Бескривошипный двигатель внутреннего сгорания. Бескривошипный двигатель википедия


Бескривошипный двухтактный двигатель внутреннего сгорания

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Бескривошипный двухтактный двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр (2), гильзу (3), поршень (8), связанный с цилиндром при помощи тел вращения, входящих в сочленение с криволинейным бесконечным пазом (14), и выходной вал (12). Поршень (8) выполнен составным и содержит толкатель (9) с подшипником (10) и установленную на нем поршневую головку (11). Бесконечный криволинейный паз (14) выполнен на боковой поверхности толкателя (9). Толкатель (9) совершает вращательное движение, передающееся на выходной вал (12). Поршневая головка (11) имеет возможность возвратно-поступательного движения вдоль выходного вала (12). Тела вращения, входящие в сочленение с криволинейным бесконечным пазом (14), состоят из роликовых опор (15), установленных на подшипниках (16), смонтированных в цилиндре (2). Крутящий момент на выходной вал (12) передается через шариковые опоры (13). Технический результат заключается в повышении надежности и ресурса работы за счет снижения коэффициента трения и предотвращения заклинивания сопрягаемых деталей. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению.

Наиболее близким к изобретению аналогом является «бесшатунный двигатель внутреннего сгорания с вращающимися поршнями» (Патент РФ №2166654, БИ 10.05.2001), содержащий размещенные в корпусе гильзу цилиндра, поршень, выходной вал и передаточные механизмы, взаимодействующие с одним из элементов цилиндропоршневой группы, содержащим на поверхности паз, а также механизм взаимодействия поршня с выходным валом двигателя, причем поршень выполнен в виде закрытого с торцов трубчатого элемента, концы которого уплотнены по наружной и внутренней поверхностям, поршень соединен с выходным валом двигателя, проходящим через оба днища поршня по его оси, посредством подшипников качения или скольжения, опирающихся на плоскости выходного вала, наружные поверхности верхнего и нижнего днищ поршня в совокупности с соответствующими поверхностями верхней и нижней крышек цилиндра, а также гильзы цилиндра образуют камеры сгорания, расположенные с обеих сторон одного и того же поршня, что обеспечивает возможность поочередного осуществления рабочих процессов с обеих сторон одного и того же поршня, то есть его двойное действие, при этом паз выполнен на боковой поверхности поршня, передаточные механизмы установлены в корпусе двигателя, а механизм взаимодействия поршня с выходным валом расположен внутри поршня двигателя. Недостатком данного двигателя является сложность его конструкции, большое число уплотнительных элементов, малый ресурс его работы на больших оборотах.

Прототипом предлагаемого устройства является «бескривошипный двигатель внутреннего сгорания» (Патент РФ №2156871, БИ 27.09.2000), содержащий цилиндр, гильзу, поршень, связанный с цилиндром при помощи тел вращения, входящих в сочленение с криволинейным бесконечным пазом, выполненным на наружной поверхности поршня, причем на выходном валу установлена пружина, имеющая предварительное сжатие, при этом один конец пружины опирается на буртик выходного вала, а другой - на нижний торец юбки поршня.

Основными недостатками конструкции этого двигателя являются:

- малый ресурс его работы из-за возникающих сил трения между вращающимся поршнем и неподвижной гильзой;

- ненадежность конструкции при передаче крутящего момента от поршня на выходной вал через поршневые пальцы;

- снижение КПД двигателя из-за поглощения энергии взрыва в камере сгорания пружиной при рабочем ходе поршня.

Цель изобретения - повышение надежности, ресурса и КПД работы двигателя.

Поставленная цель достигается: изменением конструкции поршня для исключения его принудительного вращения в процессе работы, передачей крутящего момента на выходной вал через шариковую опору; изменением конструкции передаточного механизма.

Предлагаемое изобретение поясняется конкретным примером его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:

Фиг.1. Общий вид.

Фиг.2. Разрез А-А (НМТ) на фиг.1.

Фиг.3. Разрез А-А (ВМТ) на фиг.1.

Двигатель (фиг.1-3) включает головку цилиндра 1, цилиндр 2 и гильзу 3 с выполненными в стенках продувочными окнами 4, выпускным окном 5, впускным окном 6 и каналами подачи горючей смеси 7, поршень 8, выполненный составным и содержащий толкатель 9 с подшипником 10 и установленную на нем поршневую головку 11, выходной вал 12, кинематически связанный с толкателем 9 посредством шариковых опор 13 с возможностью осевого перемещения. Причем на боковой поверхности толкателя 9 выполнен бесконечный криволинейный паз 14, который входит в сочленение с роликовыми опорами 15, установленными на подшипниках 16, смонтированных в цилиндре 2. На выходном валу 12, установленном на опорном подшипнике 17, смонтированы маховик 18 для равномерной работы и вентильная электромашина 19 для обеспечения работы электрооборудования двигателя, корпус которой закреплен на цилиндре 2. Цилиндр 2 двигателя снабжен впускным коллектором 20 для крепления карбюратора (не показан) и выпускным коллектором 21 для крепления глушителя (не показан), а также клапаном 22 для подачи горючей смеси в подпоршневую камеру 23. Воспламенение горючей смеси в камере сгорания 24 производится свечой зажигания 25, установленной в головке цилиндра 1. Герметизация двигателя осуществляется уплотнительными элементами 26, а камеры сгорания - поршневыми кольцами 27.

Двигатель работает следующим образом.

В процессе сгорания горючей смеси и расширения газы принуждают поршень 8 к поступательному движению, которое воспринимается передаточным механизмом, включающим паз 14, выполненный на наружной поверхности толкателя 9. Паз 14, находясь в сочленении с роликовыми опорами 15, установленными на подшипниках 16, смонтированными в цилиндре 2, вынуждают поршень 8 совершать одновременно возвратно-поступательное движение поршневой головки 11 и вращение толкателя 9. Вращательное движение толкателя 9 передается на выходной вал 12 при помощи шариковых опор 13. Данный выходной вал в продольном направлении остается неподвижным и совершает вращательное движение, а поршень имеет возможность движения вдоль этого вала, причем поршневая головка не вращается, что снижает силы трения при перемещении поршня.

Газораспределение в двигателе происходит по двухтактной схеме.

1. Такт сжатия.

Поршень перемещается от НМТ (фиг.2) к ВМТ (фиг.3), перекрывая сначала продувочные окна 4, а затем выпускное окно 5. После закрытия поршнем 8 выпускного окна начинается сжатие ранее поступившей в камеру сгорания 24 горючей смеси. Одновременно в подпоршневой камере 23 вследствие ее герметичности и после того как поршень перекрывает продувочные окна, под поршнем создается разряжение, под действием которого из карбюратора через впускной коллектор 20 и открывающийся клапан 22 поступает горючая смесь в подпоршневую камеру.

2. Такт рабочего хода.

При положении поршня около ВМТ сжатая горючая смесь воспламеняется электрической искрой от свечи зажигания 25, установленной в головке цилиндра 1, в результате теплового расширения (взрыва) горючей смеси поршень перемещается к НМТ, при этом поршень создает высокое давление в подпоршневой камере, сжимая горючую смесь. Под действием давления клапан 22 закрывается, не давая, таким образом, горючей смеси снова попасть во впускной коллектор через впускное окно 6 и затем в карбюратор. Когда поршень дойдет до выпускного окна 5, оно откроется и начнется выпуск отработанных газов через выпускной коллектор 21 в атмосферу, давление в камере сгорания понижается. При дальнейшем перемещении поршень открывает продувочные окна 4, и, сжатая в подпоршневой камере 23, горючая смесь поступает по каналам 7 в камеру сгорания, заполняя ее и осуществляя продувку от остатков отработанных газов.

Далее цикл повторяется.

Предлагаемый двигатель может использоваться в качестве привода машин и механизмов наземного, водного и воздушного транспорта (генераторы, насосы, компрессоры и другие мобильные агрегаты).

1. Бескривошипный двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр, гильзу, поршень, связанный с цилиндром при помощи тел вращения, входящих в сочленение с криволинейным бесконечным пазом и выходной вал, отличающийся тем, что поршень выполнен составным и содержит толкатель с подшипником и установленную на нем поршневую головку, бесконечный криволинейный паз выполнен на боковой поверхности толкателя, толкатель совершает вращательное движение, передающееся на выходной вал, а поршневая головка имеет возможность возвратно-поступательного движения вдоль выходного вала.

2. Бескривошипный двухтактный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что тела вращения, входящие в сочленение с криволинейным бесконечным пазом, состоят из роликовых опор, установленных на подшипниках, смонтированных в цилиндре.

3. Бескривошипный двухтактный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что крутящий момент на выходной вал передается через шариковые опоры.

www.findpatent.ru

Бескривошипный двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Бескривошипный двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр, гильзу и поршень, связанный с цилиндром при помощи тел вращения, входящих в сочленение с криволинейным бесконечным пазом, выполненным на наружной поверхности поршня. На выходном валу установлена пружина, имеющая предварительное сжатие. Один конец пружины опирается на буртик выходного вала, а другой - на нижний торец юбки поршня. Технический результат заключается в уменьшении контактных напряжений в сопряжении тело вращения - криволинейный паз. 1 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению.

