БЕСШАТУННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ВО ВРАЩАТЕЛЬНОЕ И НАОБОРОТ
CON-ROD-FREE ICE, DEVICE TO CONVERT RECIPROCATION INTO ROTATION AND VICE VERSA

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к конструкции многоцилиндровых бесшатунных двигателей внутреннего сгорания.
Известны бесшатунные двигатели внутреннего сгорания, содержащие по меньшей мере одну пару оппозитно расположенных рабочих цилиндров, по меньшей мере одну пару оппозитно расположенных в рабочих цилиндрах поршней, кулачковую шайбу газораспределительного механизма и устройство преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот, включающее в себя вал с маховиком, две замкнутые синусоидальные направляющие поверхности, по меньшей мере один шток с опорным роликом (парой опорных роликов), соединяющий пару оппозитно расположенных поршней, причем продольная ось штока параллельна продольной оси вала и маховика, опорные ролики штока закреплены на осях перпендикулярно штоку, а кулачковая шайба газораспределительного механизма жестко закреплена на валу (патенты РФ №2296871, №2341667).
Известным двигателям присущ ряд недостатков.
В обоих двигателях для компенсации вращающего момента и боковых нагрузок на стенки цилиндров применены узлы скольжения (качения), в которых происходит непроизводительная потеря мощности на трение (в патенте №2296871 - пара «паз в направляющей планке» (поз.9, фиг.1) - «ролик-опора в картере (поз.22, фиг.1, в патенте №2341667 - пара «ползун» поз.12. фиг.1, 2) - «направляющая опора» (поз.11, фиг.1, 2).
Кроме того, многоцилиндровому бесшатунному оппозитному четырехтактному двигателю внутреннего сгорания, известному из патента РФ №2296871, при наличии ряда достоинств, присущи следующие недостатки.
В двигателе присутствуют высоконагруженные узлы трения в виде пар «синусоидальная профильная канавка - ролик-кулачок» и «паз в направляющей планке - ролик-опора в направляющей планке». Изображенные на фиг.5б описания патента РФ №2296871 подшипники качения внутри всех роликов не обеспечивают качения, т.к. при наличии контакта сразу с двумя поверхностями синусоидальной профильной канавки (как и других канавок) качение одновременно по двум поверхностям во встречных направлениях невозможно принципиально, а при контакте в каждый момент только с одной поверхностью (т.е. при наличии зазора) ролик в момент изменения направления движения штока будет стучать, выбирая зазор, по противоположной поверхности, что приведет к быстрому разрушению ролика или его оси.
В двигателе по патенту РФ №2296871 сложно обеспечить точное сопряжения пары скольжения «синусоидальная профильная канавка - ролик-кулачок», т.е. проблематично создать узел трения с «нулевым зазором», что может привести к возможности появления разрушающего люфта.
В известном техническом решении возникает неопределенность с сечением «синусоидальной профильной канавки»: если ее края соответствуют функциям «y=sin х» и «y=sin х+k», то поперечное сечение канавки переменно (т.к. k - это размер по вертикали, а сечение, перпендикулярное оси канавки, в каждом месте свое), следовательно, «ролик-кулачок» в ней то скользит, то «болтается» (что хорошо видно на фиг.4 описания изобретения в данном патенте). Если поперечное сечение канавки постоянно, то только центральная линия канавки описывается выражением «y=sin х», а края представляют собой более сложные кривые. При этом «ролик-кулачок» испытывает попеременно встречные вращательные нагрузки относительно собственной оси за счет разностей пути точек трения с канавкой в различные фазы цикла. Если это компенсировать наличием подшипника качения внутри ролика (как на фиг.5б), то при таких геометрических соотношениях и ударных нагрузках он будет быстро разрушаться.
Двигателю в патенте РФ №2296871 присуще наличие неравномерности нагрузки трением в разных участках ролика-кулачка вследствие разности линейных скоростей (чем дальше от оси вала, тем линейная скорость выше при одинаковой угловой скорости); как следствие, неравномерный износ и возможность появления разрушающего люфта.
