ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к бесшатунным бескривошипным двигателям.
Известен бесшатунный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с блоками цилиндров, в котором размещены поршни, попарно соединенные штоками, установленный в корпусе приводной вал с криволинейной направляющей, кинематически соединенной со штоками (а.с. СССР №861656, М.кл. F01B 3/04, 1981 г. [1]).
Известна поршневая машина, содержащая корпус, блоки цилиндров с поршнями, попарно соединенными между собой, приводной вал и механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение выходного вала, выполненный в виде роликов, закрепленных на штоках с возможностью взаимодействия с криволинейной направляющей (а.с. СССР №1325170, М.кл. F01B 3/04, 1987 г. [2]).
Недостатком известных поршневых бесшатунных двигателей является то, что они не обеспечивают равномерность вращения из-за динамики сил в кривошипном механизме и неуравновешенности масс.
Предлагается бесшатунный поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, механизмы газораспределения и топливоподачи, пары цилиндров с камерами сгорания, оппозитно расположенными поршнями, соединенными общим штоком, механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение, выполненный в виде барабана с замкнутым криволинейным пазом, который кинематически связан со штоками поршней и неподвижными пазами, выполненными в корпусе, причем цилиндры с поршнями и штоками расположены вокруг барабана, при этом двигатель снабжен кулачковыми тарелками для открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов, полым валом для привода кулачковых тарелок, соединенным с барабаном, валом отбора мощности с двумя муфтами и зубчатой передачей, передающей вращение от барабана валу отбора мощности, причем вал отбора мощности размещен внутри полого вала для привода кулачковых тарелок.
Такое выполнение механизма преобразования позволяет получить более равномерный крутящий момент в рабочей зоне давления газов, уменьшить нагрузку на шток на такте сжатия за счет выбранной крутизны зигзагообразного паза и оба хода поршней сделать рабочими, а также резко уменьшить габариты двигателя, так как они определяются только диаметрами поршней.
Замкнутый криволинейный паз может быть выполнен на внутренней цилиндрической поверхности крутильного барабана или на наружной цилиндрической поверхности крутильного барабана.
Механизм кинематической связи крутильного барабана со штоком поршней выполнен в виде роликов, одновременно взаимодействующих с криволинейным пазом крутильного барабана и прямолинейным направляющим пазом корпуса.
Предложенное выполнение кинематической связи дает возможность значительно снизить динамические нагрузки за счет уменьшения скорости движения поршня, возникновения сил, противоположных направлению движения при опоре на паз барабана в конце хода.
На фиг.1 изображена схема одновального двухпоршневого двигателя. На фиг.2 изображен поперечный разрез одновального двухпоршневого двигателя по крутильному барабану с внутренним пазом. На фиг.3 изображена развертка криволинейного паза. На фиг.4 изображена схема шестицилиндрового двигателя. На фиг.5 изображен поперечный разрез шестицилиндрового двигателя по крутильному барабану с наружным пазом. На фиг.6 изображен одноцилиндровый двигатель с двумя головками и двумя камерами сгорания.
Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания (фиг.1, 2) содержит корпус 1, размещенные в нем цилиндры 2, поршни 3, соединенные общим штоком 4. Между штоком 4 и корпусом 1 размещен крутильный барабан 5. На внутренней цилиндрической поверхности крутильного барабана 5 выполнен замкнутый криволинейный паз 6. Внутри корпуса 1 выполнен неподвижный направляющий паз 7. Крутильный барабан 5 кинематически связан со штоком 4 и корпусом 1 посредством роликов 8, которые входят в криволинейный зигзагообразный паз 6 крутильного барабана 5. На оси 9 роликов 8 размещены вторые ролики 10, которые входят в неподвижный направляющий паз 7 корпуса 1. На крутильном барабане 5 закреплена зубчатая передача 11, которая передает вращение крутильного барабана через вал 12 и зубчатую передачу 13 выходному валу 14 отбора мощности. Зубчатая передача 13 соединяется с кулачковыми тарелками 15, редуктором 16 и валом отбора мощности 14.
В головках цилиндров 22 расположены каналы подачи в камеру сгорания 23 свежего воздуха и выхлопа отработанных газов, а также впускные клапаны 17, выпускные клапаны 18, электрические свечи зажигания 19 и форсунки 20 подачи топлива.
Зигзагообразный паз 6 крутильного барабана 5 имеет два участка между сечениями I-I и II-II и сечениями II-II и III-III (фиг.3). На участке I-I и II-II поверхность паза винтовая переменной кривизны, а на участке II-II и III-III - по кривым второго порядка. Двигатель имеет поддон 21 для сбора масла.
