Настоящее изобретение относится к конструкции двухтактного двигателя внутреннего сгорания, содержащего цилиндры, которые расположены кольцом вокруг общего среднего приводного вала, оси которых проходят параллельно приводному валу и каждый из которых содержит два поршня, установленных с возможностью перемещения навстречу друг другу и друг от друга, и общую промежуточную рабочую камеру для каждой пары поршней, при этом каждый поршень снабжен своим шатуном, который установлен с возможностью продольного перемещения и свободный внешний конец которого выполнен с опорой посредством опорного ролика на свое кулачковое направляющее устройство, имеющее криволинейную форму или точнее "синусоидальную" криволинейную форму, расположенное на каждом из противоположных концов цилиндра и управляющее перемещениями поршня по отношению к взаимодействующему с ним цилиндру.
Геометрия рассматриваемой конструкции двигателя
При перемещении приводного вала двигателя по круговой траектории колебательные перемещения поршней двигателя в виде функций времени могут быть в соответствии с указанной выше конструкцией двигателя представлены графически в виде синусоидальной кривой, описываемой формулой (1)
y= sinx (1)
Из патентного документа Германии DE N 4335515 известны двухтактные двигатели описанного выше типа, имеющие один цилиндр, снабженный двумя противоположными поршнями, обычными коленчатыми валами и обычными кривошипами коленчатого вала. Формула (1) также верна для каждого коленчатого вала такого двигателя. Для оптимизации сгорания в таком двигателе предложено взаимное смещение фаз перемещения двух противоположных поршней цилиндра.
Благодаря применению кулачкового направляющего устройства синусоидальной формы и соответственно благодаря применению обычных коленчатых валов управление возвратно-поступательными перемещениями отдельных поршней цилиндров фактически может осуществляться таким образом, что колебательные перемещения поршней синхронно при этом совпадают с вращательным движением приводного вала. По мере прохождения приводным валом своего полного оборота происходит возвратно-поступательное, с принудительным управлением перемещение поршней в ходе по меньшей мере одного рабочего цикла, точно синхронизированного с вращательным движением приводного вала. Иными словами, вращательное движение кулачкового направляющего устройства и приводного вала непосредственно связано с колебательным движением поршней, и наоборот.
Возвратно-поступательные перемещения поршней соответственно вызывают некоторое количество оборотов приводного вала на 360o. Иными словами за каждый полный оборот приводного вала на 360o каждый поршень совершает целое число возвратно-поступательных перемещений во взаимодействующем с ним цилиндре, а именно от одного до, к примеру, четырех.
Благодаря кулачковому направляющему устройству, управляющему колебательными перемещениями поршней во взаимодействующем с ними цилиндре и вращающемуся синхронно с приводным валом двигателя, управление колебательными перемещениями поршней может осуществляться путем выполнения кулачкового направляющего устройства с приданием его контуру синусоидальной формы, с тем чтобы они соответствовали вращательному перемещению приводного вала.
Принцип "синусоидальной поверхности"
Под термином "синусоидальный", применяемом в данном описании в составе таких выражений, как "принцип синусоидальной поверхности", "синусоидальная кривая", "синусоидальная поверхность" и т. д. , понимается криволинейный контур, который выражается не контуром математической функции синуса, описываемой приведенной выше формулой (1), а изменяющимся криволинейным контуром, который только в общих чертах напоминает график математической функции синуса. Под термином "синусоидальный контур" в данном описании в целом понимается контур, который подобен синусоиде, но отличается от нее.
Цель предложенного изобретения в отношении конструктивных деталей относится к выполнению кулачкового направляющего устройства со специфическим криволинейным контуром, отличающимся по некоторым параметрам от контура математической функции синуса.
В целом это также означает, что благодаря выполнению кулачкового направляющего устройства со специально выполненным "синусоидальным" контуром, отличающимся от обычной синусоиды, перемещения поршня могут быть соответствующим образом приспособлены к дополнительным функциям двигателя, относящимся к вращательному движению приводного вала и к ранее предложенным решениям.
Основной целью предложенного изобретения является создание такого кулачкового направляющего устройства, которое обуславливает возможность достижения оптимальных рабочих параметров поршней двигателя на основе простого и надежного в работе рабочего цикла.
