МНОГОЦИЛИНДРОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ РАДИНА Ю.В.

Полезная модель относится к двигателестроению, в частности к многоцилиндровым двигателям внутреннего сгорания с впрыском топлива в цилиндры.
Известен бескривошипный поршневой роторный двигатель, содержащий поршни, установленные с возможностью возвратно-поступательного движения в соответствующих цилиндрах, расположенных через равные промежутки вокруг продольной оси вращения, с каждым поршнем связаны толкательные средства, предусмотрены средства для транспортирования топлива и выхлопных газов к рабочим концам полостей цилиндров, при этом поршни скомпонованы в две группы, а группы расположены по противоположным сторонам оси вращения роторного узла и выходного вала. (см. заявка РФ 97111862 F 02 B 57/00 1999 г.)
Наиболее близким к заявленному выбран бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров с аксиально-расположенными цилиндрами, в которых установлены с возможностью возвратно-поступательного движения поршни, головку блока с всасывающими и выпускными клапанами, бескривошипный силовой механизм, преобразующий возвратно-поступательные движения поршней во вращательное движение центрального валасодержащего блока, (см. патент РФ 2115810 F 02 B 75/26 1998 г.)
Данные устройства имеют ряд положительных моментов, однако, постоянная кинематическая связь поршней с наклонными поверхностями во всех тактах нецелесообразна, поскольку такты работы двигателя противодействуют работе друг друга. На рабочем ходе наклонная поверхность играет положительную роль. Силовые характеристики работы цилиндра с использованием наклонной поверхности при рабочем ходе поршня выше и предпочтительнее, чем в кривошипно-шатунный механизм (КШМ), в котором крутящий момент нарастает от нуля в верхней мертвой точке (ВМТ), достигает максимума в некой промежуточной точке рабочего такта и падает до нуля в нижней мертвой точке (НМТ), создавая пульсирующие рывки. Однако при вспомогательных тактах наклонные поверхности "наезжая" на толкающие узлы поршней (ролики
крейцкопфа, охватывающие профильный выступ), играют радикально негативную роль, заклинивая двигатель. Рабочие поршни, создавая крутящий момент, значительную часть его расходуют на преодоление сопротивления от взаимодействия наклонных плоскостей с толкающими узлами поршней, работающих во вспомогательных тактах (в цикле два поршня движутся вверх - такты выхлопа и сжатия, а один поршень движется вниз - такт всасывания).
При увеличении оборотов двигателя сопротивление со стороны выше рассмотренных узлов возрастает, резко ограничивая перспективные возможности использования наклонных поверхностей на рабочем ходе поршня, и в целом вызывает сомнение в правильности окончательного выбора исполнительного механизма подобного типа.
Кроме того, конструкция механизма с профильным двусторонним выступом, охватывающими роликами разных диаметров, пазами крейцкопфа сложна, нетехнологична в изготовлении и дорогостояща. Клапанный механизм газораспределения также сложен.
Технической задачей данной заявки является создание компактного, высокомоментного, мощного двигателя внутреннего сгорания с улучшенными характеристиками и повышенной эксплуатационной надежностью.
Поставленная задача достигается в многоцилиндровом двигателе внутреннего сгорания, состоящем из цилиндрического корпуса с аксиально-расположенными в нем цилиндрами, в которых установлены с возможностью возвратно-поступательного движения поршни, бескривошипного силового механизма, преобразующего возвратно-поступательные движения поршней во вращательное движение рабочего вала и газораспределительного механизма, при этом бескривошипный силовой механизм состоит из двух динамически-преобразующихся систем, кинематически связанных между собой, одна из которых включает поршни, выполняющие рабочий ход, толкающие узлы соответствующих поршней и карусель с волнообразным пазом, жестко закрепленную на валу двигателя, другая - поршни, выполняющие вспомогательные такты, толкающие узлы соответствующих поршней и "паразитно-реечный механизм", а газораспределительный механизм выполнен из золотника, установленного на каждом цилиндре, причем золотник размещен в цилиндрическом корпусе, имеющим впускное и выпускное окна и выполнен с возможностью вращения вокруг своей оси.
