ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
MOTION CONVERTER FOR ICE

Изобретение относится к преобразователям движения кулачкового типа и может быть использовано в поршневых двигателях внутреннего сгорания.
В современной промышленности используются двигатели внутреннего сгорания с использованием кривошипно-шатунного механизма в качестве преобразователей движений. Недостатком известного двигателя является большой расход жидкого топлива, входящего в состав горючей смеси, в результате неполного сгорания которого образуются токсичные вещества, засоряющие атмосферу. Стремительный рост использования двигателей внутреннего сгорания в народном хозяйстве создает угрозу неэкономичного расхода ресурсов Земли.
За прототип взят двигатель внутреннего сгорания (патент РФ 2043525, F02B 75/26, 1995.09.10), содержащий, по меньшей мере, четыре цилиндра, расположенных по окружности соосно с валом отбора мощности, поршни со штоками, размещенные в цилиндрах и связанные с валом отбора мощности посредством роликов, установленных на концах штока с возможностью их перемещения по замкнутому кулачковому профилю, выполненному на валу отбора мощности, у которого шток каждого поршня снабжен дополнительным роликом, взаимодействующим с дополнительным кулачком, выполненным на внешней поверхности вала отбора мощности, криволинейные участки развертки выполнены в виде двух различных по длине однопериодных синусоид, причем амплитуда одной синусоиды по меньшей мере в два-три раза превышает амплитуду другой синусоиды.
Прямолинейный отрезок выполнен длиной, равной полупериоду меньшей синусоиды.
К недостаткам данного типа двигателя относится низкий коэффициент полезного действия, и он уступает двигателю с кривошипно-шатунным механизмом.
В связи с этим предлагается конструкция преобразователя движения кулачкового типа с использованием нового механизма. Механизм применяется с целью повышения КПД двигателя и экономии топлива за счет рационального использования зон с высоким и низким давлением газов в цилиндре. Он обеспечивает увеличение рабочей силы на механизм преобразования за счет системы рычагов. В итоге суммарный крутящий момент выше, чем у других двигателей, в два раза, а экономия топлива предполагается свыше 40%.
Предлагаемый преобразователь движения кулачкового типа для двигателей внутреннего сгорания содержит не менее четырех поршней с механизмами, равномерно расположенных вокруг вала отбора мощности под углом к вертикали. Их число соответствует количеству цилиндров, используемых в двигателе. В отличие от известного двигателя с параллельным построением цилиндров относительно вала отбора мощности в заявляемом варианте предлагается несоосное расположение цилиндров. Механизм состоит из рамки, снабженной конструкцией для подключения поршня и установленной в корпусе двигателя, внутри рамки на валу плотно посажена шестерня, на конце вала находится кулачок, который, в свою очередь, вставлен в ролик с возможностью перемещения по замкнутому кулачковому профилю, развертка кулачкового профиля образована горизонтальными и наклонными прямолинейными участками, соединенными плавными кривыми линиями, напоминающими двухпериодную синусоиду, шестерня находится в поочередном зацеплении с зубчатыми рейками, установленными в корпусе и находящимися по обеим сторонам от нее, управление движением зубчатых реек производится через механизм тяг и роликов, связанных с кулачковой системой управления на маховике, и находится в синхронной зависимости с возвратно-поступательным движением шестерни.
На фиг.1 изображена схема заявляемого устройства;
на фиг.2 - разрез по оси вала и рамки;
на фиг.3 - развертка кулачкового профиля;
на фиг.4 - кинематическая схема работы устройства.
Преобразователь движения состоит из двух рабочих узлов: механизма и преобразователя движения кулачкового типа с маховиком. Механизм состоит из следующих деталей и узлов: рамка 8 закреплена в корпусе 14 таким образом, чтобы обеспечивалось две степени свободы по направлению движения поршня 12, и шарнирно закреплена с концом штока поршня. Поршни 12 стоят под углом к вертикальной оси таким образом, чтобы увеличить силу давления на механизм преобразователя. Поршень 12 со штоком выполняются за одно целое. Внутри рамки находится шестерня 11, плотно посаженная на ось 7. Длина делительной окружности шестерни 11 вдвое больше хода поршня 12. Ось 7 проходит через отверстие в боковых стенках рамки 8 по скользящей посадке. На конце оси 7 изготавливается цилиндрический кулачок со смещенным центром.
