо шатуна используется шток, соединенный с пальцем поршня и имеющий только возвратно - поступательное движение. Шток за счет усилия поршня при максимальном давлении рабочего газа и каждом обороте двигателя создает толчок на кривошипное плечо вала. Создание мощного толчка на кривошип вала становится возможным благодаря тому, что ось вала располагается от оси поршня на расстоянии, равном величине кривошипного плеча. Расположение оси вала и оси поршня в разных плоскостях становится возможным при исключении шатуна и вращения его нижней головки совместно с осью кривошипа.
При работе ДВС с использованием описанной конструкции при каждом рабочем ходе поршня обеспечивается существенное повышение его эффективности. Но изложенная в патенте №2187006 конструкция ДВС имеет существенные недостатки, которые вызывают затруднения при разработке рабочего варианта конструкции двигателя.
Изложенные в патенте №2187006 технические решения, в том числе по вопросам расположения и закрепления головок толкателей поршня совместно с головкой штока на пальце поршня, применение жесткой пружины сжатия с большим ходом для перемещения поршня и применение жесткой поперечной балки для фиксации ползуна имеют общий для всех недостаток, заключающийся в возможности усталостного разрушения деталей из-за высоких напряжений и деформаций при знакопеременных нагрузках. Высокие напряжения и деформации могут возникать также в связи с отсутствием амортизатора для остановки штока после создания рабочего толчка. При наличии указанных недостатков патент №2187006 не может использоваться для создания надежного варианта конструкции ДВС.
Целью предлагаемого изобретения является упрощение конструкции, повышение надежности и крутящего момента ДВС с помощью способа преобразования прямолинейного перемещения поршня во вращательное движение вала с использованием штока.
Поставленная цель достигается тем, что предлагается ДВС, состоящий из цилиндропоршневой группы, головки двигателя с камерой сгорания, механизма газораспределения, систем смесеобразования, топливоподачи, смазки и охлаждения, штоков и продольного вала, выполненного многокулачковым, ось которого параллельна торцам цилиндров и плоскости, проходящей через ось цилиндров, и распложена от нее на расстоянии, равном величине, требуемой для обеспечения заданного плеча, симметрично оси каждого из цилиндров выполнены кулачки - по три кулачка напротив каждого цилиндра, в том числе по одному среднему кулачку, связанному с поршнем через шток, боковая поверхность которого постоянно поджата к поверхности среднего кулачка, и двух функциональных кулачков, каждый из которых связан с поршнем, отличающийся тем, что средний кулачок выполнен с прямоугольной канавкой вдоль его образующих, продольная ось прямоугольной канавки среднего кулачка пересекает радиус кулачка, равный по величине плечу, прямоугольная канавка на среднем кулачке имеет возможность взаимодействовать с прямоугольным выступом, расположенном на боковой поверхности штока, ширина выступа на 1 мм меньше ширины канавки на кулачке, верхняя головка штока плотно соединена с пальцем поршня, функциональные кулачки имеют возможность взаимодействовать с поршнем через Г-образный ползун, жестко зафиксированный на штоке, функциональные кулачки имеют радиальный уступ, смещенный на 90° от оси прямоугольной канавки в сторону, противоположную вращению вала, прямоугольный выступ штока имеет возможность совмещаться с канавкой среднего кулачка, при этом исключается соприкосновение рабочих поверхностей функционального кулачка и ползуна, соприкосновение нижних кромок канавки и прямоугольного выступа штока становится возможным использовать для рабочего хода, а соприкосновение верхних кромок канавки и прямоугольного выступа - для осуществления такта всасывания, кроме того, кольцевой выступ на штоке имеет возможность соприкосновения с набором тарельчатых пружин, жестко закрепленных на корпусе ДВС.