Первая система выполняет две функции:
- обеспечивает вращение вала двигателя благодаря воздействию
поршней, выполняющих рабочий ход, на карусель, жестко соединенную с рабочим валом двигателя перпендикулярно его оси, поворачивая его при одном рабочем ходе поршня на 1/8 оборота (45°)
- приводит в движение Вторую систему.
Вторая система через толкающие узлы кинематически связывают между собой все поршни "паразитно-реечной" передачей (принудительно приводя в движение, по крайней мере, один из поршней, вся поршневая система приходит в движение) и, получая движение от Первой системы, обеспечивает выполнение вспомогательных тактов: выхлопа всасывания, сжатия.
Системы динамически преобразуются, после каждого такта передавая исполнительные функции одна другой: диаметрально-противоположные поршни, выполнившие рабочий ход в Первой системе и повернув карусель на 1/8 оборота, "переходят" во Вторую систему для выполнения такта выхлопа, предоставляя выполнение функций рабочего хода следующей паре диаметрально - противоположных поршней, отработавших такт сжатия во Второй системе и т.д., таким образом, обеспечивая цикличность и синхронность работы систем.
При этом, "паразитно-реечная" передача принципиально предпочтительнее системы наклонных поверхностей при выполнении вспомогательных тактов, поскольку передает усилие для осуществления движения сочлененным узлам полностью, лишь с потерями на трение, в то время как наклонная плоскость из-за тригометрической раскладки сил поглощает значительную часть усилия развиваемого рабочим поршнем.
Применение "паразитно-реечной" передачи конструктивно позволяет максимально увеличивать угол наклона плоскостей для использования их на рабочем ходе, при этом, исключая соответственно увеличившуюся со стороны наклонных плоскостей ответную негативную реакцию во вспомогательных тактах.
Ролик толкающего узла контактирует с волнообразным пазом не постоянно, а лишь в следующих случаях:
- на рабочем ходе поршня, осуществляя взаимодействие поршня через толкающий узел с передней (по направлению вращения карусели) нижней периодически повторяющейся наклонной поверхностью волнообразного паза
- в конце и в начале каждого такта (в областях ВМТ и НМТ) для торможения, остановки и разгонного толчка толкающего узла (поршня), при этом ролик входит в паз и выходит из него по ходовой (скользящей) посадке, предохраняя "паразитно-реечную" передачу от перегрузок и поломок.
В остальном ролик движется в пазу с зазорами, не касаясь поверхностей паза, что обеспечивается "паразитно-реечной" передачей.
Такой принцип кинематического взаимодействия двух рассмотренных систем является ноу-хау автора.
Поршни, расположенные диаметрально - противоположно, работают синхронно и в одноименных тактах, создавая на рабочем ходе симметричный относительно оси рабочего вала крутящий момент на плече карусели в несколько раз превышающем плечо коленчатого вала двигателя с КШМ аналогичного объема цилиндров, а золотниковый газораспределительный механизм (ГРМ) вращательного типа, положительно лишенный инерционности в сравнении с клапанным ГРМ в виду отсутствия возвратно-поступательных движений, имеет конструктивные возможности увеличения проходных сечений газообмена в ГРМ, что существенно снижает сопротивление работе исполнительного силового механизма со стороны ГРМ и способствует увеличению мощности двигателя и, в сущности, благодаря конструктивной простоте и высокой эффективности, предполагает предпочтение известным многоклапанным, многовальным, конструктивно сложным и дорогостоящим ГРМ.