Кроме того, в известном двигателе сложно разместить свечи зажигания в традиционном месте (центре камеры сгорания), в случае реализации варианта с принудительным воспламенением топливно-воздушной смеси, из-за расположения газораспределительных шайб, что приведет к ухудшению условий воспламенения топливно-воздушной смеси.
Двигателю внутреннего сгорания с центральным роторным валом согласно патенту №2341667 (прототип) кроме вышеназванного общего недостатка присущи и собственные.
Во-первых, из описания двигателя и приведенных в описании чертежей не следует, что «ползуны» (поз.12, фиг.1, 2) выполнены разъемными из двух половин. При их цельной конструкции отсутствует возможность регулировки зазора между «роликами» (поз.14, фиг.1) и «монорельсом» (поз.15, фиг.1), что при минимальном износе контактных поверхностей «роликов» и «монорельса» приведет к наличию зазора и разрушающему люфту.
Во-вторых, из описания двигателя и приведенных в описании чертежей не следует, что «ролики» не могут смещаться вдоль собственной оси, в то время как такое смещение приводит, с одной стороны, к неравенству угловых скоростей качения для разных точек касания ролика с синусоидальной поверхностью, что приводит к проскальзыванию и неравномерному изнашиванию названных поверхностей, с другой - к наличию зазора и разрушающему люфту.
В-третьих, из описания двигателя и приведенных в описании чертежей не следует, что угол между образующими конических «роликов» и соответствующий ему угол наклона поверхности «монорельса» выполнены таким образом, чтобы обеспечивалась равная угловая скорость качения для всех точек касания ролика, что обеспечивает отсутствие проскальзывания и равномерность изнашивания названных поверхностей.
В-четвертых, ось «масляного насоса» (поз.18, фиг.2) расположена перпендикулярно оси ротора и приводится в движение через пару конических шестерен, что нарушает симметрию, а следовательно, и балансировку двигателя.
В-пятых, «насосы-форсунки» (поз.5, фиг.1) имеют механический привод, не предполагающий регулировку соотношения «воздух-топливо» в топливно-воздушной смеси, что снижает функциональные возможности двигателя, например, при работе в обедненной кислородом атмосфере горной местности.
Задачей настоящего изобретения является создание двигателя, лишенного вышеназванных недостатков.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении ресурса работы двигателя путем оптимизации сопряжения опорных роликов с замкнутыми синусоидальными направляющими поверхностями, а также путем исключения ряда кинематических передач за счет использования в качестве приводов масляного насоса и компрессора единой штокопоршневой группы, а также за счет возможности использования компрессора для регулировки соотношения «воздух-топливо» в топливно-воздушной смеси, например, с применением известных устройств пневмоавтоматики.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в бесшатунном двигателе внутреннего сгорания, содержащем по меньшей мере одну пару оппозитно расположенных рабочих цилиндров, по меньшей мере одну пару оппозитно расположенных в рабочих цилиндрах поршней, масляный насос, компрессор, кулачковую шайбу газораспределительного механизма и устройство преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот, включающее в себя вал с маховиком, две замкнутые синусоидальные направляющие поверхности и по меньшей мере один шток с опорными роликами, соединяющий пару оппозитно расположенных поршней, причем продольная ось штока параллельна продольной оси вала и маховика, а опорные ролики штока закреплены на осях перпендикулярно штоку, две замкнутые синусоидальные направляющие поверхности выполнены на выступе маховика, каждый из опорных роликов выполнен с возможностью передачи усилия на маховик за счет качения по сопряженной с ним синусоидальной направляющей поверхности при рабочем ходе ближайшего к нему поршня, а кулачковая шайба газораспределительного механизма жестко соединена с валом, масляный насос и компрессор выполнены поршневыми и имеют поршневые штоки, в которых закреплены через подшипники качения оси опорных роликов, взаимодействующих с замкнутыми синусоидальными направляющими поверхностями, а кулачковая шайба газораспределительного механизма размещена в центральной выемке блока цилиндров.