Известны конструкции бесшатунных и бескривошипных (роторных) двигателей внутреннего сгорания. Например, двигатель Баландина, двигатель Ванкеля. Двигатель Баландина (Баландин С. С. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1972) содержит цилиндр, поршень, шток, камеру сгорания, коленчатый вал. В двигателе Баландина преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное осуществляется при помощи коленчатого вала специальной конструкции. Двигатель Ванкеля (Орлин А.С. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. - М.: Машиностроение, 1990) содержит корпус, ротор, камеру сгорания, источники воспламенения, выходной вал. В этом двигателе усилие от действия газов передается непосредственно вращающемуся ротору, а от ротора - выходному валу. Наиболее близким к предлагаемому двигателю является бесшатунный двигатель внутреннего сгорания (Патент РФ N 2099559, Бюл. N 35, 20. 12. 97 г.), который содержит цилиндр, поршень, выходной вал, камеру сгорания, форсунку, механизм газораспределения. Такая конструкция позволяет упростить двигатель, повысить надежность работы при высоких динамических нагрузках и обеспечить возможность форсирования двигателя, а также уменьшения механических потерь в сопряжении "поршень-цилиндр" за счет придания поршню вращательного движения. Недостатком данного двигателя являются высокие контактные напряжения в сопряжении "шар - канавка", возникающие при положении поршня вблизи верхней мертвой точки (ВМТ) в процессе сгорания. Изобретение решает задачу уменьшения контактных напряжений в сопряжении "шар - канавка". Указанная задача решается тем, что в бескривошипном двигателе внутреннего сгорания, содержащем цилиндр, гильзу, поршень с криволинейным бесконечным пазом на его наружной поверхности, связанный с цилиндром при помощи тел вращения и взаимодействующий через поршневой палец и тела вращения с выходным валом, камеру сгорания, топливную систему, механизм газораспределения, согласно изобретению на выходном валу установлена пружина, имеющая предварительное сжатие, причем один конец пружины опирается на буртик выходного вала, а другой - на нижний торец юбки. Наличие пружины с предварительным сжатием, установленной так, что один конец пружины опирается на буртик выходного вала, а другой - на нижний торец юбки, позволяет уменьшить контактные напряжения в сопряжении "шар - канавка". Усилие, создаваемое пружиной, противоположно по направлению силе, возникающей от давления газов на поршень в период сгорания. Причем это усилие приложено к нижнему торцу поршня. Благодаря этому обстоятельству канавка, выполненная на наружной поверхности поршня, разгружается от действия высоких контактных напряжений в период сгорания. Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображен разрез двигателя. Двигатель включает цилиндр 1 и гильзу 2 с выполненными в стенках отверстиями 3 и установленными в них шарами (телами вращения) 4, которые зафиксированы регулировочными винтами 5, поршень 6 с выполненным на части длины его наружной поверхности бесконечным криволинейным пазом 7, который входит в сочленение с соответствующими шарами (телами вращения), установленными в цилиндре с гильзой. В совокупности поршень, шары (тела вращения) и паз представляют передаточный механизм. Причем поршень связан с выходным валом 8 при помощи поршневого пальца 9 с установленными на нем цилиндрическими роликами 10. Выходной вал установлен в подшипниках 11 и 12, и на нем установлены маховик 13 и пружина 14, которая одним концом опирается на нижний торец юбки поршня, а другим - на буртик выходного вала. Поршень при положении в ВМТ в совокупности с цилиндром образуют камеру сгорания 15. В корпусе цилиндра установлена свеча зажигания 16, имеются продувочный 17 и выпускной 18 каналы. Двигатель работает как двигатель с кривошипно-камерной схемой газообмена следующим образом. В процессе сгорания и расширения газы принуждают поршень 6 к поступательному движению, которое воспринимается передаточным механизмом, включающим паз 7, выполненный на наружной поверхности поршня. Пазы, находясь в сочленении с шарами (телами вращения) 4, расположенными в выполненных стенках цилиндра 1 и гильзы 2 отверстиях 3 и зафиксированными регулировочными винтами 5, вынуждают поршень совершать одновременно возвратно-поступательное движение и вращение. Вращательное движение поршня передается на выходной вал 8 при помощи поршневого пальца 9 с цилиндрическими роликами 10. Данный выходной вал в продольном направлении остается неподвижным, а поршень имеет возможность движения вдоль этого вала. Причем пружина 14, опирающаяся одним концом на буртик выходного вала, а другим - на нижний торец юбки, вращается вместе с поршнем. Причем при движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ) пружина подвергается сжатию и, воздействуя на нижний торец поршня, способствует частичной разгрузке стенок канавки от чрезмерных контактных напряжений в период сгорания. При движении поршня к ВМТ пружина воздействует на его нижний торец, способствует разгрузке стенок канавки от действия контактных напряжений, обусловленных действием сил инерции поршня, в период сжатия. Перемещение поршня от НМТ до ВМТ обеспечивается, таким образом, силами упругости пружины и установленным на выходном валу маховиком 13. Предлагаемый двигатель может использоваться в личном, фермерском хозяйстве в качестве привода электрогенератора, насоса, лебедки и др.

Формула изобретения

Бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр, гильзу, поршень, связанный с цилиндром при помощи тел вращения, входящих в сочленение с криволинейным бесконечным пазом, выполненным на наружной поверхности поршня, отличающийся тем, что на выходном валу установлена пружина, имеющая предварительное сжатие, причем один конец пружины опирается на буртик выходного вала, а другой - на нижний торец юбки поршня.

РИСУНКИ

Рисунок 1

www.findpatent.ru

Бескривошипный двигатель внутреннего сгорания

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в качестве источника механической энергии. Техническим результатом является повышение надежности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит цилиндр, гильзу и поршень, связанный с цилиндром при помощи тел вращения, входящих в сочленение с криволинейными бесконечными пазами. Согласно изобретению, на наружной поверхности поршня выполнено n криволинейных бесконечных замкнутых пазов, каждый из которых представляет собой N-периодную кривую. Причем каждый из пазов, начиная со 2-го, сдвинут по фазе относительно предыдущего на величину 2π/(N×n), а профиль каждого последующего тела вращения, начиная со 2-го, выполнен отличным от предыдущего. При этом профиль каждого из пазов, начиная со 2-го, выполнен соответствующим сочлененному с ним телу вращения. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в качестве источника механической энергии в машинных механизмах наземного, водного и воздушного транспорта, а также в мобильных и стационарных энергетических установках различного назначения.

Известна конструкция бесшатунного двигателя внутреннего сгорания (патент РФ №2196237, МПК 7 F 02 В 75/32), содержащая поршни, цилиндр с пазами на его цилиндрической поверхности, передаточный механизм с роликами, камеру сгорания, форсунку, механизм газораспределения и выходной вал. Каждый поршень снабжен подвижным соединением, включающим вал с площадками, ходовые ролики, опирающиеся с двух сторон на указанные площадки и установленные на траверсе, на противоположных концах расположены ролики преобразующего механизма, при этом конфигурация продольного профиля паза цилиндра представляет собой замкнутую, многопериодную, несимметричную в направлении, перпендикулярном к развертке, с несколькими экстремумами объемную канавку.

Известен бесшатунный двигатель внутреннего сгорания с вращающимися поршнями (патент РФ 2057948, МПК 6 F 01 B 9/06), содержащий корпус, гильзу цилиндра с криволинейным замкнутым пазом, выполненным в ее нижней (по отношению к камере сжатия и сгорания) части, поршни, механизмы преобразования, которые представляют собой ролики, установленные на пальцах, находящихся в поршнях, и штоки, закрепленные на поршнях и связанные с шестернями выходного вала посредством роликов, находящихся в прямолинейных пазах ступицы шестерен.

Основными недостатками вышеуказанных двигателей являются следующие:

- повышенное содержание вредных веществ в выпускных газах двигателя и, как следствие, относительно высокая токсичность отработавших газов, а также значительный уровень шума, излучаемого двигателем в окружающую среду, обуславливаемый недостаточной степенью расширения рабочего тела;

- относительно высокие температуры выпускных газов, что ведет к перегреву двигателя внутреннего сгорания.

Наиболее близкой к предлагаемому двигателю является конструкция бескривошипного двигателя внутреннего сгорания (патент РФ №2156871, МПК 7 F 02 B 75/26, F 01 B 9/06), который содержит цилиндр, гильзу и поршень, связанный с цилиндром при помощи тел вращения, входящих в сочленение с криволинейным бесконечным пазом, выполненным на наружной поверхности поршня. На выходном валу установлена пружина, имеющая предварительное сжатие. Один конец пружины опирается на буртик выходного вала, а другой - на нижний торец юбки поршня. Такая конструкция способствует частичной разгрузке стенок канавки от чрезмерных контактных напряжений в период сгорания.

Основные недостатки такого двигателя следующие:

- установленная в двигателе пружина лишь частично снимает значения контактных напряжений;

- на режимах частичных нагрузок ввиду установки пружины, отрегулированной под номинальный режим работы, происходит неравномерная работа двигателя вследствие того, что пружина не может обеспечить нормальную работу двигателя на всех его режимах работы.

- ухудшение, вследствие вышеназванной причины, пусковых качеств двигателя.

В основу предлагаемого изобретения положено решение технической задачи, заключающееся в уменьшении контактных напряжений в сопряжении "тело вращения - криволинейный паз", а также в повышении сбалансированности работы двигателя на режимах пониженной и частичной нагрузок.

Решение технической задачи достигается тем, что в бескривошипном двигателе внутреннего сгорания, содержащем цилиндр, гильзу, поршень, связанный с цилиндром при помощи тел вращения, входящих в сочленение с криволинейными бесконечными пазами, согласно изобретению на наружной поверхности поршня выполнено n криволинейных бесконечных замкнутых пазов, каждый из которых представляет собой N-периодную кривую, причем каждый из пазов, начиная со 2-го, сдвинут по фазе относительно предыдущего на величину 2π/(N×n), при этом профиль каждого последующего тела вращения, начиная со 2-го, выполнен отличным от предыдущего, а профиль каждого из пазов, начиная со 2-го, выполнен соответствующим телу вращения, сочлененному с ним.

Профили тел вращения и соответствующих им криволинейных пазов выполнены в следующей последовательности: ступенчатыми, трапециевидными, овальными.

Профили тел вращения и соответствующих им криволинейных пазов выполнены в следующей последовательности: трапециевидными, ступенчатыми, овальными.

Профили тел вращения и соответствующих им криволинейных пазов выполнены в следующей последовательности: овальными, ступенчатыми, трапециевидными.

Совокупность заявленных признаков позволяет снизить нагрузку на замкнутые криволинейные пазы, выполненные на боковых поверхностях поршней, что обеспечивает надежность двигателя на всех режимах работы.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен разрез двигателя; на фиг.2 - развертка боковой поверхности поршня с осевыми линиями пазов; на фиг.3 - варианты профилей пазов и тел вращения.

Двигатель включает цилиндр 1, гильзу 2 с выполненными в стенках отверстиями 3 и установленными в них телами вращения 4, поршень 5, на боковых поверхностях которого выполнены замкнутые пересекающиеся пазы 6, причем каждый из пазов, начиная со 2-го, сдвинут по фазе относительно предыдущего на величину 2π/(N×n), при этом профиль каждого последующего тела вращения, начиная со 2-го, выполнен отличным от предыдущего, а профиль каждого из пазов, начиная со 2-го, выполнен соответствующим телу вращения, сочлененному с ним. В совокупности поршень 5, тела вращения 4 и пазы 6 представляют передаточный механизм. Причем поршень связан с выходным валом 7 при помощи поршневого пальца 8 с установленными на нем цилиндрическими роликами 9. Выходной вал установлен в подшипниках 10 и 11, и на нем установлен маховик 12.