На фиг.1а изображен продольный разрез двигателя Б-Б, где поршни цилиндров 3 и 7 находятся в НМТ, на фиг.1б изображен разрез двигателя Б-В, где поршень 8-го цилиндра находится в ВМТ, а поршень 3-ьего цилиндра в НМТ, на фиг.2 - циклограмма работы золотника, на фиг.3 - разрез двигателя А-А, геометрическое расположение цилиндров и золотников, а так же положение золотников на начало циклов, на фиг.4 - схема развертки карусельного и "паразитно-реечного" механизмов, на фиг.5 - продольный разрез золотника, на фиг.6 - вид Г на одно из окон корпуса золотника, на фиг.7 - поперечный разрез одного из окон корпуса золотника и впускного-выпускного окна золотника.
Многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания Радина Ю.В. состоит из цилиндрического корпуса 1 с расположенными в нем по окружности вокруг вала двигателя 2 рабочими цилиндрами 3 с осями, параллельными оси вала 2, в которых установлены с возможностью возвратно-поступательного движения поршни 4. Двигатель оснащен бескривошипным силовым механизмом карусельного типа, представляющим собой две системы: карусельный механизм (карусель) и "паразитно-реечный" механизм. Карусель состоит из опорного диска 5, жестко закрепленного на валу двигателя перпендикулярно его оси, опорных роликов 6, смонтированных на внутренней поверхности днища двигателя (на фиг.1а и 1б опорные ролики изображены условно) и кольца 7 с волнообразным пазом 8, выполненным на наружной цилиндрической
поверхности кольца 7. Карусель взаимодействует с поршнями 4 через толкающие узлы, состоящие из штока 9, кронштейна 10 и ролика 11.
"Паразитно-реечный" механизм состоит из "паразитных" зубчатых шестерен 12, расположенных между толкающими узлами в монтажных окнах 13 корпуса двигателя 1 и зубчатых реек 14, закрепленных на каждом толкающем узле слева и справа от его продольной оси.
На корпусе двигателя 1 сверху смонтирован газораспределительный механизм, состоящий из золотников вращательного типа по одному на каждый цилиндр и соосно с последним. Золотник как устройство имеет цилиндрический корпус 15 с впускным 16 и выпускным 17 окнами на цилиндрической поверхности, непосредственно золотник 18 с одним впускным-выпускным окном 19, подпружиненную уплотняющую рамку 20, уплотняющие компрессионные кольца 21 между золотником и корпусом золотника, размещенные в кольцевых проточках золотника и приводится во вращение шестеренчатым приводом 22 от вала двигателя 2. Корпус золотника 15 имеет каналы 23 системы охлаждения, уплотняющая рамка 20 прижимается к корпусу золотника пружинами 24, золотник 18 монтируется в корпусе золотника 15 и осуществляет вращательное движение благодаря радиально-упорному подшипнику 25.
Двигатель работает следующим образом.
Рабочий ход. (фиг.3., 4 цилиндры 8-4) Все окна соответствующих золотников закрыты - впускное 16 и выпускное 17 окна корпуса золотника 15 закрыты наружной цилиндрической поверхностью золотника 18, а впускное - выпускное окно 19 золотника 18 закрыто внутренней цилиндрической поверхностью корпуса золотника 15 и скользит по его поверхности. Диаметрально расположенные поршни 4 8-го и 4-го цилиндров под действием давления сгорающей рабочей смеси начинают движение от ВМТ и НМТ.
Ролик 11 толкающего узла выходит из взаимодействия с волнообразным пазом 8 и остается в контакте лишь с его передней (по направлению вращения карусели) нижней периодически повторяющейся наклонной поверхностью, оказывая на нее давление от поршня через толкающей узел и поворачивает карусель. Зубчатые рейки 14, закрепленные слева и справа на толкающем узле через "паразитные" зубчатые шестерни 12 передают возвратно-поступательные движения вверх сопряженным толкающим узлам: левому для выполнения такта сжатия, а правому для выполнения такта выхлопа. В конце рабочего хода ролик толкающего узла входит в полный контакт с волнообразным пазом, взаимодействуя как с нижней, так и с верхней наклонными поверхностями по ходовой (скользящей) посадке достигает НМТ и плавно тормозится в ней. При этом карусель (вал
двигателя) поворачивается вокруг своей оси на 1/8 оборота (45°), а золотник поворачивается вокруг своей оси на 1/4 оборота (90°).