При работе двигателя внутреннего сгорания происходят возвратно-поступательные перемещения поршней 3 в цилиндрах 2 совместно со штоком 4. Возвратно-поступательное движение поршней 2 и штока 4 преобразуется во вращательное движение крутильного барабана 5 с помощью роликов 8 и 10. При этом ролики 8 и 10, расположенные на оси 9 штока 4, одновременно скользят: ролик 8 по зигзагообразному пазу 6 крутильного барабана 5, а ролики 10 по прямолинейному направляющему пазу 7, что приводит к вращению крутильного барабана 5, зубчатой передачи 11, вала 12, зубчатой передачи 13 и затем через редуктор 16 к вращению вала отбора мощности 14. На участке зигзагообразного паза II-II и III-III (при подходе цилиндра к верхней мертвой точке) происходит повышение давления газа в камере сгорания и усиление поджатия в надпоршневом пространстве в следствии того, что крутильный барабан 5 за счет инерции продолжает вращаться, а ролик 8 опирается на поверхность зигзагообразного паза 6 и досылает поршень 3 в крайнее верхнее (например, левое) положение. При этом кулачковые тарелки 15 через зубчатую передачу 13 открывают впускные клапана 17, обеспечивая поступление топливной смеси в камеру сгорания 23, затем электрические свечи 19 обеспечивают зажигание и горение топливной смеси, которое создает работу толкания поршня 3 в обратную сторону, кулачковые тарелки 15 вращаемые зубчатой передачей 13 открывают выхлопные клапана 18, обеспечивая выхлоп отработавших газов. Дальнейшее вращение крутильного барабана 5 за счет инерции обеспечивает обратный ход поршней и повторение цикла. Синхронизация работы клапанов, моментов впрыска топливной смеси и зажигания обеспечивается зубчатыми передачами 11, 12 и кулачками тарелок 15.
На фиг.4 и фиг.5 показан шестицилиндровый двигатель с корпусом 24, тремя штоками 25, крутильным барабаном 26, роликами 27 и 28, наружным зигзагообразным пазом 29 на барабане 26 и тремя неподвижными направляющими пазами 30. Здесь цилиндры 31 с поршнями 32 и штоками расположены вокруг крутильного барабана 26. Вал 34 привода кулачковых тарелок 35 полый и соединен с крутильным барабаном 26, что позволяет внутри вала разместить вал отбора мощности 36 с двумя муфтами 37 по обе стороны двигателя. Зубчатые передачи 38 привода кулачковых тарелок 35 одновременно соединены с шестью кулачковыми тарелками 35 для управления рабочими процессами во всех цилиндрах. Кулачковые тарелки 35 воздействуют на впускные клапаны 39 и 40, которые размещены в головках 41 цилиндров 31. Топливо в камеру сгорания 42 подается через форсунки 43 и зажигается посредством свечей 44. Отбор мощности производится редуктором 45 с помощью вала 36 и муфт 37. Все механизмы размещены в разъемном корпусе 24, имеющем масляный поддон 46.
При работе шестицилиндрового двигателя (фиг.4) возвратно-поступательное движение поршней 32 и штоков 25 преобразуется крутильным барабаном 26 во вращательное движение с помощью роликов 27 и 28, имеющих ось 45, скользящих по пазам 29 крутильного барабана 26 и пазам 30 корпуса 24. Дальнейшая работа двигателя осуществляется так же, как описано для двухцилиндрового двигателя.
На фиг.6 изображен двигатель с одним цилиндром 50, корпусом 51 и поршнем 52, имеющим два днища 53 и две камеры сгорания 54. Это обеспечивает за один двухсторонний ход поршня 52 со штоком 55, проходящим через головку цилиндра 56 и кулачковую тарелку 57 к крутильному барабану 58, два такта сжатия в правой и левой камерах сгорания 54 одного цилиндра 50. При этом ролики 59 и 60 штока 55 находятся одновременно в пазах 61 крутильного барабана 58 и в 62 корпуса 51 для привода барабана во вращение. Барабан 58 соединен зубчатой передачей 63 с валом 64, зубчатой передачей 63, редуктором 65, валом 66 и муфтой отбора мощности 67. Зубчатая передача 63 соединена с кулачковыми тарелками 57, которые связаны с клапанами 69 и 70 и форсунками 71. 72 - свеча зажигания.
При работе двигателя возвратно-поступательное движение поршня 52 и штока 53 с роликами 59 и 60 скользящими по неподвижному пазу 62 и зигзагообразному пазу 61 преобразуется во вращательное движение барабана 58. Затем барабан 58 вращает зубчатую передачу 63, которая передает вращение валу 64, зубчатым передачам 68, вращающим кулачковые тарелки 57 и редуктор 65, вал 66 и муфты отбора мощности 67. Кулачковые тарелки 57 управляют движением клапанов 69 и 70 и включением форсунок 71 подачи топлива. Зажигание топливо-воздушной смеси обеспечивается свечей 72. Дальнейшая работа двигателя осуществляется так же, как описано для двухцилиндрового двигателя.
Предлагаемая конструкция резко уменьшает диаметральные и продольные габариты, а также вес двигателя. Такие двигатели могут быть использованы для любых транспортных средств, автомобилей, танков или дальнобойных крылатых ракет.
Список литературы
1. Авторское свидетельство СССР №861656, М.кл. F01B 3/04, 1681.
2/ Авторское свидетельство СССР №1325170, М.кл. F01B 3/04, 1987.