В одном варианте исполнения изобретения опорные ролики имеют коническую форму, причем угол между образующими конических роликов и соответствующий ему угол наклона синусоидальной направляющей поверхности выполнены таким образом, чтобы обеспечивалась равная угловая скорость качения для всех точек касания ролика.
Конические опорные ролики имеют скругленную фаску по обоим основаниям, а края синусоидальной направляющей поверхности выполнены со скругленными бортиками таким образом, чтобы исключить смещение роликов вдоль собственной оси.
Еще в одном варианте исполнения изобретения штокопоршневая группа выполнена разъемной из двух частей, соединяемых винтовым креплением, а зазор между опорными роликами регулируется жесткими калиброванными прокладками.
Еще в одном варианте исполнения изобретения двигатель может быть выполнен с четным количеством пар цилиндров и штоков.
Еще в одном варианте исполнения изобретения рабочие цилиндры, расположенные по одну сторону от поперечного сечения маховика через 180 дуговых градусов по его окружности, могут срабатывать синхронно, а замкнутые синусоидальные направляющие поверхности могут иметь четное число периодов.
Еще в одном варианте исполнения изобретения двигатель может быть выполнен восьмицилиндровым четырехтактным, с двумя оппозитно расположенными блоками цилиндров [по схеме «четыре против четырех с синусоидальным приводом» или по-английски - Four Versus Four - Sinusoidal (FVF-S)], опирающимися на картер, а замкнутые синусоидальные направляющие поверхности могут иметь два периода.
Для достижения поставленного технического результата в бесшатунном двигателе внутреннего сгорания с поршневыми масляным насосом и компрессором предлагается использовать устройство преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот, содержащее вал с маховиком, по меньшей мере, один шток с двумя опорными роликами, две замкнутые синусоидальные направляющие поверхности, причем продольная ось штока параллельна продольной оси вала и маховика, опорные ролики штока закреплены на оси перпендикулярно штоку, две замкнутые синусоидальные направляющие поверхности выполнены на выступе маховика, каждый из опорных роликов передает усилие на маховик путем качения по сопряженной с ним синусоидальной направляющей поверхности при давлении штока на его ось в направлении контакта с этой поверхностью, а оси опорных роликов установлены в штоках на подшипниках, а масляный насос и компрессор имеют поршневые штоки в форме единой штокопоршневой группы со штоком рабочего поршня двигателя.
На фиг.1 изображен разрез двигателя по осям цилиндров и вала с маховиком.
На фиг.2 изображена схема положения поршней двигателя в развертке на
плоскость.
На фиг.3 изображена диаграмма положения днища поршней двигателя в зависимости от угла поворота вала, стрелками обозначены моменты начала рабочего хода.
На фиг.4 изображен разрез устройство преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот.
На фиг.5 изображена объемная модель устройства преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот.
На фиг.6 изображен разрез фиг.5
На фиг.7 изображена схема расположения рабочих цилиндров и цилиндров масляных насосов и компрессоров в блоке цилиндров со стороны торца вала.
Двигатель внутреннего сгорания (см. фиг.1) содержит два оппозитно расположенных блока 1 цилиндров, между которыми расположен картер 2. В картере 2 расположен маховик 3, который жестко соединен с валом 4. В каждом блоке цилиндров расположен, по меньшей мере, один рабочий цилиндр 5. В рабочих цилиндрах 5 расположены поршни 6, жестко соединенные между собой штоком 7. Блоки цилиндров 1 закрыты крышками 8 цилиндров, образующими совместно с рабочими цилиндрами 5 камеры сгорания 9. В крышках 8 цилиндров установлены свечи 10 зажигания. Газообмен в рабочих цилиндрах 5 осуществляется с помощью клапанов 11, которые приводятся от газораспределительных кулачковых шайб 12, жестко связанных с валом 4 и расположенных в центральной выемке блока 1 цилиндров. В блоке 1 цилиндров кроме рабочих цилиндров 5 могут быть расположены цилиндры 13 поршневых масляных насосов и цилиндры 14 поршневых компрессоров, как показано на фиг.7.