Такт выхлопа. (фиг.-3, 4, цилиндры 1-5). Золотник продолжает вращается. Впускное-выпускное окно 19 золотника 18 "наезжает" на выпускное окно 17 корпуса золотника 15, образуя пропускное сечение, через которое отработанные газы выдавливаются поршнем 4 в атмосферу. В конце такта впускное-выпускное окно 19 золотника 18 минует выпускное окно 17 корпуса 18 и пропускное сечение закрывается. При этом поршень движется от НМТ к ВМТ. Ролик толкающего узла по ходовой (скользящей) посадке выходит из взаимодействия с волнообразным пазом, получив от него разгонный толчок. Дальнейшее движение толкающего узла осуществляет "паразитно-реечная" передача, при этом данный толкающий узел, взаимодействуя через "паразитно-реечную" передачу, передает возвратно-поступательное движение сопряженному и расположенному справа от него (фиг.4) толкающему узлу для осуществления вспомогательного такта всасывания. В конце такта ролик толкающего узла по ходовой (скользящей) посадке входит в волнообразный паз и плавно тормозится в ВМТ.
Такт всасывания. (фиг.3, 4 цилиндры 2-6) Золотник вращается. Впускное-выпускное окно 19 золотника 18 скользит (движется) в перемычке между впускным 16 и выпускным 17 окнами корпуса золотника 15 (причем длина перемычки равна длине любого из окон, золотникового устройства, либо в радианной мере равна 45°, а длины всех окон золотника и корпуса золотника равны) и начинает "наезжать" на впускное окно 16 корпуса золотника 15, образуя пропускное сечение, через которое осуществляется всасывание рабочей смеси в цилиндр.
В конце такта впускное-выпускное окно 19 золотника 18 минует впускное окно 16 корпуса золотника 15 и пропускное сечение закрывается. При этом поршень движется от ВМТ к НМТ. Ролик толкающего узла по ходовой (скользящей) посадке выходит из взаимодействия с волнообразным пазом, получив от него разгонный толчок для начала такта. Дальнейшее движение толкающего узла осуществляет "паразитно-реечная" передача, при этом данный толкающий узел, взаимодействуя через "паразитно-реечную" передачу передает возвратно-поступательное движение сопряженному и расположенному справа от него (фиг.4) толкающему узлу для осуществления такта сжатия. В конце такта ролик толкающего узла по ходовой (скользящей) посадке входит в волнообразный паз и плавно тормозится в НМТ.
Такт сжатия. (фиг.-3, 4 цилиндры 3-7). 3олотник вращается. Все окна закрыты. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Ролик толкающего узла по ходовой (скользящей) посадке выходит из взаимодействия с волнообразным пазом, получив от него разгонный
толчок для начала такта. Дальнейшее движение толкающего узла осуществляет "паразитно-реечная" передача, при этом данный толкающий узел, взаимодействуя через "паразитно-реечную" передачу, получает возвратно-поступательное движение от сопряженного и расположенного справа от него (фиг.4) толкающего узла, осуществляющего рабочий ход, а также от расположенного слева толкающего узла, выполняющего такт всасывания. В конце такта ролик толкающего узла по ходовой (скользящей) посадке входит в волнообразный паз и плавно тормозится в ВМТ.
За один такт карусель (вал двигателя) поворачивается на 1/8 оборота т.е. на 45° и полный оборот вала двигателя осуществляется за два цикла работы цилиндров.
Золотник обеспечивает один такт работы цилиндра, поворачиваясь вокруг своей продольной оси на 1/4 оборота, т.е. на 90° и один цикл осуществляется за один оборот золотника.