Под термином "синусоидальная поверхность" в данном описании понимается локальная часть кулачкового направляющего устройства, имеющая "синусоидальный" контур. Фактически отдельное кулачковое направляющее устройство имеет контур замкнутой дуги, составляющей 360o и соответствующей нескольким "синусоидальным" поверхностям.
Двигатели внутреннего сгорания, в которых управление осевым перемещением каждого поршня осуществляется кулачковым направляющим устройством через соответствующие "синусоидальные" поверхности, работают в целом в соответствии с так называемым принципом "синусоидальной поверхности", известным на протяжении ряда лет.
Первоначально "синусоидальная" поверхность имела контур, в значительной степени напоминающий математическую синусоиду, а именно с взаимно симметричными и одинаково искривленными криволинейными частями.
Как описано в патентной литературе, были предложены криволинейные контуры, различным образом отклоняющиеся от математической синусоиды. Криволинейный контур кулачковых направляющих устройств в соответствии с настоящим изобретением также не совпадает с синусоидой.
В соответствии с принципом "синусоидальной поверхности" происходит передача механической энергии от одного поршня общему приводному валу цилиндра двигателя, а точнее через опорный ролик взаимодействующего с ним шатуна "синусоидальной" поверхности кулачкового направляющего устройства. "Синусоидальные" поверхности, отдельно управляющие колебательными перемещениями поршней, во время этих перемещений передают:
- часть получаемой в ходе расширения поршней кинетической энергии через "синусоидальные" поверхности приводному валу с обеспечением передачи вращательного движения приводному валу с сопутствующим крутящим моментом, и
- часть крутящих моментов от приводного вала через "синусоидальную" поверхность назад поршням с обеспечением передачи поршням необходимой кинетической энергии во время хода сжатия.
В двигателях внутреннего сгорания указанного во вступлении типа происходит возвратно-поступательное перемещение поршней во взаимодействующих с ними цилиндрах, осуществляемое почти исключительно прямолинейно вдоль оси приводного вала, при этом происходит соответствующее прямолинейное перемещение шатунов и взаимодействующим с ними опорных роликов, и в результате этого передача движущих сил в осевом направлении вдоль приводного вала от опорных роликов к взаимодействующей с ними "синусоидальной" поверхности.
Передача движущих сил от поршней через опорные ролики "синусоидальной" поверхности, выполненной в приводном соединении с приводным валом, и возврат сил, передаваемых в обратном направлении от приводного вала к поршням через "синусоидальную" поверхность, происходит на криволинейных участках, проходящих под некоторым углом к плоскости вращения приводного вала. Другими словами, передача движущих сил происходит между опорными роликами и "синусоидальной" поверхностью во время перемещения опорных роликов в осевом направлении вдоль приводного вала. В мертвых точках между прямым и обратным ходом поршня передача движущих сил отсутствует, несмотря на то, что в одной из них, а именно при окончании хода сжатия, после воспламенения впрыснутого топлива, между поршнями, идущими навстречу друг другу и отходящими друг от друга, возникают значительные движущие силы.
Целью настоящего изобретения в особенности является использование последнего обстоятельства в связи с таким выполнением кулачкового направляющего устройства, при котором в указанной мертвой точке может быть особенно благоприятным образом достигнута игнорируемая до сих пор возможность управления процессом сгорания двигателя.
Сравнение четырехтактного и двухтактного двигателей
В четырехтактном двигателе внутреннего сгорания шатуны передают свои движущие силы посредством "синусоидальной" поверхности в ходе соответствующих четырех тактов, а именно
- с минимальными силами в ходе всасывания воздуха,
- со значительно большими силами в ходе сжатия,
- с наибольшими силами в ходе расширения и
- с минимальными силами в ходе выпуска выхлопа.
В двухтактном двигателе внутреннего сгорания шатуны передают свои движущие силы посредством "синусоидальной" поверхности в ходе соответствующих двух тактов, а именно
- со сравнительно небольшими силами в совмещенном ходе нагнетания и сжатия воздуха и
- со значительно большими силами в совмещенном ходе расширения и выпуска выхлопа.
Тем не менее, принято обеспечивать также возможность более или менее параллельного выполнения всасывания/нагнетания воздуха и выпуска выхлопа в конце совмещенного хода расширения и выпуска выхлопа и в начале совмещенного хода нагнетания и сжатия воздуха.