Поршень при положении в ВМТ в совокупности с цилиндром образуют камеру сгорания 13. В корпусе цилиндра установлена свеча зажигания 14, имеются продувочный 15 и выпускной 16 каналы.

Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания работает как двигатель с кривошипно-камерной схемой газообмена следующим образом.

В процессе сгорания и расширения газы принуждают поршень 5 к поступательному движению, которое воспринимается передаточным механизмом, включающим паз 6, выполненными на наружной поверхности поршня. Пазы, находясь в сочленении с телами вращения 4, расположенными в выполненных в стенках цилиндра 1 и гильзы 2 отверстиях 3, вынуждают поршень совершать одновременно возвратно-поступательное движение и вращение. Вращательное движение поршня передается на выходной вал 7 при помощи поршневого пальца 8 с цилиндрическими роликами 9. Данный выходной вал продольном направлении остается неподвижным, а поршень имеет возможность движения вдоль этого вала. Перемещение поршня от НМТ к ВМТ обеспечивается за счет энергии, накопленной маховыми массами.

При такой конструкции передаточного механизма двигателя уменьшаются нагрузки в сопряжении "тело вращения - криволинейный паз", а также обеспечивается симметричное нагружение опор силами давления газов и силами инерции и повышение мощности пропорционально увеличению числа периодов N.

Бескривошипный двигатель внутреннего сгорания может быть использован в качестве ДВС для транспортных машин и других мобильных и стационарных потребителей, а также насоса или компрессора для создания избыточного давления рабочего тела и транспортировки (перекачки) газов, жидкостей, смесей, взвесей, суспензий и других агентов в различных отраслях промышленности и хозяйства.

1. Бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр, гильзу, поршень, связанный с цилиндром при помощи тел вращения, входящих в сочленение с криволинейными бесконечными пазами, отличающийся тем, что на наружной поверхности поршня выполнено n криволинейных бесконечных замкнутых пазов, каждый из которых представляет собой N-периодную кривую, причем каждый из пазов, начиная со 2-го, сдвинут по фазе относительно предыдущего на величину 2π/(N×n), при этом профиль каждого последующего тела вращения, начиная со 2-го, выполнен отличным от предыдущего, а профиль каждого из пазов, начиная со 2-го, выполнен соответствующим телу вращения, сочлененного с ним.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что профили тел вращения и соответствующих им криволинейных пазов выполнены в следующей последовательности: ступенчатыми, трапециевидными, овальными.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что профили тел вращения и соответствующих им криволинейных пазов выполнены в следующей последовательности: трапециевидными, ступенчатыми, овальными.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что профили тел вращения и соответствующих им криволинейных пазов выполнены в следующей последовательности: овальными, ступенчатыми, трапециевидными.

www.findpatent.ru

Бескривошипный двигатель внутреннего сгорания | Банк патентов

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в качестве источника механической энергии в машинных механизмах наземного, водного и воздушного транспорта, а также в мобильных и стационарных энергетических установках различного назначения.

Известна конструкция бесшатунного двигателя внутреннего сгорания (патент РФ №2196237, МПК 7 F 02 В 75/32), содержащая поршни, цилиндр с пазами на его цилиндрической поверхности, передаточный механизм с роликами, камеру сгорания, форсунку, механизм газораспределения и выходной вал. Каждый поршень снабжен подвижным соединением, включающим вал с площадками, ходовые ролики, опирающиеся с двух сторон на указанные площадки и установленные на траверсе, на противоположных концах расположены ролики преобразующего механизма, при этом конфигурация продольного профиля паза цилиндра представляет собой замкнутую, многопериодную, несимметричную в направлении, перпендикулярном к развертке, с несколькими экстремумами объемную канавку.

Известен бесшатунный двигатель внутреннего сгорания с вращающимися поршнями (патент РФ 2057948, МПК 6 F 01 B 9/06), содержащий корпус, гильзу цилиндра с криволинейным замкнутым пазом, выполненным в ее нижней (по отношению к камере сжатия и сгорания) части, поршни, механизмы преобразования, которые представляют собой ролики, установленные на пальцах, находящихся в поршнях, и штоки, закрепленные на поршнях и связанные с шестернями выходного вала посредством роликов, находящихся в прямолинейных пазах ступицы шестерен.

Основными недостатками вышеуказанных двигателей являются следующие:

- повышенное содержание вредных веществ в выпускных газах двигателя и, как следствие, относительно высокая токсичность отработавших газов, а также значительный уровень шума, излучаемого двигателем в окружающую среду, обуславливаемый недостаточной степенью расширения рабочего тела;

- относительно высокие температуры выпускных газов, что ведет к перегреву двигателя внутреннего сгорания.

Наиболее близкой к предлагаемому двигателю является конструкция бескривошипного двигателя внутреннего сгорания (патент РФ №2156871, МПК 7 F 02 B 75/26, F 01 B 9/06), который содержит цилиндр, гильзу и поршень, связанный с цилиндром при помощи тел вращения, входящих в сочленение с криволинейным бесконечным пазом, выполненным на наружной поверхности поршня. На выходном валу установлена пружина, имеющая предварительное сжатие. Один конец пружины опирается на буртик выходного вала, а другой - на нижний торец юбки поршня. Такая конструкция способствует частичной разгрузке стенок канавки от чрезмерных контактных напряжений в период сгорания.

Основные недостатки такого двигателя следующие:

- установленная в двигателе пружина лишь частично снимает значения контактных напряжений;

- на режимах частичных нагрузок ввиду установки пружины, отрегулированной под номинальный режим работы, происходит неравномерная работа двигателя вследствие того, что пружина не может обеспечить нормальную работу двигателя на всех его режимах работы.

- ухудшение, вследствие вышеназванной причины, пусковых качеств двигателя.

В основу предлагаемого изобретения положено решение технической задачи, заключающееся в уменьшении контактных напряжений в сопряжении "тело вращения - криволинейный паз", а также в повышении сбалансированности работы двигателя на режимах пониженной и частичной нагрузок.

Решение технической задачи достигается тем, что в бескривошипном двигателе внутреннего сгорания, содержащем цилиндр, гильзу, поршень, связанный с цилиндром при помощи тел вращения, входящих в сочленение с криволинейными бесконечными пазами, согласно изобретению на наружной поверхности поршня выполнено n криволинейных бесконечных замкнутых пазов, каждый из которых представляет собой N-периодную кривую, причем каждый из пазов, начиная со 2-го, сдвинут по фазе относительно предыдущего на величину 2π/(N×n), при этом профиль каждого последующего тела вращения, начиная со 2-го, выполнен отличным от предыдущего, а профиль каждого из пазов, начиная со 2-го, выполнен соответствующим телу вращения, сочлененному с ним.

Профили тел вращения и соответствующих им криволинейных пазов выполнены в следующей последовательности: ступенчатыми, трапециевидными, овальными.

Профили тел вращения и соответствующих им криволинейных пазов выполнены в следующей последовательности: трапециевидными, ступенчатыми, овальными.

Профили тел вращения и соответствующих им криволинейных пазов выполнены в следующей последовательности: овальными, ступенчатыми, трапециевидными.

Совокупность заявленных признаков позволяет снизить нагрузку на замкнутые криволинейные пазы, выполненные на боковых поверхностях поршней, что обеспечивает надежность двигателя на всех режимах работы.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен разрез двигателя; на фиг.2 - развертка боковой поверхности поршня с осевыми линиями пазов; на фиг.3 - варианты профилей пазов и тел вращения.

Двигатель включает цилиндр 1, гильзу 2 с выполненными в стенках отверстиями 3 и установленными в них телами вращения 4, поршень 5, на боковых поверхностях которого выполнены замкнутые пересекающиеся пазы 6, причем каждый из пазов, начиная со 2-го, сдвинут по фазе относительно предыдущего на величину 2π/(N×n), при этом профиль каждого последующего тела вращения, начиная со 2-го, выполнен отличным от предыдущего, а профиль каждого из пазов, начиная со 2-го, выполнен соответствующим телу вращения, сочлененному с ним. В совокупности поршень 5, тела вращения 4 и пазы 6 представляют передаточный механизм. Причем поршень связан с выходным валом 7 при помощи поршневого пальца 8 с установленными на нем цилиндрическими роликами 9. Выходной вал установлен в подшипниках 10 и 11, и на нем установлен маховик 12.

Поршень при положении в ВМТ в совокупности с цилиндром образуют камеру сгорания 13. В корпусе цилиндра установлена свеча зажигания 14, имеются продувочный 15 и выпускной 16 каналы.

Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания работает как двигатель с кривошипно-камерной схемой газообмена следующим образом.

В процессе сгорания и расширения газы принуждают поршень 5 к поступательному движению, которое воспринимается передаточным механизмом, включающим паз 6, выполненными на наружной поверхности поршня. Пазы, находясь в сочленении с телами вращения 4, расположенными в выполненных в стенках цилиндра 1 и гильзы 2 отверстиях 3, вынуждают поршень совершать одновременно возвратно-поступательное движение и вращение. Вращательное движение поршня передается на выходной вал 7 при помощи поршневого пальца 8 с цилиндрическими роликами 9. Данный выходной вал продольном направлении остается неподвижным, а поршень имеет возможность движения вдоль этого вала. Перемещение поршня от НМТ к ВМТ обеспечивается за счет энергии, накопленной маховыми массами.

При такой конструкции передаточного механизма двигателя уменьшаются нагрузки в сопряжении "тело вращения - криволинейный паз", а также обеспечивается симметричное нагружение опор силами давления газов и силами инерции и повышение мощности пропорционально увеличению числа периодов N.

