ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к конструкции поршневых двигателей внутреннего сгорания (далее - ДВС).
Коленчатый и распределительный валы являются сложными по конструкции и дорогими деталями ДВС. Производство указанных валов требует проведения большого количества станочных операций, что значительно увеличивает стоимость готового изделия. Также коленчатый и распределительный валы работают на подшипниках скольжения, что снижает индикаторную и эффективную мощность ДВС. Обеспечение возможности работы ДВС без коленчатого и распределительного валов позволяет повысить его надежность и упростить конструкцию.
Известна конструкция ДВС (заявка на патент РФ №95107976, 20.04.1997 г.), который содержит подшипники качения, блок цилиндров, расположенных по периметру вокруг оси центрального вала, шатунно-поршневые группы, кривошипы, не соединенные в коленчатый вал, передающие вращение через шестерни на центральный вал, одновременно являющийся распределительным.
Для обеспечения работы указанного двигателя требуется использование дополнительных механизмов, обеспечивающих горизонтальное вращение, что является затратным и неудобным с точки зрения применения в производстве, также усложняет конструкцию ДВС, снижая ее надежность.
Известна конструкция ДВС (международная заявка №00/43656, 27.07.2000 г.), который содержит цилиндр с поршнем и шатуном, верхние и нижние шестерни, обхваченные цепными передачами, при этом верхние шестерни соединены между собой и с шатуном посредством поршневого пальца, каждая из верхних шестерен соединена с нижними шестернями на выходном валу.
Рассмотренная конструкция ДВС позволяет заменить коленчатый вал, упростить технологию изготовления и сборки, увеличить количество оборотов выходного вала в 1,5-2 раза. Однако наличие цепной передачи, которая обхватывает верхние и нижние шестерни, приводит к усложнению и нагромождению самой конструкции используемого зубчатого механизма, что может привести к его заклиниванию на больших скоростях. Поэтому надежность данного двигателя является недостаточной.
Известна конструкция ДВС (Европейский патент №2503129, 26.09.2012 г.), принятого за наиболее близкий аналог к заявляемому решению, который содержит цилиндр с поршнем и шатуном, вал отбора мощности, первую шестерню, соединенную с шестерней передачи крутящего момента, находящуюся в зацеплении с первой шестерней вала отбора мощности, вторую шестерню, соединенную с маховиком с зубчатой нарезкой, находящимся в зацеплении со второй шестерней вала отбора мощности, при этом первая шестерня и вторая шестерня расположены внутри цилиндра и соединены между собой и с шатуном, шестерня передачи крутящего момента и маховик с зубчатой нарезкой расположены за пределами цилиндра.
Данная конструкция ДВС позволяет исключить коленчатый вал, что приводит к ее упрощению, которое тем не менее является недостаточным из-за наличия распределительного вала. К тому же сложность конструктивной реализации решения в целом приводит к недостаточному уровню надежности.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности конструкции и ее упрощение за счет замены распределительного и коленчатого валов на систему связанных между собой шестерней.
Технический результат достигается при использовании поршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащего цилиндр с поршнем и шатуном, вал отбора мощности, на котором расположены первая и вторая шестерни вала отбора мощности, первую шестерню, соединенную с шестерней передачи крутящего момента, находящуюся в зацеплении с первой шестерней вала отбора мощности, вторую шестерню, соединенную с маховиком с зубчатой нарезкой, находящимся в зацеплении со второй шестерней вала отбора мощности, зубчатое распределительное колесо с кулачками-толкателями, соединенное с шестерней передачи крутящего момента, при этом первая шестерня и вторая шестерня расположены внутри цилиндра и соединены между собой и с шатуном, шестерня передачи крутящего момента и маховик с зубчатой нарезкой расположены за пределами цилиндра, соединение первой шестерни с шестерней передачи крутящего момента, соединение второй шестерни с маховиком с зубчатой нарезкой, а также зубчатое распределительное колесо установлены в подшипники качения.