Четырехтактные двигатели по сравнению с двухтактными двигателями до настоящего времени преобладали на рынке в различных областях применения (например, в качестве двигателей легковых автомобилей, работающих на бензине). В результате распределения функциональных тактов четырехтактного двигателя по четырем ходам поршней этот двигатель имеет более существенные возможности для приспособления отдельных функций одиночных тактов более простым образом, чем это имеет место в двухтактном двигателе, в котором все текущие функции должны быть выполнены за два такта.
Функции двухтактного двигателя неизбежно являются более кратковременными, и поэтому они сложнее, чем в четырехтактных двигателях. Четырехтактные двигатели до настоящего времени было проще адаптировать к принципу "синусоидальной поверхности", чем двухтактные двигатели. С другой стороны, двухтактные двигатели имеют множество других преимуществ перед четырехтактными двигателями, а именно, как следствие, меньшее число тактов рабочего цикла.
Кроме того, целью настоящего изобретения является решение проблем, связанных до настоящего времени с двухтактными двигателями, при применении к ним принципа "синусоидальной поверхности". Целью предложенного изобретения является также создание специфической конструкции кулачкового направляющего устройства, обеспечивающей возможность применения принципа "синусоидальной поверхности" в двухтактных двигателях при таких же благоприятных, как и в четырехтактных двигателях, эксплуатационных параметрах или даже превосходящих их.
Историческое развитие принципа "синусоидальной поверхности"
Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, имеющий одно кулачковое направляющее устройство, известен, например, из патента США N 1352985 (1918 г. ). Это кулачковое направляющее устройство основано на одном общем кулачковом управлении для единственного кольцевого ряда поршней в каждом из взаимодействующих с ними отдельных цилиндров двигателя. Все цилиндры расположены соответственно одним кольцом вокруг приводного вала двигателя. Шатуны по отдельности закреплены своими соответствующими опорными роликами в общем кулачковом направляющем устройстве.
Из патента США N 1802902 (1929 г. ) известен, например, четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, имеющий одно соответствующее кулачковое направляющее устройство. В этом двигателе вместо одного ряда поршней применяются два разнесенных в осевом направлении ряда поршней, взаимно непосредственно соединенных вместе. Поршни расположены тандемом в своих соответствующих цилиндрах, обращенных в осевом направлении в противоположные стороны, то есть цилиндры и поршни расположены попарно на одной оси, напротив друг друга в осевом направлении. Кроме того, поршни жестко присоединены друг к другу общим шатуном, а их соответствующие днища на противоположных в осевом направлении концах двигателя отвернуты друг от друга, причем каждое из них обращено к своей соответствующей рабочей камере в своем соответствующем взаимодействующем с ним цилиндре. Поршни взаимодействуют попарно с единственным общим кулачковым направляющим устройством. Общий шатун каждой пары поршней снабжен в средней зоне, между участками юбок поршней, общим опорным роликом, опирающимся на общее для всех поршней единственное кулачковое направляющее устройство, которое управляет этим роликом. Более конкретно, в центрально расположенном кулачковом направляющем устройстве применяется двустороннее размещение взаимно противоположных "синусоидальных" поверхностей, следующих последовательно и взаимодействующих с единственным рядом опорных роликов.
Указанное выше центральное размещение кулачкового направляющего устройства и опорных роликов между двумя рядами взаимно противоположных поршней, при котором в общем двустороннем кулачковом направляющем устройстве применяется единственный комплект опорных роликов, обеспечивает очень небольшую возможность отклонения контуров в двух взаимодействующих рядах обращенных в противоположные стороны "синусоидальных" поверхностей, поскольку контуры этих поверхностей обязательно соответствуют противоположной рабочей фазе двух соответствующих поршней, составляющих пару и обращенных в противоположные стороны.
Из патента США N 5031581 (1989 г. ) известен, например, четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, имеющий два отдельных кулачковых направляющих устройства. Кроме того, этот патент относится к двухтактному двигателю. Каждое кулачковое направляющее устройство, взаимодействующее со своим соответствующим комплектом поршней и со своим соответствующим взаимодействующим с ним комплектом опорных роликов, имеет собственную конструкцию, соответствующую конструкции, предложенной в патенте США N 1352985.