Бескривошипный двигатель внутреннего сгорания может быть использован в качестве ДВС для транспортных машин и других мобильных и стационарных потребителей, а также насоса или компрессора для создания избыточного давления рабочего тела и транспортировки (перекачки) газов, жидкостей, смесей, взвесей, суспензий и других агентов в различных отраслях промышленности и хозяйства.

bankpatentov.ru

Бескривошипный двигатель внутреннего сгорания

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в качестве источника механической энергии. Техническим результатом является повышение надежности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит цилиндр, гильзу, поршень, ступенчатый выходной вал, одна из ступеней которого соединена с поршнем посредством оси. На выходной вал опирается одним из своих концов пружина. Согласно изобретению ступень выходного вала, соединенная с поршнем, выполнена в виде стакана, стенки которого охватывают поршень. В стенках стакана выполнен сквозной радиальный канал, сообщающийся с впускной полостью двигателя. Торец стакана выполнен в виде криволинейной поверхности. При этом на противоположных концах оси, соединяющей поршень с валом, установлены по два подшипника качения. Внутренние по отношению к поршню подшипники опираются на криволинейную поверхность торца выходного вала, а наружные подшипники расположены в прямолинейных направляющих канавках, выполненных в цилиндрической вставке корпуса двигателя. Второй конец пружины закреплен на вышеуказанной оси. 4 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в качестве источника механической энергии в машинах и механизмах наземного, водного и воздушного транспорта, а также в мобильных и стационарных энергетических установках различного назначения.

Известны следующие конструкции бесшатунных двигателей внутреннего сгорания.

Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания (варианты) согласно патенту РФ №2196237 С1 МПК 6 F 02 В 75/32 12.10.2001 г. содержит поршни, цилиндр с пазами на его цилиндрической поверхности, передаточным механизмом с роликами, камеру сгорания, форсунку, механизм газораспределения и выходной вал. Согласно изобретению каждый поршень снабжен подвижным соединением, включающим вал с площадками, ходовые ролики, опирающиеся с двух сторон на указанные площадки и установленные на траверсе, на противоположных концах которой расположены ролики преобразующего механизма. При этом конфигурация п продольного профиля паза цилиндра представляет собой замкнутую, многопериодную несимметричную в направлении перпендикулярном к развертке с несколькими экстремумами объемную канавку.

Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания с вращающимися поршнями согласно патенту РФ 2057948 МПК 6 F 01 В 9/06, 1983 г. содержит корпус, гильзу цилиндра с криволинейным замкнутым пазом, выполненным в ее нижней (по отношению к камере сжатия и сгорания) части, поршни, механизмы преобразования, которые представляют собой ролики, установленные на пальцах, находящихся в поршнях, и штоки, закрепленные на поршнях и связанные с шестернями выходного вала посредством роликов, находящихся в прямолинейных пазах ступиц шестерен.

Основными недостатками двигателя являются следующие:

- повышенное содержание вредных веществ в выпускных газах двигателя и, как следствие, относительно высокая токсичность отработавших газов, а также значительный уровень шума, излучаемого двигателем в окружающую среду, обуславливаемыми недостаточной степенью расширения рабочего тела;

- относительно высокие температуры выпускных газов, что ведет к перегреву деталей такого ДВС.

Наиболее близкой к предлагаемому двигателю является конструкция бескривошипного двигателя внутреннего сгорания, согласно патенту РФ №2156871, бюл. №27 от 27.09.2000 г., который содержит цилиндр, гильзу и поршень, связанный с цилиндром при помощи тел вращения, входящих в сочетание с криволинейным бесконечным пазом, выполненным на наружной поверхности поршня. На выходном валу установлена пружина, имеющая предварительное сжатие. Один конец пружины опирается на буртик выходного вала, а другой на нижний торец юбки поршня.

Такая конструкция способствует частичной разгрузке стенок канавки от чрезмерных механических напряжений в период сгорания.

Основными недостатками такого двигателя являются следующие:

- установленная в двигателе пружина лишь частично снижает значения конструктивных напряжений;

- на режимах частичных нагрузок ввиду установки пружины, отрегулированной под номинальный режим, происходит сбой в работе. Это объясняется тем, что для каждого режима нагрузки требуется установка пружины соответствующей жесткости;

- ухудшение, вследствие вышеназванной причины, пусковых качеств двигателя;

- ненадежная работа передаточного механизма в условиях высокой теплонапряженности.

В основу предлагаемого изобретения положено решение технической задачи, заключающейся в уменьшении контактных напряжений за счет исключения сопряжения "тело вращения - криволинейный паз", а также в повышении надежности работы двигателя на режимах малых и частичных нагрузок и надежности пуска.

Решение технической задачи достигается тем, что в бескривошипном двигателе внутреннего сгорания, содержащем цилиндр, гильзу, поршень, ступенчатый выходной вал, одна из ступеней которого соединена с поршнем посредством оси, пружину, одним из концов опирающуюся на выходной вал, согласно изобретению ступень выходного вала, соединенная с поршнем, выполнена в виде стакана, стенки которого охватывают поршень и в которых выполнен сквозной радиальный канал, сообщающийся с впускной полостью двигателя, и торец которого выполнен в виде криволинейной поверхности, при этом на противоположных концах оси, соединяющей поршень с выходным валом, установлены по два подшипника качения, внутренние по отношению к поршню подшипники опираются на криволинейную поверхность торца выходного вала, а наружные подшипники расположены в прямолинейных направляющих канавках, выполненных в цилиндрической вставке корпуса двигателя, а второй конец пружины закреплен на вышеуказанной оси.

Представленная конструктивная схема бескривошипного двигателя внутреннего сгорания обеспечивает следующие технические преимущества:

- созданы условия, исключающие трущиеся поверхности передаточного механизма, что приводит к уменьшению нагрузок в работе двигателя;

- выполнение выходного вала указанной конструктивной формы, позволяет использовать подшипники качения различной конструкции, способные воспринимать ударные радиальные нагрузки и, как следствие, уменьшать значения контактных напряжений.

Особенность двигателя состоит в том, что выполнение одной из ступеней выходного вала в виде стакана, стенки которого охватывают поршень и соединен с ним посредством оси, на противоположных концах которой установлены подшипники качения, позволяют уменьшить контактные напряжения в сопрягаемых деталях и обеспечить плавность и безударность в работе двигателя.

Закрепление второго конца пружины растяжения на оси, соединяющей поршень с выходным валом, обеспечивает постоянный контакт элементов передаточного механизма.

Предлагаемая конструкция передаточного механизма отдалена от камеры сгорания, а значит, работает в более благоприятных температурных условиях.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 дан продольный разрез бескривошипного двигателя внутреннего сгорания; на фиг.2 представлена схема конструкции выходного вал; на фиг.3 - схема конструкции цилиндрической вставки; на фиг.4 - развертка криволинейного профиля торца выходного вала.

Бескривошипный двигатель внутреннего сгорания содержит поршень 1, размещенный в гильзе 2 цилиндра 3, ступенчатый выходной вал 4, причем одна из ступеней вала, соединенная с поршнем, выполнена в виде стакана, стенки которого охватывают поршень и в котором выполнен сквозной радиальный канал 5, выполняющий функцию газораспределения, а торцевая поверхность вала имеет криволинейный профиль А. На противоположных концах оси 6, запрессованной в поршне и соединяющей его с выходным валом, установлены по два подшипника качения, причем внутренние по отношению к поршню подшипники 7 опираются на криволинейную поверхность торца выходного вала, а наружные подшипники 8 расположены в прямолинейных направляющих канавках, выполненных в цилиндрической вставке 9, закрепленной в корпусе 10. Пружина 11, одним концом закрепленная в выходном валу, другим концом закреплена на оси. В совокупности подшипники качения и криволинейный профиль торца выходного вала представляют собой передаточный механизм. Поршень при положении в верхней мертвой точке (ВМТ) в совокупности с цилиндром и головкой 12 с установленной свечой зажигания 13 образуют камеру сгорания 14. Выходной вал установлен в корпусе двигателя на трех подшипниках 15, 16, 17, а на свободном конце его закреплен маховик 18.

Принцип действия бескривошипного двигателя внутреннего сгорания заключается в следующем. В процессе сгорания и расширения газы (рабочее тело), находящиеся в цилиндре, побуждают поршень 1 к перемещению из ВМТ к НМТ. При этом нагрузка воспринимается передаточным механизмом, включающим криволинейный профиль А торца выходного вала 4 и подшипником 7 качения. Пружина 11 при работе двигателя остается неподвижной, обеспечивая постоянный контакт в передаточном механизме. Выходной вал в продольном направлении остается неподвижным, а поршень имеет возможность движения вдоль вала. Перемещение поршня от НМТ к ВМТ обеспечивается за счет энергии, накопленной маховыми массами.

Бескривошипный двигатель внутреннего сгорания для преобразования энергии рабочего тела в механическую работу может быть использован в качестве ДВС для транспортных машин и других мобильных и стационарных потребителей, а также насоса или компрессора для создания избыточного давления рабочего тела и транспортировки (перекачки) газов, жидкостей, смесей, взвесей, суспензий и других агентов в различных отраслях промышленности и хозяйства и детандера - устройства для редукции давления рабочего тела и производства механической работы.

Бескривошипный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр, гильзу, поршень, ступенчатый выходной вал, одна из ступеней которого соединена с поршнем посредством оси, пружину, одним из концов опирающуюся на выходной вал, отличающийся тем, что ступень выходного вала, соединенная с поршнем, выполнена в виде стакана, стенки которого охватывают поршень и в которых выполнен сквозной радиальный канал, сообщающийся с впускной полостью двигателя и торец которого выполнен в виде криволинейной поверхности, при этом на противоположных концах оси, соединяющей поршень с валом, установлены по два подшипника качения, внутренние по отношению к поршню подшипники опираются на криволинейную поверхность торца выходного вала, а наружные подшипники расположены в прямолинейных направляющих канавках, выполненных в цилиндрической вставке корпуса двигателя, а второй конец пружины закреплен на вышеуказанной оси.

www.findpatent.ru

ЧЕТЫРЁХТАКТНЫЙ БЕСКРИВОШИПНЫЙ ПОРШНЕВОЙ ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С ОППОЗИТНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ЦИЛИНДРОВ

Изобретение относится к области машиностроения, в частности двигателестроению и компрессоростроению, и может быть использовано в качестве двигателя внутреннего сгорания или поршневого компрессора.