Расположение первой шестерни и второй шестерни внутри цилиндра, их соединение между собой и с шатуном, также соединение с одной стороны первой шестерни с шестерней передачи крутящего момента, расположенной за пределами цилиндра и соединенной с зубчатым распределительным колесом и первой шестерней вала отбора мощности, соединение с другой стороны второй шестерни с маховиком с зубчатой нарезкой, расположенным за пределами цилиндра и соединенным со второй шестерней вала отбора мощности, наличие кулачков-толкателей на зубчатом распределительном колесе, наличие подшипников качения позволяет исключить из конструкции ДВС распределительный и коленчатый валы, тем самым упростить конструкцию, повысить ее надежность и долговечность.
Первая и вторая шестерни могут быть соединены между собой и с шатуном посредством шатунного пальца, также конусного, шпоночного, шлицевого соединения, конусного соединения с горячей посадкой и затяжной гайкой и т.д.
Первая шестерня может составлять единое целое с шестерней передачи крутящего момента.
Вторая шестерня может составлять единое целое с маховиком с зубчатой нарезкой, может представлять собой отдельные детали, соединенные при помощи, например, конусного, шпоночного, шлицевого соединения, конусного соединения с горячей посадкой и затяжной гайкой и т.д.
Указанная конструкция ДВС позволяет заменить используемые традиционно подшипники скольжения на подшипники качения, что позволяет уменьшить трение, повысить индикаторную и эффективную мощность ДВС.
На фиг. 1 показан общий вид конструкции поршневого ДВС, на фиг. 2 - соединение первой шестерни с шестерней передачи крутящего момента и второй шестерни с маховиком с зубчатой нарезкой, на фиг. 3 - вид зубчатого колеса с передней стороны, сбоку и с задней стороны, на фиг. 4 - верхняя часть конструкции поршневого ДВС с зубчатым распределительным колесом, на фиг. 5 - момент соединения двух двигателей с редуктором, на фиг. 6 - два двигателя, соединенные с одним редуктором, на фиг. 7 - один ряд двухрядного редуктора, содержащий четыре ДВС.
Поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1 с поршнем 2 и шатуном 3, вал отбора мощности 4, на котором расположены первая 5 и вторая 6 шестерни вала отбора мощности, первую шестерню 7, соединенную с шестерней передачи крутящего момента 8, находящуюся в зацеплении с первой шестерней вала отбора мощности 5, вторую шестерню 9, соединенную с маховиком с зубчатой нарезкой 10, находящимся в зацеплении со второй шестерней 6, зубчатое распределительное колесо 11 с кулачками-толкателями 12а, 12б, 12в, соединенное с шестерней передачи крутящего момента 8, при этом первая шестерня 7 и вторая шестерня 9 расположены внутри цилиндра 1 и соединены между собой и с шатуном 3, шестерня передачи крутящего момента 8 и маховик с зубчатой нарезкой 10 расположены за пределами цилиндра 1, соединение первой шестерни 7 с шестерней передачи крутящего момента 8, соединение второй шестерни 9 с маховиком с зубчатой нарезкой 10, а также зубчатое распределительное колесо 11 установлены в подшипники качения 13 (фиг. 1).
Первая 7 и вторая 9 шестерни могут быть соединены между собой и с шатуном 3 посредством шатунного пальца 14.
Сборка первой шестерни 7 с шестерней передачи крутящего момента 8 и второй шестерни 9 с маховиком с зубчатой нарезкой 10 показана на фиг. 2 и заключается в следующем. Первая шестерня 7 может иметь концевую часть в виде конусного свода 15, в который устанавливается шпонка 16. Данная концевая часть первой шестерни 7 размещается в шестерне передачи крутящего момента 8 (расположенного за пределами цилиндра 1) и с внешней стороны закрепляется болтом 17. Вторая шестерня 9 имеет аналогичную концевую часть в виде конусного свода 18 со шпонкой 19, которая соединяется с маховиком с зубчатой нарезкой 10 (расположенным за пределами цилиндра 1) и с внешней стороны закрепляется болтом 20. Между собой первая 7 и вторая 9 шестерни соединяются посредством шатунного пальца 14, закрепляемого с помощью шпонок 21 и болтов 22. Также в указанной системе шестеренок используются подшипники качения 13.