Устройство преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот (см. фиг.1, фиг.4, фиг.5 и фиг.6) для двигателя внутреннего сгорания (которое также может быть использовано в компрессорах, насосах и иных механизмах), содержащее вал 4 с маховиком 3, две замкнутые синусоидальные направляющие поверхности 15 и 16 (см. фиг.4 и фиг 5) и, по меньшей мере, один шток 7, соединяющий пару оппозитно расположенных поршней 6. Продольная ось штока 7 параллельна продольной оси вала 4 и маховика 3. Шток 7 снабжен опорными роликами 17 и 18, закрепленными на осях 19 перпендикулярно штоку 7. Две замкнутые синусоидальные направляющие поверхности 15 и 16 выполнены на выступе 20 маховика 3. Опорный ролик 17 выполнен с возможностью взаимодействия с первой замкнутой синусоидальной направляющей поверхностью 15, опорный ролик 18 выполнен с возможностью взаимодействия со второй замкнутой синусоидальной направляющей поверхностью 16. Оси 19 опорных роликов 17 и 18 установлены в штоках 7 на подшипниках 21.
Опорные ролики 17 и 18 предпочтительно имеют коническую форму.
Шток 7 предпочтительно выполнен из двух частей, соединяемых винтовым креплением (не показан), а зазор между опорными роликами 17 и 18 регулируется жесткими калиброванными прокладками 22 (см. фиг.4).
1
2
3
4
5
6
7
8
1
5
2
6
4
8
3
7
Работа двигателя может быть рассмотрена на примере восьмицилиндрового двигателя в составе транспортного средства (например, автомобиля). Восьмицилиндровый двигатель содержит восемь рабочих цилиндров 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5 и 5 (подстрочный индекс обозначат порядок расположения рабочих цилиндров по часовой стрелке, как показано на фиг.2 и фиг.7). Рабочие цилиндры, расположенные по одну сторону от поперечного сечения маховика через 180 дуговых градусов по его окружности, срабатывают синхронно - 5 и 5, 5 и 5, 5 и 5, 5 и 5. 3амкнутые синусоидальные направляющие поверхности 15 и 16 имеют два периода.
Восьмицилиндровый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с принудительным воспламенением топливно-воздушной смеси работает следующим образом.
При запуске двигателя от аккумулятора запитывается постоянным током стартовый электродвигатель, прокручивающий вал 4 с маховиком 3. В рабочие цилиндры 5 поочередно подается и сжимается топливно-воздушная смесь.
1
5
1
5
1
5
3
7
2
6
2
6
4
8
Первый рабочий ход осуществляется следующим образом. Системой зажигания подается электрический разряд на свечу 10 зажигания рабочих цилиндров 5 и 5. При этом топливно-воздушная смесь (попавшая в цилиндры 5 и 5 в результате прокручивания вала 4 и маховика 3 стартовым электродвигателем и сжатая им же) воспламеняется, и продукты сгорания расширяются, осуществляя рабочий ход, опорные ролики 17 штоков 7 поршней 6 цилиндров 5 и 5 воздействуют на замкнутую синусоидальную направляющую поверхность 15 выступа 20 маховика 3 и проворачивают маховик 3 и вал 4 на девяносто градусов. В цилиндрах 5 и 5 происходит выхлоп, в цилиндрах 5 и 5 происходит сжатие топливно-воздушной смеси (попавшей в цилиндры 5 и 5 в результате прокручивания маховика 3 и вала 4 стартовым электродвигателем), а в цилиндрах 5 и 5 происходит разрежение и всасывание топливно-воздушной смеси.