Известны конструкции бескривошипных поршневых тепловых двигателей, например бескривошипный двигатель внутреннего сгорания (RU №2264546, F02B 75/26, F01B 3/04, заявл. 08.04.2004, опубл. 20.11.2005). Двигатель содержит цилиндр, гильзу, поршень, ступенчатый выходной вал, одна из ступеней которого соединена с поршнем посредством оси. На выходной вал опирается одним из своих концов пружина. Ступень выходного вала, соединенная с поршнем, выполнена в виде стакана, стенки которого охватывают поршень.

В стенках стакана выполнен сквозной радиальный канал, сообщающийся с впускной полостью двигателя. Торец стакана выполнен в виде криволинейной поверхности. На противоположных концах оси (цапфах), соединяющей поршень с валом, установлены по два подшипника качения. Внутренние по отношению к поршню подшипники опираются на криволинейную поверхность выходного вала, а наружные расположены в прямолинейных канавках корпуса. Второй конец пружины закреплен на оси подшипников.

К недостаткам такой конструкции относятся сравнительно большие габариты двигателя, обусловленные значительной высотой и усложненной конструкцией поршня. Отсюда - увеличенная масса поршня и двигателя в целом. Кроме того, двигатель работает по двухтактному циклу, что также, из-за недостатков процессов газообмена (поперечно-щелевая система продувки цилиндра), снижает его экономические показатели.

Наиболее близким решением к заявляемому является конструкция поршневого двигателя для преобразования энергии рабочего тела в механическую работу (патент RU №2227209, C17F01B 3/04, F02B 75/32, опубл. 20.04.2004). Двигатель содержит поршни, цилиндры с пазами на его цилиндрической поверхности, передаточный механизм с роликами, камеру сжатия и сгорания, механизм газораспределения, выходной вал. Поршни связаны с валом подвижным соединением, состоящим из зубчатых реек и зубчатых роликов, что позволяет поршням двигаться вдоль оси вала и передавать при этом крутящий момент. Поршни кинематически связаны с цилиндрами при помощи пары роликов и криволинейного паза, который сообщает поршню вращательное движение.

Основными недостатками такого двигателя являются:

- сложная конструкция поршня из-за выполненной на его внутренней поверхности зубчатой рейки;

- наличие зубчатых роликов, что приводит к увеличению массы двигателя и количества изнашивающихся частей, вследствие чего снижается его ресурс и увеличивается стоимость двигателя;

- повышенный шум и вибрация при работе двигателя из-за большого количества неизбежных технологических зазоров;

- наличие двух криволинейных поверхностей, выполненных на стенках цилиндров, для каждого поршня, что затрудняет изготовление и увеличивает стоимость двигателя.

Кроме того, такой двигатель имеет сложные по конструкции несимметричные поршни, что может стать причиной высоких тепловых деформаций.

В основу предлагаемого изобретения положена задача, заключающаяся в улучшении технических показателей поршневого теплового двигателя за счет уменьшения количества деталей, воспринимающих и передающих производимый двигателем крутящий момент, снижения их масс и габаритных размеров, а также использования оппозитной схемы расположения цилиндров при реализации четырехтактного цикла с использованием компактной (малогабаритной) схемы привода механизма газораспределения.

Решение технической задачи достигается тем, что в четырехтактном бескривошипном поршневом тепловом двигателе с оппозитным расположением цилиндров, содержащем два цилиндра, втулку с криволинейными торцевыми поверхностями, двухрожковые вильчатые штоки с цапфами на концах рожков; оси штоков с установленными на концах осей роликами, цапфы осей с роликами, поршни, валы привода механизма газораспределения и отбора мощности, функцию передачи крутящего момента выполняет втулка с криволинейными торцами и зубчатым венцом, а также тем, что поршни, установленные в оппозитно расположенных цилиндрах, посредством вильчатых двухрожковых штоков одновременно взаимодействуют с криволинейными торцевыми поверхностями (беговыми дорожками) втулки. Причем с каждой из криволинейных торцевых поверхностей втулки одновременно (со сдвигом по фазе, равным π/2) контактируют ролики, установленные на концах оси одного из двухрожковых вильчатых штоков, жестко связанного с соответствующим поршнем, и ролики, установленные на цапфах рожков другого двухрожкового вильчатого штока, связанного с поршнем, установленным в оппозитно расположенном цилиндре. Возвратно-поступательное движение поршней обеспечивается тем, что ролики, установленные на цапфах осей, расположенных у каждого из корней двухрожковых штоков, перемещаются в расположенных вертикально пазах, выполненных на внутренних поверхностях гильз цилиндров.

Предлагаемый четырехтактный бескривошипный поршневой тепловой двигатель с оппозитным расположением цилиндров обеспечивает следующие преимущества:

- компактность при существенно меньших массе и габаритах;

- более высокая экономичность за счет реализации четырехтактного цикла;

- меньшая шумность работы;

- простота изготовления и высокая удельная мощность.

Особенность четырехтактного бескривошипного поршневого теплового двигателя с оппозитным расположением цилиндров в том, что каждый из поршней жестко связан с соответствующим двухрожковым вильчатым штоком, каждый из штоков взаимодействует с криволинейными торцевыми поверхностями втулки механизма преобразования движения посредством роликов, установленных на концах осей штоков и цапфах, воспринимающих осевые усилия от давления газов в камере сгорания и сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс.

Другая важная особенность четырехтактного бескривошипного поршневого теплового двигателя с оппозитным расположением цилиндров в том, что оба двухрожковых вильчатых штока находятся внутри втулки механизма преобразования движения, и каждая криволинейная торцевая поверхность втулки выполняет функции беговой дорожки для роликов, установленных соответственно у корня и вершин рожков вильчатых штоков, что обеспечивает неразрывность контакта в сопряжениях «ролик - беговая дорожка втулки».

Конструкция предлагаемого технического решения поясняется фиг. 1-4. На фиг. 1 приведен продольный разрез четырехтактного бескривошипного поршневого теплового двигателя с оппозитным расположением цилиндров; на фиг. 2 представлена конструктивная схема двухрожковых вильчатых штоков механизма преобразования движения; на фиг. 3 приведен разрез втулки механизма преобразования движения с криволинейными торцевыми поверхностями; на фиг. 4 приведена схема развертки боковой поверхности втулки механизма преобразования движения с обозначением участков поверхностей беговых дорожек на торцевых поверхностях втулки, соответствующих различным фазам протекания рабочего цикла в камерах сгорания оппозитно расположенных цилиндров двигателя.

Четырехтактный бескривошипный поршневой тепловой двигатель с оппозитным расположением цилиндров содержит свечи зажигания 1, головки 2 цилиндров, оппозитно расположенные цилиндры 3 и 4 с ребрами охлаждения 6 и установленными в них (в цилиндрах) осесимметричными поршнями 5. Поршни соединены посредством двухрожковых вильчатых штоков 7, имеющих оси 10 и цапфы 14, с криволинейными торцами втулки 12, которая установлена в осевых подшипниках, образуемых втулками 11, запрессованными в гнезда, выполненные на нижних частях цилиндров 3 и 4. Втулка 12 с эквидистантно расположенными криволинейными торцевыми поверхностями на своей наружной поверхности имеет зубчатый венец, который передает вращение на шестерню вала 16 отбора мощности и вала привода газораспределительного механизма 15. В каждом двухрожковом вильчатом штоке у корня рожков установлена ось 10, на цапфах (концах) которой установлены ролики 8 и 9. Причем ролики 8 сочленены с верхней (обращенной в сторону соответствующего поршня) криволинейной торцевой поверхностью беговой дорожки втулки 12, а ролики 9 расположены в вертикальных пазах, выполненных на внутренней поверхности цилиндров 3 и 4. Ролики 13, установленные на цапфах 14, расположенных у вершин каждого из рожков двухрожковых вильчатых штоков 7, сочленены с нижней (удаленной от соответствующего поршня) криволинейной торцевой поверхностью втулки 12. Благодаря этому обеспечивается безотрывный контакт роликов 8 и 13 с соответствующими беговыми поверхностями втулки 12 при вращательном движении. В совокупности названное позволяет обеспечить в период работы двигателя возвратно-поступательное движение штоков 7 и поршней 5.

Принцип действия четырехтактного бескривошипного поршневого теплового двигателя с оппозитным расположением цилиндров заключается в следующем: после воспламенения горючей смеси в камере сгорания свечой зажигания 1 давление расширяющегося рабочего тела воздействует на поверхность поршня 5, который жестко соединен с двухрожковым вильчатым штоком 7 и обуславливает его перемещение от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ). Шток воздействует на ось 10 и на установленные на ее концах ролики 8, выполненные в виде втулок, которые своей внутренней стороной скользят по оси 10, а внешней катятся по криволинейной торцевой поверхности втулки 12. При этом ролики 9, установленные на концах (цапфах) оси 10, перемещаются по вертикальным пазам, выполненным на внутренних поверхностях цилиндров 3 и 4. Благодаря этому поступательное движение поршней 5 и штоков 7 преобразуется во вращательное движение втулки 12, установленной в осевых подшипниках, образуемых втулками 11. Вращательное движение втулки 12 передается, благодаря выполненной на ее наружной поверхности шестерни, валу отбора мощности 16 и через вал 15 - приводу механизма газораспределения 17.

Вильчатые двухрожковые штоки 7 сочленены с криволинейными торцевыми поверхностями втулки 12 со сдвигом по фазе, равным π/2. По этой причине в период, когда в одном из оппозитно расположенных цилиндров совершается рабочий ход, в другом происходит выпуск отработавших газов. Иными словами, фазовая последовательность протекания рабочего цикла в оппозитно расположенных цилиндрах протекает со сдвигом по фазе π/2.

Таким образом, заявляемый четырехтактный бескривошипный поршневой тепловой двигатель с оппозитным расположением цилиндров позволяет обеспечить надежность работы, уменьшить габариты при повышении экономичности и удельных мощностных показателей.