На фиг. 3 показано расположение кулачков-толкателей 12а, 12б, 12в на зубчатом распределительном колесе 11. Кулачки-толкатели состоят из кулачка-толкателя для механической подачи на впускной клапан 12а, кулачка-толкателя для механической подачи на насос-форсунку 12б и кулачка-толкателя для механической подачи на выпускной клапан 12в. Кулачок-толкатель для механической подачи на впускной клапан 12а располагается на передней стороне зубчатого распределительного колеса 11, кулачок-толкатель для механической подачи на насос-форсунку 12б и кулачок-толкатель для механической подачи на выпускной клапан 12в располагаются на задней стороне зубчатого распределительного колеса 11. Указанные кулачки-толкатели находятся на определенном расстоянии от центра зубчатого распределительного колеса 11 - на разных орбитах. Расстояние от центра до кулачка-толкателя для механической подачи на впускной клапан 12а совпадает с расстоянием до кулачка-толкателя для механической подачи на выпускной клапан 12в, расположенный на противоположной стороны зубчатого распределительного колеса 11. Кулачок-толкатель для механической подачи на насос-форсунку 12б располагается на большем удалении, чем указанные кулачки толкатели 12а и 12в, однако данный кулачок-толкатель 12б по сравнению с ними больше выступает над поверхностью зубчатого распределительного колеса 11. Соблюдение указанных расстояний необходимо для взаимодействия кулачков-толкателей со штангами 23 и далее - с коромыслами 24, воздействующими на клапаны 25, расположенные в цилиндре 1 (фиг. 4). Зубчатое распределительное колесо 11 установлено в подшипник качения 13.
Зубчатое распределительное колесо 11 выполняет три функции: закрытие и открытие впускного и выпускного клапана 25, а также впрыск топлива через форсунку (при использовании дизельного топлива) или толкатель контакта зажигания (при использовании бензина).
На зубчатом распределительном колесе 11 устанавливают подвижные кулачки-толкатели 12а, 12б, 12в, которые закрепляют двумя болтами, что дает точную регулировку начала и конца механической подачи момента на штанги 23 индивидуально к каждому клапану 25. При этом зубчатое распределительное колесо 11 выполняет все три функции при использовании одного подшипника качения 13, что является преимуществом, так как в традиционных ДВС впрыск топлива требует наличия отдельного механизма, усложняющего конструкцию двигателя и повышающего его стоимость.
Периодичность тактов для рассматриваемого решения является такой же, как для традиционных ДВС. Зубчатое распределительное колесо 11 при вращении передвигает кулачки-толкатели 12а, 12б, 12в, которые давят на штанги 23, которые, в свою очередь, воздействуют на коромысла 24, которые открывают или закрывают клапаны 25.
Расположение кулачков 12а, 12б, 12в относительно центра зубчатого распределительного колеса 11 можно изменять при необходимости. Форма кулачков 12а, 12б, 12в определяет степень открытия клапанов 25 и также может быть разной при необходимости.
Вместо кулачков 12а, 12б, 12в можно устанавливать шариковый или роликовый подшипник, а на штанге 23 в точке соприкосновения с таким подшипником - кулачок, имеющий плавную форму для обеспечения плавного захода и уменьшения трения.
Если представить первую 7 и вторую 9 шестерни в виде цапф, соединенных шатунным пальцем 14, то при работе указанного поршневого ДВС возможны два способа передачи движения:
1) либо передача крутящего момента от шестерни передачи крутящего момента 8 к первой шестерне вала отбора мощности 5;
2) либо передача крутящего момента от маховика с зубчатой нарезкой 10 ко второй 6 шестерне вала отбора мощности.