В патенте США N 5031581 предложено расположение цилиндров одной группой, а именно цилиндры расположены кольцом вокруг приводного вала. Поршни, размещенные попарно в соответствующем одном из цилиндров, управляются двумя отдельными кулачковыми направляющими устройствами или, другими словами, управление одним из поршней каждой пары осуществляется первым кулачковым направляющим устройством, тогда как управление другим поршнем осуществляется вторым кулачковым направляющим устройством. Каждый цилиндр, следовательно, снабжен отдельными поршнями, установленными с возможностью попарного перемещения навстречу друг другу и друг от друга, причем каждый поршень снабжен собственным шатуном, самостоятельно взаимодействующим через взаимодействующий с ним опорный ролик с соответствующим, одним из двух, противоположным кулачковым направляющим устройством, имеющим взаимодействующую с роликом "синусоидальную" поверхность. Кулачковые направляющие устройства для двух групп поршней, разнесенных в осевом направлении, расположены вдоль оси концами вперед, снаружи соответствующих концов двигателя. Днища поршней указанных пар поршней обращены друг к другу в общей рабочей камере взаимодействующего с ними цилиндра, то есть эти днища обращены к общей рабочей камере, расположенной посредине между указанной парой поршней.
В патенте Великобритании N 2019487 описан четырехцилиндровый двухтактный двигатель, причем в каждом из четырех цилиндров имеется по два поршня, совершающих возвратно-поступательное перемещение навстречу друг другу и друг от друга. Конструкцией двигателя предусмотрено, что воспламенение происходит одновременно в двух цилиндрах из четырех, то есть в парах чередующихся цилиндров. В описании к патенту указано, что контур кулачка может быть выполнен таким образом, чтобы перемещение поршней могло происходить наиболее благоприятным образом по отношению к расширению продуктов сгорания. В этой конструкции для выпуска или продувки выхлопа перед вводом нового топлива в цилиндр применяется требуемый ровный или стабильный контур. На прилагаемых к указанному патенту чертежах в каждой канавке из двух взаимно противоположных канавок кулачка изображен более или менее прямолинейный участок контура кулачка в точках взаимного поворота, лежащих непосредственно напротив друг друга с образованием участков "синусоидальной" кривой. Более конкретно, прямолинейный контур кулачка изображен только в одной из двух последовательных точек поворота "синусоидальной" кривой, образующей участки "синусоидальной" кривой, а именно там, где соответствующие поршни занимают один следом за другим свои наиболее удаленные, внешние положения, а выпускные и продувочные окна максимально открыты.
Описание изобретения
Настоящее изобретение, относящееся к двухтактным двигателям, основано на конструкции четырехтактного двигателя, в котором расположение поршня и цилиндра соответствует указанному выше патенту США N 5031581. Целью предложенного изобретения в особенности является обеспечение такого применения принципа "синусоидальной поверхности" к двухтактному двигателю, при котором могут быть достигнуты по меньшей мере такие же благоприятные эксплуатационные параметры, как те, что достигнуты в четырехтактном (или двухтактном) двигателе, описанном в патенте США N 5031581, а предпочтительно даже еще более благоприятные.
В четырехтактном двигателе четыре соответствующих хода (ход нагнетания воздуха, ход сжатия, ход расширения и ход выпуска выхлопа) применяются последовательно друг за другом, при этом с каждым ходом могут быть совмещены различные функции двигателя, тогда как в двухтактном двигателе выпуск выхлопа и нагнетание воздуха происходит в зоне перехода между ходом расширения и ходом сжатия, то есть в непосредственной связи с остальными функциями двигателя в каждом рабочем цикле. Следовательно, в двухтактном двигателе различные функции двух противоположно направленных ходов должны быть объединены.
Целью предложенного изобретения также является объединение особенно благоприятным образом различных функций двухтактного двигателя при особом выполнении "синусоидальных" поверхностей поршней, как подробно описано ниже.
Кроме того, в соответствии с двухтактным двигателем, описанным в патенте Великобритании N 2019487, целью изобретения является применение более или менее прямолинейного контура на поворотных, образующих мертвые точки участках "синусоидальной" кривой, на которых поршни занимают свои наиболее удаленные внешние положения, и когда выпускные и продувочные окна максимально открыты.