Четырехтактный бескривошипный поршневой тепловой двигатель с оппозитным расположением цилиндров, содержащий головки цилиндров, цилиндры с расположенными в них осесимметричными поршнями, связанными с механизмом преобразования движения, отличающийся тем, что механизм преобразования движения выполнен в виде втулки, установленной в осевых подшипниках в гнездах цилиндров, торцы втулки имеют эквидистантно расположенные криволинейные поверхности, втулка посредством зубчатого венца, выполненного на ее наружной поверхности, связана с валом отбора мощности и приводом газораспределительного механизма, а посредством двухрожковых вильчатых штоков, имеющих по две цапфы, соответственно на концах осей штоков и у вершин каждого рожка, и контактирующих с верхней и нижней криволинейными торцевыми поверхностями втулки, кинематически связана с поршнями оппозитно расположенных цилиндров, при этом вильчатые двухрожковые штоки жестко связаны с поршнями и кинематически сочленены с криволинейными поверхностями втулки со сдвигом по фазе, равным π/2.

edrid.ru

Бескривошипный двигатель

 

Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно к поршневым двигателям внутреннего сгорания, которые принадлежат к классу тепловых двигателей, в которых тепловая энергия, выделяющая при сгорании топлива, преобразуется в механическую работу. На корпусе многопериодного пространственного силового механизма установлены призмовидные с угловидными в угол 90o пазами направляющие, в которых установлен ползун с возможностью возвратно-поступательного движения относительно корпуса. Газораспределительный механизм, приводящий в действие клапана, снабжен планетарным редуктором, у которого диск с профильными обоймами выполнен совмещенным в одно целое с водилом. Упрощается конструкция, повышается надежность, увеличивается эффективная мощность путем снижения механических потерь и удлинения хода поршня в радиальном направлении, снижается расход топлива на единицу мощности, увеличивается срок службы в целом и повышается кпд. 9 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области машиностроения, а более конкретно к поршневым двигателям внутреннего сгорания, которые принадлежат к распространенному и многочисленному классу тепловых двигателей, в которых тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, преобразуется в механическую полезную работу. В этих двигателях процессы сгорания топлива, выделение теплоты и преобразования ее в механическую работу происходят непосредственно внутри двигателя.