Так как направление движения поршня 12 закладывается под углом к оси вращения маховика, то эксцентриситет в два раза меньше величины катета треугольника в основании, образованном ходом поршня 12 и вертикальной осью, где угол наклона поршня 12 выбирается конструктором из расчета целесообразности. Цилиндрический кулачок на оси 7, в свою очередь, вставляется в ролик 6 по скользящей посадке. Ролик 6 имеет два бурта по наружной поверхности, между которыми проходят кулачковые сектора 5, закрепленные заклепками 13 на боковой поверхности цилиндрической основы 3 маховика. Паз между кулачковыми секторами 5 по своей форме напоминает неправильную двухпериодную синусоиду с равными периодами, где в нижней и верхней мертвых точках она имеет горизонтальные прямые участки. Эти участки предназначены для удержания поршня 12 на определенное время в неподвижном состоянии, чтобы обеспечить не только полное сгорание смеси, но и для переключения зубчатых реек 9, находящихся поочередно в зацеплении с шестерней 11. Рейки 9 закреплены в корпусе 14 и обеспечиваются двумя степенями свободы. Зубья реек целесообразно выполнить не прямолинейной, а радиусной формы. Рейка 9 в сечении имеет П-образную форму, образующую паз. В паз устанавливается тяга 10. Рейка 9 с тягой 10 сопрягается в двух точках посредствам двух осей 16. В тяге 10 имеются сквозные пазы, выполненные под углом к оси тяги. Через эти пазы пропускаются оси 16, концами закрепленные в рейке 9. При движении тяги вниз рейка движется влево. Движение тяги задается управляющим пазом на боковой поверхности цилиндрической основы 3 посредством роликов 15, которые входят в управляющие пазы цилиндрической основы 3 маховика. Кулачки в этих пазах устанавливаются таким образом, чтобы в нижней и верхней мертвой точке происходило сначала включение одной рейки 9, а лишь после этого отключение второй. Тяга 10 закрепляется в корпусе, имеет степень свободы по ходу поршня. Пазы 17 на боковой поверхности цилиндрической основы 3 маховика служат для смазки механизма преобразования движения.
Маховик состоит из четырех основных частей: цилиндрическая основа 3 с кулачковыми секторами 5 надевается на базовую плату 2 и защемляется между буртом и гайкой 4 с наружной резьбой. Базовая плата 2 закрепляется на валу отбора мощности 1, зафиксированном в корпусе 14 двигателя.
На фиг.3 показана развертка кулачковых секторов 5, равная одному периоду. Полная развертка состоит из двух одинаковых периодов. На фиг.4 изображены поршень 12 с рамкой 8, зубчатые рейки 9, зубчатое колесо с указаниями направлений движений этих элементов.
Работа двигателя представлена на примере одного поршня.
1
1
При сгорании горючей смеси газы давят на поршень 12, который начинает перемещаться вниз и давит через шток и рамку 8 на ось 7. Далее сила передается через эксцентрик оси 7 на ролик 6, который, в свою очередь, давит на кулачковые сегменты 5, вызывая проворачивание цилиндрической основы 3, базовой платы 2 и вала отбора мощности 1. При движении поршня 12 вниз шестерня 11, закрепленная на оси 7, находится в зацеплении с одной из зубчатых реек 9, что, в свою очередь, вызывает удержание точки эксцентриситета O в нужном положении. Точка O является точкой приложения силы на маховик и находится между точкой приложения силы от поршня и точкой вращения рычага А (т.е. точкой сцепления зубьев рейки и шестерни). Такая схема распределения сил приводит к увеличению давления на преобразователь движения, что гарантирует повышение КПД энергии газов. При достижении нижней мертвой точки, которая выполнена в виде прямой горизонтальной линии, открываются клапаны и происходит выхлоп. В это же время происходит переключение реек 9. За счет инерции маховика поршень 12 двигается вверх. Этот цикл присущ и выхлопу, и сжатию. Схема распределения сил после переключения реек приводит к тому, что экономится энергия инерции маховика, необходимая для сжатия газов. В верхней мертвой точке происходит задержка положения поршня на определенное время, что обеспечивает полное сгорание газов.
Расчеты проводятся по формуле:
P·OA=R·АБ,
где Р - сила давления поршня,
1
r=[Р] - реакционная сила,
1
Р - сила давления эксцентриситета на преобразователь движения,
АБ - плечо, образованное перпендикуляром от точки А к вектору реакции R,
ОА - плечо, равное радиусу делительной окружности шестерни.
Крутящий момент:
к
1
М=Р·sinα·r,
где α - угол наклона синусоиды,
r - радиус маховика.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет преобразовать поступательное движение поршня во вращательное движение выходного вала с меньшими потерями.