В предложенном изобретении применяется следующее сочетание:
- отсутствует необходимость в максимально близком совпадении криволинейного контура "синусоидальной" поверхности с синусоидой и известными "синусоидальными" контурами, напротив, его отклонение может достигать значительной степени, и
- кулачковые направляющие устройства могут быть выполнены с "синусоидальными" поверхностями, которые могут в значительной мере отличаться друг от друга, тогда как в результате может быть дополнительно достигнуто в особенности благоприятное конструктивное выполнение двигателя.
Предлагаемая конструкция отличается тем, что два поршня в каждом цилиндре имеют взаимно отличающиеся фазы рабочего цикла, управляемые взаимно отличающимися кулачковыми направляющими устройствами, при этом кулачковые устройства выполнены с эквивалентными, взаимно отличающимися "синусоидальными" поверхностями, а соответствующие двум различным поршням кулачковые направляющие устройства смещены по фазе по отношению друг к другу на некоторых участках "синусоидальных" поверхностей, а на остальных участках "синусоидальных" поверхностей они совпадают по фазе.
В соответствии с изобретением может быть достигнуто особенно благоприятное управление и тем самым благоприятное совмещение различных рабочих функций в двухтактном двигателе.
В особенности предложенное изобретение обеспечивает возможность совмещения рабочих функций на вершинах и/или во впадинах "синусоидальной" кривой взаимно отличающимися способами, причем соответствующие промежуточные "синусоидальные" криволинейные участки могут быть размещены известным или более или менее известным образом.
Таким образом, в соответствии с изобретением может быть обеспечено перемещение поршней, образующих пару, взаимно отличающимся образом, но при этом в общей рабочей камере, расположенной между днищами поршней, образующих пару, могут быть получены благоприятные совокупные рабочие параметры.
Смещение фаз кулачковых направляющих устройств
Практическое особенно благоприятное решение, предложенное изобретением, достигнуто благодаря смещению по фазе по отношению друг к другу соответствующих кулачковых направляющих устройств обоих поршней на определенных участках "синусоидальной" поверхности.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения это означает, во-первых, возможность благодаря смещению фаз вершин "синусоидальной" кривой удлинения фазы сгорания по отношению к предшествующей фазе расширения и соответственно по отношению к последующей фазе сжатия.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения может быть достигнуто благоприятное раздельное управление продувочными окнами посредством кулачкового направляющего устройства одного из поршней и соответственно благоприятное, раздельное управление выпускными окнами посредством кулачкового направляющего устройства другого поршня. Соответственно, путем такого смещения фаз может быть достигнуто открытие и закрытие продувочных и выпускных окон в различные моменты времени, определяемые эквивалентным выполнением каждого кулачкового направляющего устройства.
Два поршня, установленных разным способом, могут по отдельности открывать и закрывать взаимодействующие с ними окна (выпускные окна/продувочные окна), когда соответствующий поршень занимает соответственное осевое положение во взаимодействующем с ним цилиндре, но благодаря взаимному смещению фаз перемещений поршней открытие и закрытие различных окон может происходить соответственно также со смещением фаз.
Особое выполнение "синусоидальной" поверхности
Благодаря выполнению участков "синусоидальной" поверхности прямолинейными или в основном прямолинейными в плоскости, расположенной под прямым углом к приводной оси двигателя, достигнута игнорируемая до сих пор возможность создания особенно благоприятных рабочих параметров во время фазы сгорания топлива. Как предложено изобретением, действительно появляется возможность благодаря особому выполнению "синусоидальной" поверхности ограничения в рабочей камере особой камеры сгорания, соответствующей части указанной рабочей камеры. Следовательно, эта камера сгорания может иметь постоянный или почти объем на протяжении сравнительно большой длины дуги продольного измерения "синусоидальной" поверхности и дуги вращения приводного вала, так что большая часть процесса сгорания, например весь или почти весь процесс сгорания, может происходить в указанной камере сгорания.
Когда в настоящем описании указывается, что камера сгорания может иметь постоянный или в основном постоянный объем, это связано с особенностями выполнения "синусоидальной" поверхности в мертвой точке между ходом сжатия и ходом расширения.