2
6
2
6
1
5
4
8
3
7
Второй рабочий ход осуществляется следующим образом. Системой зажигания подается электрический разряд на свечу 10 зажигания цилиндров 5 и 5. При этом топливно-воздушная смесь воспламеняется и продукты сгорания расширяются (второй рабочий ход), опорные ролики 18 штоков 7 поршней 6 цилиндров 5 и 5 воздействуют на замкнутую синусоидальную направляющую поверхность 16 выступа 20 маховика 3 и проворачивают маховик 3 и вал 4 на следующие девяносто градусов. В цилиндрах 5 и 5 происходит выхлоп, в цилиндрах 5 и 5 происходит сжатие топливно-воздушной смеси, а в цилиндрах 5 и 5 происходит разрежение и всасывание топливно-воздушной смеси.
4
8
4
8
2
6
3
7
1
5
Третий рабочий ход осуществляется следующим образом. Системой зажигания подается электрический разряд на свечу 10 зажигания цилиндров 5 и 5. При этом топливно-воздушная смесь воспламеняется и продукты сгорания расширяются (третий рабочий ход), опорные ролики 18 штоков 7 поршней 6 цилиндров 5 и 5 воздействуют на замкнутую синусоидальную направляющую поверхность 16 выступа 20 маховика 3 и проворачивают маховик 3 и вал 4 на следующие девяносто градусов. В цилиндрах 5 и 5 происходит выхлоп, в цилиндрах 5 и 5 происходит сжатие топливно-воздушной смеси, а в цилиндрах 5 и 5 происходит разрежение и всасывание топливно-воздушной смеси.
3
7
3
7
4
8
1
5
2
6
Четвертый рабочий ход осуществляется следующим образом. Системой зажигания подается электрический разряд на свечу 10 зажигания цилиндров 5 и 5. При этом топливно-воздушная смесь воспламеняется и продукты сгорания расширяются (третий рабочий ход), опорные ролики 17 штоков 7 поршней 6 цилиндров 5 и 5 воздействуют на замкнутую синусоидальную направляющую поверхность 15 выступа 20 маховика 3 и проворачивают маховик 3 и вал 4 на следующие девяносто градусов. В цилиндрах 5 и 5 происходит выхлоп, в цилиндрах 5 и 5 происходит сжатие топливно-воздушной смеси, а в цилиндрах 5 и 5 происходит разрежение и всасывание топливно-воздушной смеси.
Далее рабочие циклы повторяются. При этом, регулируя количество и состав подаваемой топливно-воздушной смеси, добиваются необходимой частоты их повторения. После выхода двигателя на заданный режим подключают нагрузку (например, через фрикционную муфту и коробку передач передают вращающий момент на колеса).
Поршни масляных насосов, совершая рабочие ходы, обеспечивают циркуляцию масла (откачку из картера, фильтрацию, впрыск на движущиеся детали в картере), а поршни компрессоров, совершая рабочие ходы, обеспечивают сжатым воздухом систему впрыска топлива, пневмотормоза автомобиля, пневмоподвеску и т.п.
Заявленное устройство осуществляет не только преобразование возвратно-поступательного движения поршней 6 при рабочем ходе во вращательное движение вала 4 и маховика 3, но и, наоборот, преобразовывает вращательное движение вала 4 и маховика 3 в возвратно-поступательное движение штоков и поршней многоцилиндрового двигателя вне рабочего хода, а также поршней масляных насосов и компрессоров.
Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает достижение заявленного технического результата - повышение ресурса работы двигателя путем оптимизации сопряжения опорных роликов с замкнутыми синусоидальными направляющими поверхностями, а также путем исключения ряда кинематических передач за счет использования в качестве приводов масляного насоса и компрессора единой штокопоршневой группы, а также за счет возможности использования компрессора для регулировки соотношения «воздух-топливо» в топливно-воздушной смеси, например, с применением известных устройств пневмоавтоматики.