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.