Известен двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом /СССР, авторское свидетельство 118471, кл. F 01 B 9/02, 1958 г./ /1/. Бесшатунный двигатель имеет звездообразное расположение цилиндров, а поршни попарно жестко связаны между собой штоками, сочлененными через подшипники со средними шейками коленчатого вала, имеющего вращение шеек, с перемещением поршневых систем и связанных их штоков по оси противоположных цилиндров. Рабочий вал у этого двигателя выполнен из двух частей с кривошипами, несущими подшипники для закрепления в них на радиусе одной четвертой хода поршня, крайних шеек, коленчатого вала, и снабжен соединительным валом, фиксирующим с помощью шестерни положение кривошипов обеих частей рабочего вала друг относительно друга. Недостатком этого двигателя является усложненная конструкция кривошипного бесшатунного механизма, который имеет дополнительный соединительный вал с шестернями для фиксации положения частей кривошипов относительно друг друга, а также и наличие коленчатого вала. Из патентной литературы известен двигатель внутреннего сгорания /патент США 4553503, кл. F 02 В 75/26, 1985 г./ /2/. Двигатель содержит блок цилиндров с аксиально расположенными цилиндрами, в которых установлены с возможностью возвратно-поступательного движения поршни, головку блока цилиндров, впускной и выпускной клапаны, механизм, преобразующий возвратно-поступательные движения поршней во вращательное движение вала двигателя, на торцевых поверхностях обода маховика этого механизма выполнены передний и задний профили, рабочие и вспомогательные ролики охватывают этих профили. Основными недостатками этих двигателей являются геометрическое и упругое скольжения с упругими деформациями в зонах контактов цилиндрических роликов с профилями. Окружная скорость на рабочей поверхности роликов постоянна по всей его ширине, так как ролик имеет цилиндрическую форму. Скорость различных точек у витков профиля изменяется пропорционально расстоянию этих точек от центра оси двигателя. На наружной поверхности кромки витков профиля скорость больше, чем на внутренней, при одинаковой угловой скорости, т.к. окружная скорость определяется выражением v=Ri, где - угловая скорость вала двигателя; Ri - радиус-вектор в данном сечении профиля. Эти скольжения роликов по виткам профиля являются причиной быстрого износа контактных поверхностей и снижения надежности, т.к. создают повышенные потери мощности на трение, а это влияет на уменьшение кпд двигателя. Консольное закрепление роликов относительно оси штока поршня. При консольном закреплении роликов максимальный изгибающий момент от действия сил в процессе расширения газов в цилиндре возникает в заделке и осуществляется прогиб конца оси ролика. От этого прогиба оси ролика поворачивается и ролик относительно профиля. Ввиду этого происходит непрерывный контакт ролика с профилем. В результате возникают упругие деформации, которые резко снижают надежность. Кроме того, прогиб увеличивает величину камеру сжатия в цилиндре, а вследствие этого изменяется и степень сжатия, а в результате существенно снижается мощность двигателя. У каждого ролика вращается наружное кольцо. При вращении наружного кольца происходит преждевременный износ и усталость материала, что ведет к снижению прочности и долговечности подшипника на 15-25%. Более опасным является случай, когда неподвижно внутреннее кольцо, при этом подшипник выходит из строя из-за местного износа внутреннего кольца вследствие высоких напряжений между внутренним кольцом и шариками в наружной части подшипника. Межцентровое расстояние у роликов не изменяется по величине. Однако у преобразующего вращения механизма профильные секции по величине различны, т. е. одна секция в два раза длиннее другой. При наличии различных длин изменяются и углы наклона этих секций, ввиду этого изменяются и расстояния при контакте роликов с профилем, т.е. образуется зазор между роликами и профилем, что недопустимо в подобных механизмах. Сила, действующая на поршень от расширения газов в цилиндре двигателя, раскладывается при контакте роликов с профилями, а полезная, создающая крутящий момент на валу двигателя, определяется произведением этих сил на тангенс угла наклона профильной секции. У этого двигателя угол наклона профильной секции равен 25o. Тангенс этого угла равен 0,4663. Следовательно, для создания полезного крутящего момента используется только 0,4663 силы от расширения газов в цилиндре двигателя, т.е. 46,63%. Известен бескривошипный двигатель внутреннего сгорания /патент Российской Федерации 2128774, кл. F 01 B 9/02, F 02 B 75/26, 1997 г./, который принят за прототип. Двигатель содержит блок цилиндров с аксиально расположенными цилиндрами, в которых установлены с возможностью возвратно-поступательного движения поршни, многопериодный пространственный силовой механизм, преобразующий возвратно-поступательные движения поршней во вращательное движение вала, на передней и задней торцевых поверхностях обода маховика многопериодного пространственного силового механизма выполнены правого и левого направлений тородуговинтовые профили с четным количеством полупериодов движения t, каждый полупериод правого направления последовательно сопряжен с полупериодом левого направления, полупериоды разделены эллиптическими и гиперболическими точками перегиба, каждая эллиптическая точка перегиба является верхней мертвой точкой хода поршня, а гиперболическая точка перегиба является нижней мертвой точкой хода поршня, передний тородуговинтовой профиль в радиальной плоскости образован дугой окружности радиусом R3 - передней радиальной кривизны, профиль выполнен наклонным на угол относительно радиальной плоскости, при этом, центр этого радиуса R3 расположен на наклонной линии, перпендикулярной к касательной переднего профиля, проходящей через точку, лежащую на линии образующей делительной окружности переднего профиля, а по развернутой делительной окружности цилиндра обода на плоскость образованы выпуклыми дугами окружностей радиусом R1 и вогнутыми дугами окружностей радиусом R2, которые плавно и касательно сопряжены с винтовыми линиями правого и левого направлений, задний тородуговинтовой профиль в радиальной плоскости образован дугой окружности радиусом R4 - задней радиальной кривизны, профиль выполнен наклонным на угол 1 относительно радиальной плоскости, при этом центр этого радиуса R4 расположен на наклонной линии, перпендикулярной к касательной заднего профиля, проходящей через точку, лежащую на линии образующей делительной окружности заднего профиля, а по развернутой делительной окружности цилиндра обода на плоскость образованы выпуклыми дугами окружностей радиусом R1в и вогнутыми дугами окружностей R2в, которые плавно и касательно сопряжены с винтовыми линиями правого и левого направлений, на наружных поверхностях у переднего рабочего и у заднего вспомогательного роликов выполнены желоба, рабочий и вспомогательный ролики установлены с возможностью взаимодействия их желобов с передним и задним тородуговинтовыми профилями обода маховика пространственного силового механизма, каждый ролик выполнен в виде двухрядного концентричного радиально-упорного шарикоподшипника с вращающимся внутренним кольцом, выполненным за одно целое с роликом. Недостатком этого двигателя является то, что подобно не раскрыто конструктивное исполнение газораспределительного механизма управления движения клапанов, а также и соединение поршня со штоком. Задача, решаемая изобретением, не порочит новизну технического решения изобретения патент 2128774, а дополняются новые технические решения, которые могут быть использованы предприятиями-изготовителями данных двигателей. Техническая задача, решаемая изобретением. Техническая задача, решаемая изобретением, - упрощение конструкции и повышение надежности двигателя, увеличение эффективной мощности путем снижения механических потерь, а также путем удлинения хода поршня в радиальном направлении, снижения расхода топлива на единицу мощности, увеличения срока службы двигателя в целом и повышения кпд двигателя. Техническая задача решена. На корпусе многопериодного пространственного силового механизма установлены призмовидные с угловидными в угол 90o пазами направляющие, на поверхностях угловидных пазов выполнены дорожки качения, ответные угловидные в угол 90o пазы с дорожками качения выполнены и на боковых поверхностях ползуна, между дорожками качения направляющих и ползуна размещены ряды шариков, установленных в сепараторах, шарики выполнены взаимодействующими с дорожками качения ползуна и направляющих, ползуны установлены с возможностью возвратно-поступательных движений относительно корпуса многопериодного пространственного силового механизма, каждый ползун соединен с вилковидной головкой штока, а на втором конце ползуна выполнен прилив, образующий собой проушину, в этой проушине установлен вспомогательный ролик, который выполнен по конструкции аналогичным рабочему ролику, рабочие ролики, установленные в проушинах вилковидных головок штоков, и вспомогательные ролики выполнены взаимодействующими их желобов с передним и задним тородуговинтовыми профилями многопериодного пространственного силового механизма, газораспределительный механизм, приводимый в действие, впускные и выпускные клапаны, размещенные в блоке цилиндров, снабжен планетарным редуктором, у которого диск выполнен совмещенным за одно целое с водилом редуктора, на этом диске концентрично установлены две - внешняя и внутренняя - кольцевые обоймы, на торцевых поверхностях которых выполнены торовидные кулачки, которые плавно и касательно сопряжены с общим торовидным профилем обойм, ролики клапанов установлены с возможностью взаимодействия их желобов с профилями обойм, кулачковый диск установлен соосно с центральным валом двигателя. При шаровом соединении поршня со штоком, в процессе работы двигателя, обеспечивается возможность осевого поворота поршня относительно цилиндра, ввиду этого обеспечивается равномерный износ зеркала цилиндра. А поэтому срок службы цилиндра больше по сравнению с поршнями, которые соединены при помощи пальца. Изобретение поясняется чертежами на фиг. 1 изображен бескривошипный двигатель, продольный разрез в двух взаимно перпендикулярных плоскостях; на фиг. 2 - то же, разрез по Е-Е на фиг.1; на фиг.3 - осевой разрез поршня; на фиг. 4 - частичный разрез вспомогательного ролика и ползуна в осевом направлении; на фиг.5 - разрез по И-И на фиг.4; на фиг.6 - сечение по Ж-Ж на фиг.2; на фиг.7 - осевой разрез подшипника привода клапана; на фиг.8 - один период тородуговинтового профиля, развертка по делительной окружности. на фиг.9 - сечение тородуговинтового профиля по точкам перегиба. Бескривошипный двигатель содержит блок цилиндров 1, к торцам которого соосно присоединены слева корпус 2 многопериодного пространственного силового механизма, а справа головка блока цилиндров 3. В аксиальных и диаметрально противоположных одно другому отверстиях блока 1 установлены цилиндры 4, в которых размещены с возможностью возвратно-поступательного движения поршни 5. Поршни 5 соосно соединены со штоком 6 шаровыми соединениями. Каждый шток 6 снабжен шаровой головкой 7, которая установлена на конце и выполнена в виде шарового пояса и установлена соосно со штоком и зафиксирована от осевого перемещения коническим резьбовым вкладышем 8, а вкладыш застопорен стопором 9. Шаровую головку 7 охватывают своими сферическими отверстиями вкладыши 10 и 11, установленные в осевом ступенчатом отверстии поршня 5, одна ступень отверстия коническая, а вторая цилиндрическая. Вкладыши закреплены от осевого перемещения двумя гайками 12, шайбой 13 и стопорным кольцом 14. На втором конце у каждого штока 6 выполнена совмещенная за одно целое со штоком вилковидная головка 15. В проушине этой головки установлен рабочий ролик 16. На наружных поверхностях этих роликов выполнены желоба 17, при этом профиль желобов выполнен с наклоном на угол относительно оси вращения ролика, а центр радиуса R4 расположен на наклонной линии, перпендикулярной к касательной желоба. На торцевых поверхностях роликов 16 выполнены концентричные кольцевые углубления. На внутренних переходных поверхностях этих углублений выполнены дорожки качения 18 и 19, а в целом представляют собой внутренние кольца двухрядных концентричных радиально-упорных шарикоподшипников. В этих углублениях размещены ряды шариков 20 и 21, которые установлены в гнездах сепараторов 22 и 23. Верхние ряды шариков охвачены верхней обоймой 24, а нижние ряды шариков охвачены нижней обоймой 25. На внутренних поверхностях обойм 24 и 25 выполнены ответные дорожки качения 26 и 27. Шарики 20 и 21 установлены с возможностью взаимодействия с дорожками качения 18, 19 и 26, 27. При такой компоновке каждый ролик 16 представляет собой двухрядный концентричный радиально-упорный шарикоподшипник с вращением внутреннего кольца, выполненного совмещенным за одно целое с роликом. Верхняя 24 и нижняя 25 обоймы сцентрированы в отверстиях полок вилковидной головки 15 штока. Верхняя 24 и нижняя 25 обоймы закреплены от осевого перемещения двумя - верхней 28 и нижней 29 - гильзами, которые соединены между собой резьбовым соединением. Верхняя 28 и нижняя 29 гильзы зафиксированы от осевого перемещения центральным проходящим через их отверстия стержнем 30. Головка центрального стержня 30 установлена в пазу нижней гильзы 29, а верхняя гильза 28 соединена со стержнем шлицевым соединением, выполненным в отверстии верхней гильзы 28 и на стержне 30. Центральный стержень 30 закреплен от осевого перемещения гайкой 31 со стопорной шайбой 32. Каждая вилковидная головка 15 соединена с соответствующим ползуном 33 на расстояние Н между осями рабочего 16 и вспомогательного 34 роликов. На ползуне 33 выполнен прилив 35, образующий собой проушину. В этой проушине установлен вспомогательный ролик 34, который по конструктивному исполнению аналогичен рабочему ролику 16. На наружной поверхности у вспомогательного ролика выполнен желоб, а профиль желоба выполнен с наклоном на угол относительно оси вращения ролика, а центр радиуса R4 расположен на наклонной линии, перпендикулярной к касательной желоба. На торцевых поверхностях ролика 34 выполнены концентричные кольцевые проточки, а их внутренние поверхности являются дорожками качения 36 и 37. В проточках размещены ряды шариков 38 и 39, установленные в сепараторах 40 и 41. Ряды шариков 38 охвачены верхней обоймой 42, на внутренней поверхности которой выполнены ответные дорожки качения 43. Ряды шариков 39 охвачены нижней обоймой 44, на внутренней поверхности которой выполнены ответные дорожки качения 45. Ряды шариков 38 взаимодействуют с дорожками качения 36 и 43, а ряды шариков 39 взаимодействуют с дорожками качения 37 и 45. Верхняя обойма 42 сцентрирована в отверстие ползуна 33, а нижняя обойма 44 сцентрирована в отверстие прилива 35. Верхняя 42 и нижняя 44 обоймы закреплены от осевого перемещения верхней 46 и нижней 47 гильзами, которые соединены между собой резьбовым соединением. Верхняя 46 и нижняя 47 гильзы закреплены от осевого перемещения центральным проходящим через их отверстия стержнем 48. Головка стержня установлена в пазу нижней гильзы 47, а верхняя гильза 46 соединена со стержнем 48 шлицевым соединением, выполненным в отверстие верхней гильзы и на стержне. Центральный стержень 48 в свою очередь закреплен от осевого перемещения гайкой 49 с шайбой 50. По образующим центральных стержней 30 и 48, а также и по образующим гильз 28, 29 и 46, 47, выполнены маслоструйные отверстия 51. Рабочие 16 и вспомогательные 34 ролики установлены с возможностью взаимодействия их желобов с передним и задним тородуговинтовыми профилями обода маховика многопериодного пространственного силового механизма. По правой и левой сторонам ползуна 33 выполнены угловидные в угол 90o осевого направления пазы, а на поверхностях этих пазов выполнены дорожки качения 52. По правой и левой сторонам ползуна 33 установлены на корпусе механизма 2 призмовидные с угловидными в угол 90o пазами направляющие 53, а поверхности этих пазов являются ответными дорожками качения 54. Между дорожками качения 52 и 54 размещены ряды шариков 55, установленные в гнездах сепараторов 56. Шарики 55 установлены с возможностью взаимодействия с дорожками качения 52 и 54. Таким образом, ползуны установлены с возможностью возвратно-поступательных движений в направляющих качения относительно корпуса 2. Основной рабочей деталью в многопериодном пространственном силовом механизме, преобразующем возвратно-поступательные движения поршней во вращательное движение центрального вала 57 двигателя является маховик 58. Маховик с ободом 59 установлен на валу 57 и соединен при помощи зубчатого соединения /конструктивное исполнение этого соединения изложено в описании изобретения, авторское свидетельство 1209955, F 16 D 1/06, 1982 г./. Вал 57 двигателя установлен на трех подшипниковых опорах, передней 60, промежуточной 61 и задней 62. Передняя 60 установлена во фланце 63, а промежуточная и задняя - в корпусе 2 механизма. Соосно передней подшипниковой опоре 60 установлен планетарный понижающий обороты редуктор 64. Кулачковый газораспределительный механизм управления движениями впускных 65 и выпускных 66 клапанов кинематически связан с планетарным редуктором 64. Кулачковый диск 67, совмещенный за одно целое с водилом планетарного редуктора, установлен соосно с центральным валом 57 на подшипнике качения 68, выполненным с промежуточным вращающимся кольцом 69. На кулачковом диске 67 концентрично установлены две - внешняя 70 и внутренняя 71 - обоймы. На торцевых поверхностях этих обойм выполнены торовидные кулачки, которые плавно и касательно сопряжены с общим торовидным профилем. Профиль у каждой обоймы выполнен наклонным на угол к относительно оси клапана, а центр радиуса радиальной кривизны расположен на наклонной линии, перпендикулярной к касательной профиля /на чертеже не показаны/. Кулачки внешней обоймы 70 приводят в действие выпускные клапаны 66 при взаимодействии роликов 72. Кулачки внутренней обоймы 71 приводят в действие клапаны 65 при взаимодействии роликов 73. Блок цилиндров 1 и корпус механизма 2 закреплены анкерными связями 74. На передней торцевой поверхности обода маховика тородуговинтовые профили в радиальной плоскости образованы дугами окружностей радиусом R3, а по задней торцевой поверхности образованы дугами окружностей радиусом R4. По развернутой делительной окружности цилиндра обода на плоскость передний профиль имеет выпуклую кривизну радиуса 1 и вогнутую кривизну радиуса R2, которые плавно и касательно сопряжены с наклонной на угол винтовой линии, а задний профиль имеет выпуклую кривизну радиуса R1в и вогнутую кривизну R2в, которые плавно и касательно сопряжены с наклонной на угол винтовой линии. Теоретический профиль по развернутой делительной окружности /или эквидистантный профиль/ образованы в виде выпуклых и вогнутых дуг окружностей радиуса R, а эти окружности плавно сопряжены с винтовыми линиями правого и левого направлений. На фиг.8 обозначения dp - диаметр рабочего ролика, dpв - диаметр вспомогательного ролика. Обоснование параметров и работа бескривошипного двигателя. Двигатель характеризуется рядом основных параметров, которые могут быть объединены в три основных группы: конструктивные, термодинамические, эксплуатационные. Конструктивные параметры характеризуют использование рабочего объема, тепловую и динамическую нагрузку деталей двигателя. К эксплуатационным параметрам относятся экономичность, надежность и технологичность обслуживания. Под экономичностью двигателя понимают расход топлива на единицу мощности или удельный расход топлива показывает, сколько расходуется топлива на создание мощности в одну лошадиную силу в час. Основным конструктивным параметром данного двигателя является то, что он выполнен с многопериодным пространственным силовым механизмом, преобразующим возвратно-поступательные движения поршней во вращательное движение центрального вала двигателя и передающего усилия от поршней к валу, создавая полезный крутящий момент. Рабочий цикл в бескривошипном двигателе осуществляется в прямой зависимости от количества полупериодов, а количество полупериодов равно количеству цилиндров. В осевом направлении каждый полупериод по величине равен осевому ходу поршня S. Средняя скорость поршня Сm, которая характеризует быстроходность двигателя, определена по отношению где S - ход поршня в осевом направлении; n - частота вращения вала двигателя; Z - количество полупериодов. Основной характеристикой каждого двигателя является мощность, приходящаяся на один литр рабочего объема цилиндра. Мощность бескривошипного двигателя определена по аналогичной методике, как и у двигателей внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом. Однако соотношение определения мощности имеет отличие, в которое введен коэффициент мощности К, который учитывает действия сил от расширения газов в цилиндре по удлиненному пути. Ход поршня в осевом направлении равен расчетной величине S, а в радиальном направлении эта расчетная величина осевого хода поршня в преобразующем механизме увеличивается, а ее величина определена по соотношению где Dg - диаметр по делительной окружности профиля; Z - количество полупериодов профиля. Тангенциальная сила, создающая крутящий момент на валу двигателя, действует по удлиненному пути, а величина этого пути равна Sp. Коэффициент мощности К определен отношением К=Sp/S, где S - ход поршня в осевом направлении; Sp - величина хода поршня в радиальном направлении. Величина коэффициента К, в зависимости от количества полупериодов у многопериодного пространственного силового механизма, изменяется в пределах от 1,50 до 1,85. Чем больше количество полупериодов, тем больше и величина коэффициента К. На основании произведенного химико-термодинамического расчета рабочего процесса бескривошипного двигателя внутреннего сгорания определены характеристические параметры, которые необходимы для оценки двигателя и приведены в таблице. Из приведенных расчетных данных видно, что бескривошипный двигатель по мощности в 1,57 раза мощнее совершенно нового двигателя модели УМЗ-249-10 завода Волжские моторы, г. Ульяновск, а расход топлива 118 грамм на лошадиную силу в час. Наибольшей потерей мощности в двигателях с кривошипно-шатунным механизмом являются потери на преодоление сопротивления трения, особенно поршневых колец и поршней о стенки цилиндров, ввиду наличия боковых /нормальных"/ сил, передающих поршням и на стенки цилиндров. У бескривошипных двигателей эта боковая/нормальная/ сила равна нулю. Следовательно, потери на трение поршней о стенки цилиндров значительно снижены. Общие механические потери мощности на трение у бескривошипных двигателей также снижены при наличии всех кинематических пар работающих на подшипниках качения. Мощность бескривошипного четырехтактного двигателя с четырехполупериодным тородуговинтоым профилем определена по соотношению где Ре - среднее эффективное давление, кгс/см2; F - площадь поршня, см2; n - частота вращения вала двигателя, об/мин; i - число цилиндров; S - осевой ход поршня, м; К - коэффициент мощности. Газораспределительный механизм содержит впускные и выпускные клапаны, гидравлические штоки /толкатели/, при наличии которых автоматически устраняются зазоры между клапанами и их седлами, что снижает шум при работе двигателя. У каждого штока на нижнем конце выполнена вилка, в проушине которой установлен ролик 72 или 73 в зависимости от приводимого в действие впускного или выпускного клапана. Ролики 72 и 73 установлены с возможностью взаимодействия их желобов с торовидными профилями и кулачками внешней 70 и внутренней 71 обойм. Одноступенчатый планетарный редуктор 64 установлен соосно с валом двигателя 57 и приводится в действие при взаимодействии шестерни, выполненной на валу 57. Одноступенчатый планетарный редуктор выполнен понижающим обороты относительно оборотов вала 57, а передаточное число равно четырем. Количество кулачков на внешней и внутренней обоймах одинаково и определено в зависимости от количества полупериодов у тородуговинтового профиля. Например, при четырехполупериодном профиле по одному кулачку на обойме, а при восьмиполупериодном профиле - по два кулачка на обойме, расположенных диаметрально противоположно. Одноступенчатые планетарные редукторы имеют высокий кпд до 99%, а главное, имеют меньшие габариты /см. В. А. Дмитриев, "Детали машин", изд. "Судостроение", Л., 1970 г., с.459, рис.179а/. Для улучшения экономичности бескривошипного двигателя рабочий цикл может осуществляться с еще большим продолжительным расширением, т.е. с применением цикла удлиненного расширения, суть которого заключается в следующем. Номинальную степень сжатия увеличиваем на 1...3 единицы, а чтобы двигатель не детонировал, увеличиваем угол запаздывания закрытия впускного клапана 65. При этом часть заряда выталкивается из цилиндра в начале такта сжатия, в результате чего начало процесса сжатия задерживается, т.е. уменьшается фактическая степень сжатия. Степень же расширения, от которой главным образом зависит экономичность, остается равной номинальной степени сжатия, т.е. большей по сравнению с фактической степенью сжатия. Чтобы компенсировать уменьшение заряда цилиндра, приходится соответственно увеличивать осевой ход поршня. В бескривошипных двигателях увеличение хода поршня незначительно влияет на габариты. Применение цикла удлиненного расширения как средство повышения экономичности у бескривошипных двигателей является целесообразным, т.к. снижается удельный расход топлива на 10-12% по сравнению с работой по обычному циклу. При наличии многопериодного пространственного силового механизма осуществляется прямолинейное движение поршней, а также создается возможность приблизить цилиндры к корпусу механизма. Благодаря чему создается простота и компактность конструкции и уменьшаются габариты двигателя, а трудоемкость изготовления на 20-25% ниже по отношению к современным двигателям. Многопериодный пространственный силовой механизм является одним из основных и перспективных способов получения малогабаритных легких бескривошипных двигателей с высокой степенью форсирования по быстроходности. Бескривошипная схема двигателя позволяет получить значительно большие мощности при неизменной частоте вращения центрального вала, а также и при неизменном диаметре цилиндра нижеследующими способами: повышением степени сжатия путем увеличения осевого хода поршня, увеличения количества полупериодов, а также и цилиндров. Все вышеизложенные достоинства открывают широкие перспективы применения бескривошипных двигателей внутреннего сгорания на автомобилях, тракторах, судах в качестве привода генераторов, а также в других транспортных средствах и областях техники, т.е. там, где первостепенное значение имеют малая масса двигателя и минимальная вибрация, а также и сравнительно небольшая стоимость, а при уменьшенном расходе топлива на единицу мощности уменьшается токсичность выхлопа.