В данном случае можно задавать разные диаметры шестерни передачи крутящего момента 8 и маховика с зубчатой нарезкой 10. Таким образом можно добиться обеспечения понижения или повышения числа оборотов двигателя.
Расположение маховика с зубчатой нарезкой 10 может быть разным, что определяет габариты и форму двигателя в целом, а также его применение в разных областях техники. Например, при использовании заявляемого ДВС с зубчатым распределительным колесом 11 в сборе с редуктором 26 маховик с зубчатой нарезкой 10 можно устанавливать непосредственно на вал отбора мощности 4 редуктора 26. В таком случае маховик с зубчатой нарезкой 10 должен иметь массу, соответствующую объему всех ДВС, установленных на редукторе 26, если их несколько. В случае применения заявляемого ДВС с зубчатым распределительным колесом 11 без редуктора 26 маховик с зубчатой нарезкой 10 должен устанавливаться непосредственно на самом ДВС. В таком случае масса маховика должна соответствовать объему одного ДВС.
На фиг. 5 показан момент соединения двух поршневых ДВС с редуктором 26. Двигатель с левой стороны от редуктора 26 соединен с ним, двигатель справа показан отдельно. На фиг. 6 показаны два поршневых ДВС в сборе, соединенные с одним редуктором 26, имеющим маховик с зубчатой нарезкой 10, объем которого соответствует объему двух ДВС. Маховик с зубчатой нарезкой 10 в данном случае находится на двигателе за пределами цилиндра 1. Стартер 27 и генератор зарядки электрическим током 28 расположены между двумя двигателями на редукторе 26. Стартер 27 устанавливается выше указанного генератора 28 и при запуске входит в зацепление с шестерней генератора (не показана). Шестерня передачи крутящего момента 8, находящаяся за пределами цилиндра 1, приводит в движение зубчатое распределительное колесо 11 и первую шестерню вала отбора мощности 5, которая приводит в движение шестерню генератора 28. Стартер 27 входит в кратковременное зацепление с шестерней генератора, при этом происходит запуск ДВС и отключение стартера 27.
На фиг. 7 показан пример размещения четырех ДВС в одном ряду двухрядного редуктора 26. На данном рисунке видно только правый ряд редуктора 26. Левый ряд при этом находится на противоположной стороне. Таким образом, данный пример демонстрирует получение редуктора, состоящего из восьми ДВС. Такое решение возможно ввиду того, что редуктор 26 состоит из корпуса, внутри которого находится вал отбора мощности 4 с первыми шестернями вала отбора мощности 5, которые входят в зацепление с шестернями передачи крутящего момента 8 за пределами цилиндров 1 каждого ДВС, от которых приводятся в движение зубчатые распределительные колеса 11 каждого ДВС. С внешней стороны редуктор 26 имеет квадратные окна для установки в них ДВС.
В данной конструкции редуктор 26 имеет маховик с зубчатой нарезкой 10, масса которого соответствует объему всех двигателей, расположенных на редукторе 26. С вала отбора мощности 4 редуктора 26 снимается мощность, пропорциональная мощности всех расположенных на нем двигателей. Таким образом, получают редуктор 26 с несколькими рядами, каждый из которых содержит два, три, четыре и т.д. ДВС, что значительно расширяет возможности применения заявляемого двигателя.
Использование зубчатого распределительного колеса, системы из шестерен позволяет также исключить из рабочего цикла ДВС использование масляного насоса высокого давления. Благодаря данной конструкции масло саморазбрызгивается, что продлевает срок службы двигателя.
Таким образом, заявляемый двигатель имеет упрощенную конструкцию за счет использования простых в изготовлении деталей взамен распределительного и коленчатого вала. Он является простым при сборке, упрощает доступ ко всем узлам при необходимости ремонта, является менее габаритным.