Другими словами, благодаря абсолютно прямолинейному участку на "синусоидальной" поверхности могут быть получены соответствующие постоянные объемы, при этом благодаря более или менее прямолинейному участку могут быть получены эквивалентные в основном постоянные объемы. Это приводит к возможности приспособления контура "синусоидальной" поверхности в соответствии с фактическими параметрами в различных случаях применения.
На практике наряду с главным образом прямолинейными участками "синусоидальной" поверхности могут применяться частично прямолинейные, предшествующие и последующие, в значительной мере прямолинейные участки "синусоидальной" поверхности.
Благодаря указанному выше решению, основанному на поддержании объема камеры сгорания постоянным или в основном постоянным на мертвых участках при переходе от хода сжатия к ходу расширения, обеспечена, во-первых, возможность использования накопленной энергии, выделяемой в процессе сгорания и имеющей максимальную мощность даже в начале фазы расширения. Следовательно, эта энергия может быть использована с максимальным эффектом непосредственно после прохождения соответствующим поршнем своей мертвой точки или своего мертвого участка. Таким образом, это выделение энергии может использоваться максимально полно уже на тех криволинейных участках перехода, на которых происходит ускорение поршня от его стационарного состояния до параметров его оптимального движения, а затем может продолжаться с большой силой на последующей фазе расширения.
Во-вторых, благодаря применению камеры сгорания, имеющей постоянный объем, существует возможность получения более благоприятного режима сгорания топлива, а именно сгорания больших доз топлива еще до начала фазы расширения. Это может быть обеспечено благодаря сгоранию существенных доз топлива в камере сгорания при прохождении мертвого участка или в непосредственной близости от него.
Кроме того, как видно при суммарной оценке, достигнуто более полное использование энергии топлива благодаря обеспечению возможности сгорания в рабочей камере большего количества топлива путем повышения его процентного соотношения до того, как в конце хода расширения происходит выпуск выхлопных газов из этой камеры.
Иными словами, в предложенном изобретении существует возможность значительного увеличения развиваемой мощности двигателя по сравнению с известными техническими решениями.
В результате в предложенном изобретении достигнута значительно большая выходная мощность двигателя. Кроме того, снижено выделение газообразных CO и NOx и т. п. , следовательно, получено лучшее с точки зрения охраны окружающей среды сгорание топлива.
Следует также отметить, что происходящее по существу в ходе расширения последующее сгорание топлива, которое в значительной степени может компенсировать эффект увеличения объема в той части рабочей камеры, где происходят колебательные перемещения поршней, может осуществляться в соответствии с изобретением в управляемом режиме задолго до открытия выпускных окон, то есть постепенно, по мере перемещения поршня в рабочей камере в ходе расширения.
Иными словами, существует возможность предпочтительного способа распределения движущей силы от начала хода расширения и далее, на протяжении значительных участков хода расширения до открытия выпускных окон, даже при наличии оптимального сгорания еще до начала хода расширения.
Энергия, выделяемая благодаря освобождающейся возможности движения поршней из стационарного положения, может соответственно быть выделена сравнительно мгновенно и с максимальной силой в камере сгорания, имеющей постоянный объем. Выделение энергии может происходить в ускоряющемся режиме посредством криволинейного участка "синусоидальной" поверхности, образующего участок перехода между прямолинейным мертвым участком и последующим прямолинейным участком расширения. На последующем прямолинейном участке расширения расширение происходит линейно, то есть в рабочей камере, имеющей, упрощенно говоря, линейно увеличивающийся объем.