Формула изобретения

Бескривошипный двигатель, содержащий блок цилиндров с аксиально расположенными цилиндрами, в которых установлены с возможностью возвратно-поступательного движения поршни, газораспределительный механизм с кулачковым диском, приводящий в действие клапаны, многопериодный пространственный силовой механизм, преобразующий возвратно-поступательные движения поршней во вращательное движение вала, на передней и задней торцовых поверхностях обода маховика многопериодного пространственного силового механизма выполнены правого и левого направлений тородуговинтовые профили с четным количеством полупериодов t, каждый полупериод правого направления последовательно сопряжен с полупериодом левого направления, полупериоды разделены эллиптическими и гиперболическими точками перегиба, каждая эллиптическая точка перегиба является верхней мертвой точкой осевого хода поршня, а гиперболическая точка перегиба является нижней мертвой точкой осевого хода поршня, передний и задний тородуговинтовые профили в радиальной плоскости образованы дугой окружности радиусом R3, профили выполнены наклонными на угол относительно радиальной плоскости, при этом центр радиуса R3 расположен на наклонной линии, перпендикулярной касательной, проходящей через точку, лежащую на линии образующей делительной окружности профиля, а по развернутой делительной окружности цилиндра обода на плоскость, образованы выпуклыми дугами окружностей радиусом R1 и вогнутыми дугами окружностей радиусом R2, которые плавно и касательно сопряжены с винтовыми линиями правого и левого направлений, расстояние от эллиптической точки перегиба до гиперболической точки перегиба в осевом направлении равно осевому ходу поршня S, на наружных поверхностях роликов выполнены желоба, ролики установлены с возможностью взаимодействия их желобов с передним и задним тородуговинтовыми профилями обода маховика многопериодного пространственного силового механизма, каждый ролик выполнен в виде двухрядного концентричного радиально-упорного шарикоподшипника с вращающимся внутренним кольцом, выполненным за одно целое с роликом, отличающийся тем, что на корпусе многопериодного пространственного силового механизма установлены призмовидные с угловидными в угол 90o пазами направляющие, на поверхностях угловидных пазов выполнены дорожки качения, ответные угловидные в угол 90o пазы с дорожками качения выполнены и на боковых поверхностях ползуна, между дорожками качения направляющих и ползуна размещены ряды шариков, установленных в сепараторах, шарики выполнены взаимодействующими с дорожками качения ползуна и направляющих, ползуны установлены с возможностью возвратно-поступательных движений относительно корпуса многопериодного пространственного силового механизма, каждый ползун соединен одним концом с вилковидной головкой штока, а на втором конце ползуна выполнен прилив, образующий собой проушину, в этой проушине установлен вспомогательный ролик, который выполнен по конструкции аналогичным рабочему ролику, рабочие ролики, установленные в проушинах вилковидных головок штоков, и вспомогательные ролики выполнены взаимодействующими их желобов с передним и задним тородуговинтовыми профилями многопериодного пространственного силового механизма, газораспределительный механизм, приводящий в действие впускные и выпускные клапана, размещенные в блоке цилиндров, снабжен планетарным редуктором, у которого диск выполнен совмещенным за одно целое с водилом редуктора, на этом диске концентрично установлены две внешняя и внутренняя кольцевые обоймы, на торцовых поверхностях которых выполнены торовидные кулачки, которые плавно и касательно сопряжены с общим торовидным профилем обойм, ролики клапанов установлены с возможностью взаимодействия их желобов с профилями обойм, кулачковый диск установлен соосно с центральным валом двигателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10

www.findpatent.ru