БЕСШАТУННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использована для преобразования энергии топлива в механическую энергию.
Известен кулачковый механизм по патенту RU 2205999, предназначенный для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное в бесшатунном ДВС и содержащий установленный на валу кулачок, взаимодействующий с роликами толкателей. Кулачок выполнен в виде многолепесткового плоского кулачка с числом лепестков, кратным трем, и с равным расстоянием между диаметрально противоположными точками на поверхности. Толкатели установлены в направляющих, закрепленных на крышках картера, причем на каждом толкателе установлено по два ролика, контактирующих с кулачком в диаметрально противоположных точках на его поверхности, причем ролики выполнены упругими.
Однако при таком выполнении механизма возникают трудности согласования требующейся при сборке упругости ролика с его жесткостью при работе, а также невозможна остановка поршня в ВМТ в заданном секторе угла поворота кулачка.
Известен бесшатунный двигатель внутреннего сгорания по патенту RU 2278282, содержащий цилиндр с поршнем, вал с установленным на нем кулачком, толкатель, соединенный с поршнем, установленный на толкателе ролик, взаимодействующий с кулачком, и направляющую толкателя. Кулачок в известном двигателе также выполнен плоским, многолепестковым, с числом лепестков, кратным трем, и с равным расстоянием между диаметрально противоположными точками на поверхности. Толкатели установлены в направляющих, закрепленных на крышках картера, причем на каждом толкателе установлено по два ролика, контактирующих с кулачком в диаметрально противоположных точках на его поверхности, причем ролики выполнены упругими. Кроме того, толкатель соединен с поршнем через упругий элемент, выполненный в виде конической пружины.
Данный двигатель обеспечивает возможность остановки поршня в ВМТ в заданном секторе угла поворота кулачка, однако при работе такого двигателя возникают значительные нагрузки при смене направления движения поршня. Кроме того, выполнение кулачка плоским с обеспечением геометрического замыкания путем
охвата кулачка двумя роликами, накладывая жесткие условия на точность изготовления кулачка, приводит к появлению дополнительных напряжений в толкателе.
Технический результат, на достижение которого направлена настоящая полезная модель, заключается в снижении нагрузок, действующих на элементы механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала ДВС, и более выгодное их распределение в пределах рабочего хода поршня.
Указанный технический результат обеспечивается тем, в бесшатунном двигателе внутреннего сгорания, содержащем цилиндр с поршнем; вал с установленным на нем кулачком; толкатель, соединенный с поршнем; установленный на толкателе ролик, взаимодействующий с кулачком; и направляющую толкателя, кулачок выполнен в виде соосного валу усеченного конуса, на конической поверхности кулачка выполнена замкнутая волнообразная канавка, ось цилиндра параллельна образующей указанной конической поверхности, а ролик толкателя расположен в канавке.
Такая форма кулачка позволяет в процессе преобразовании возвратно-поступательного движения во вращательное снизить максимальные нагрузки при перемене направления движения поршня. Например, в такте «рабочий ход», после прохождения поршнем верхней мертвой точке (ВМТ), когда скорость поршня минимальна, а силы, действующие на него, максимальны, то действующее на поршень усилие передается на вал через наименьшее плечо. При подходе поршня к нижней мертвой точке (НМТ) его скорость максимальна, а сила, действующая на поршень, минимальна и передается на вал через наибольшее плечо. Таким образом, преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное происходит с минимальными изменениями угловой скорости и крутящего момента вала, и как следствие, с наименьшими критическими нагрузками.
Двигатель может содержать несколько цилиндров с поршнями, образующих блок цилиндров, и несколько толкателей, каждый из которых соединен с соответствующим поршнем цилиндра и установлен в направляющей, при этом ролик каждого толкателя расположен в канавке.
Кроме того, двигатель может быть снабжен симметрично расположенными относительно плоскости, проходящей через большее основание усеченного конуса, дополнительными кулачком, блоком цилиндров, толкателями с роликами и направляющими толкателя.
Выполнение ДВС с симметричным расположением кулачков и блоком цилиндров позволяет снизить вибрацию двигателя при его работе.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен бесшатунный двигатель с частичным разрезом по плоскости симметрии;
на фиг.2 схематично изображен фрагмент развертки корпуса бесшатунного двигателя.
Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 1 с блоком 2 цилиндров. В корпусе 1 установлен с возможностью вращения кулачок 3, жестко соединенный с валом 4. Кулачок 3 выполнен в виде соосного валу 4 усеченного конуса, при этом на конической поверхности кулачка 3 выполнена замкнутая волнообразная канавка 5. Ось каждого из цилиндров блока 2 цилиндров параллельна образующей конической поверхности кулачка 3. Каждый поршень 6 из блока 2 цилиндров соединен с одним из концов толкателя 7, другой конец которого снабжен роликом 8, размещенным в канавке 5 кулачка 3. Каждый из толкателей 7 установлен в направляющей 9 корпуса 1. Кроме того, двигатель имеет распределительный диск 10, иглу 11 подачи масла к трущимся деталям и выполненные в корпусе газовые каналы 12. Преимущественно двигатель выполнен симметричным относительно плоскости, проходящей через большее основание усеченного конуса, при этом вторая, симметричная первой, часть (нерассеченная часть на фиг.1), содержит все описанные выше элементы и узлы.
Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.
Энергия сжатых газов (фиг.2 такт «рабочий ход»), через поршень 6 передается на толкатель 7, который перемещается по направляющей 9. Ролик 8 толкателя 7 давит на стенку волнообразной канавки 5, выполненной на конической поверхности кулачка 3. Вследствие этого на кулачке 3, а также на жестко соединенном с ним валу 4 возникает крутящий момент. Остальные три такта (для четырехтактного двигателя) происходят за счет вращения кулачка 3 (либо по инерции, либо вследствие работы других цилиндров из блока). Четыре такта двигателя соответствуют четырем волнам волнообразной канавки 5 и определяют один цикл. Таким образом, для четырехтактного двигателя количество групп по четыре волны волнообразной канавки 5, по существу, будет определять передаточное отношение кулачкового механизма данного двигателя. Число циклов, выполненных за один оборот вала, может быть
задано на стадии проектирования двигателя. Аналогичным образом определяется число волн волнообразной канавки 5 для двух- или трехтактного двигателя.
Для описанного выше двигателя не является ограничением величина отношения хода поршня к диаметру цилиндра. При этом выполнение двигателя позволяет путем выбора формы волнообразной канавки 5 и количества волн в ней проектировать двигатель с требуемыми характеристиками. Например, выбором соответствующей формы волнообразной канавки 5 можно увеличить ход поршня при впуске, увеличивая тем самым степень наполнения цилиндра и достигая большого объема камеры сгорания при высокой степени сжатия.
На разных тактах поршень может приближаться к головке цилиндра на разные расстояния, например, при выпуске имеет смысл максимально приблизить поршень к головке цилиндра, насколько это технически допустимо.
Ход поршня в разных тактах может быть разным и задаваться при проектировании в зависимость от заданных характеристик.
Время различных тактов также может быть неравным: один такт может протекать существенно дольше (или быстрее) чем другой при постоянных оборотах ротора. Это будет зависеть от величины угла наклона волнообразной канавки 5. Например, может быть желательным увеличить время впуска и уменьшить время сжатия.
Кроме того, можно рассчитать форму волнообразной канавки 5 таким образом, чтобы достичь максимальной равномерности крутящего момента.
В данном двигателе не требуется привод механизма газораспределения, поскольку газораспределительный механизм представляет собой диск с кулачками, установленный на валу. Он же может управлять зажиганием и впрыском топлива.
Конструкция поршневой группы позволяет использовать подпоршневое пространство, для чего достаточно установить дополнительный выпускной клапан и разделить такт вывода отработавших газов на выхлоп в энэргоаккумулятор (в самом начале выпуска), и, собственно, выпуск. В газы от выхлопа можно впрыснуть воду и подать в подпоршневое пространство этого же цилиндра в начале такта сжатия, как самого нагруженного обратного хода поршня.
Кроме того, для данного двигателя несущественно, что будет неподвижной частью, а что вращающейся. Одинаково легко выполнимы двигатели, как с вращающимся кулачком и неподвижным корпусом, так и с вращающимся корпусом (с блоком цилиндров) и неподвижным кулачком.