Рабочий толчок создается штоком в момент, когда поршень находится в ВМТ, под максимальным давлением рабочего газа, а ползун теряет опору на поверхности функциональных кулачков. Максимальная величина плеча, которая обеспечивается при нормальном положении радиуса среднего кулачка с осью штока, незначительно уменьшается при рабочем повороте кулачка. Благодаря тому, что в предлагаемой конструкции ДВС исключается применение высоконагруженных деталей, при ее работе кардинально снижаются или даже исключается возможность усталостного разрушения деталей. Предлагаемый ДВС иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показана упрощенная схема двигателя; на фиг.2 - вид по стрелке А на фиг.1; на фиг.3, 4 - сечение Б-Б на фиг.1 (на фиг.3 - начало рабочего хода; на фиг.4 - начало такта всасывания).
Двигатель (фиг.1, 2) включает шток 1, верхняя головка которого соединена по прессовой посадке с пальцем поршня (на чертеже не показано), кольцевой выступ 2 на штоке 1 при окончании рабочего хода взаимодействует с набором тарельчатых пружин, неподвижно закрепленных на корпусе ДВС (на чертеже не показаны).
На боковой поверхности штока 1 (фиг.3, 4) выполнен прямоугольный выступ 3, взаимодействующий с прямоугольной канавкой 4, расположенной вдоль образующих среднего кулачка 5. Боковая поверхность 6 штока 1 постоянно поджимается к рабочей поверхности 7 среднего кулачка 5. Середина среднего кулачка 5 и ось цилиндра лежат в одной плоскости, нормальной к оси многокулачкового вала 8. Напротив каждого цилиндра на валу 8 выполнены еще по два функциональных кулачка 9 с радиальным уступом 10. Функциональные кулачки 9 взаимодействуют с Г-образным ползуном 11, жестко зафиксированным на штоке 1.
Описание работы двигателя целесообразно начать с рабочего хода поршня, когда поршень находится в ВМТ, при максимальном давлении рабочего газа. В этот момент прямоугольный выступ 3 заходит в прямоугольную канавку 4, а ползун 11 теряет опору на рабочей поверхности функциональных кулачков 9. Все усилие, создаваемое поршнем, за счет контакта нижней кромки прямоугольного выступа 3 с нижней кромкой прямоугольной канавки (4) среднего кулачка 5 передается на вращение многокулачкового вала 8 и создание запаса инерции вращения у маховика. Передача усилия поршня на вал при рабочем ходе заканчивается после выхода прямоугольного выступа 3 из канавки, после чего движение поршня останавливается за счет взаимодействия кольцевого выступа (2) штока 1 с набором тарельчатых пружин. В этот момент ползун 11 начинает взаимодействовать с рабочей поверхностью функционального кулачка 9. Кулачок 9 с помощью ползуна 11 и штока 1 перемешает поршень в ВМТ, поршень начинает перемещаться, выталкивая из цилиндра отработанный газ, происходит такт выпуска. В это время вал 8 вращается за счет инерции маховика. В начале движения поршня после прохождения ВМТ прямоугольный выступ 3 заходит в прямоугольную канавку 4, ползун 11 теряет опору на рабочей поверхности функционального кулачка 9, верхняя кромка выступа 3 входит в контакт с верхней кромкой канавки 4 и за счет этого идет перемещение поршня в НМТ и происходит такт всасывания (впуска). Такт всасывания заканчивается при выходе прямоугольного выступа 3 из прямоугольной канавки 4, после чего ползун 11 за счет возобновляющегося рабочего контакта с рабочей поверхностью функционального кулачка 9 перемещает шток и поршень в направлении к ВМТ, обеспечивается сжатие топливной смеси. Далее идет уже описанный рабочий ход. Так происходит в каждом цилиндре в соответствии с порядком работы при предложенном механизме превращения прямолинейного движения поршня во вращательное движение выходного вала.
В изложенном варианте исключены все недостатки конструкции, существующие в патенте №2187006 и затрудняющие его реализацию. Реализация предлагаемого технического решения позволяет коренным образом, как уже показано, повысить эффективность поршневого двигателя.
В результате такого конструктивного исполнения ДВС уменьшится величина рабочего хода поршня, что позволит уменьшить расход топлива и выбросы отработанного газа в атмосферу, многократно повысится усилие на создание Мкр, уменьшится расход энергии, необходимой для работы двигателя, обеспечится сокращение времени для достижения заданной скорости при троганьи с места, существенно упростится проблема создания супермощных двигателей и производительность труда при их изготовлении.