Описание чертежей
Дальнейшие особенности настоящего изобретения будут очевидны из следующего ниже описания со ссылками на приложенные чертежи, на которых изображены некоторые реальные варианты выполнения и на которых:
фиг. 1 изображает вертикальный разрез предлагаемого двигателя;
фиг. 1a и 1b изображают на соответствующем фрагменте фиг. 1 основные части двигателя, причем на фиг. 1a поршни двигателя находятся в положении, при котором промежуток между ними максимален, а на фиг. 1b поршни двигателя находятся в положении, при котором промежуток между ними минимален;
фиг. 2 схематично изображает первое поперечное сечение одного конца цилиндра двигателя, на котором показан продувочный воздушный впуск;
фиг. 3 схематично изображает второе поперечное сечение другого конца цилиндра двигателя, на котором показан выхлопной выпуск;
фиг. 4a схематично изображает третье поперечное сечение средней части цилиндра двигателя, соответствующего первому варианту выполнения, в которой происходит подача и воспламенение топлива;
фиг. 4b изображает поперечное сечение, соответствующее фиг. 4a, средней части цилиндра в соответствии с вторым вариантом выполнения;
фиг. 5a изображает продольный разрез фрагмента двигателя, изображенного на фиг. 1b;
фиг. 5b изображает продольный разрез кулачкового направляющего устройства с находящимся с ним в связи приводным валом и фрагментом двигателя, изображенным на фиг. 1b;
фиг. 5c изображает вид сбоку направляющей обоймы;
фиг. 5d и 5e изображают виды соответственно сверху и снизу направляющей обоймы, изображенной на фиг. 5c;
фиг. 5f изображает вид сбоку шатуна;
фиг. 5g изображает вид сверху шатуна, показанного на фиг. 5f;
фиг. 5h изображает вертикальный разрез предлагаемого поршня;
фиг. 6 - 8 схематично изображают развернутую на плоскости общую схему перемещения первых поршней каждой пары, взаимодействующих с каждым цилиндром, которая применена в трехцилиндровом двигателе и изображена при различных угловых положениях поршней по отношению к вращательному движению приводного вала;
фиг. 6a схематично иллюстрирует принцип передачи движущих сил между роликом шатуна и взаимодействующим с ним наклонным участком "синусоидальной" поверхности;
фиг. 9 схематично изображает развернутую на плоскости более подробную схему перемещения двух поршней каждого цилиндра пятицилиндрового двигателя, занимающих различное угловое положение по отношению к вращательному движению приводного вала;
фиг. 10 изображает то же, что изображено на фиг. 9, при этом поршни находятся в следующем рабочем положении по отношению к взаимодействующим с ними цилиндрам;
фиг. 11 схематично изображает фрагмент центрального участка "синусоидальной" поверхности для двух взаимодействующих поршней каждого цилиндра;
фиг. 12 подробно изображает криволинейный контур "синусоидальной" поверхности для первого поршня в каждом цилиндре;
фиг. 13 подробно изображает соответствующий криволинейный контур "синусоидальной" поверхности для второго поршня в каждом цилиндре;
фиг. 14 изображает криволинейные контуры, изображенные на фиг. 12 и 13, наложенные друг на друга для сравнения;
фиг. 15 изображает в продольном сечении альтернативную конструкцию кулачкового направляющего устройства с взаимодействующими с ним нажимными шарами, расположенными на внешнем конце шатуна;
фиг. 16 изображает в сечении, в направлении радиально наружу от кулачкового направляющего устройства альтернативное решение, изображенное на фиг. 15;
фиг. 17 и 18 изображают соответственно вид сверху и горизонтальный разрез устройства, направляющего головную часть шатуна по двум параллельным управляющим стержням.
Со ссылками на фиг. 1 в настоящем описании рассмотрен двухтактный двигатель 10 внутреннего сгорания. В частности, описан двигатель 10, приспособленный для работы в соответствии с так называемым принципом "синусоидальной поверхности". На фиг. 1 схематично изображен разрез предлагаемого двигателя 10.
Целью предлагаемого изобретения, в соответствии с его первым аспектом, является сгорание в особым образом ограниченной камере К1 сгорания (см. фиг. 1b), как подробно описано ниже.
Кроме того, в соответствии со вторым аспектом изобретения, его целью является благоприятное управление открытием и закрытием выпускных окон 25 и продувочных окон 24, что также описано ниже.
В варианте выполнения, изображенном на фиг. 1, имеется короткий приводной вал 11, проходящий центрально в осевом направлении через двигатель 10.
Вал 11 на одном своем показанном конце снабжен первой головной частью 12a, выступающей радиально в наружном направлении и образующей первое кулачковое направляющее устройство. На втором своем конце вал 11 снабжен равнозначной второй головной частью 12b, выступающей радиально в наружном направлении и образующей второе кулачковое направляющее устройство.
Головные части/кулачковые направляющие устройства 12a, 12b в изображенном варианте выполнения представлены по отдельности и каждая/каждое из них по отдельности присоединена/присоединено к валу 11 собственными крепежными средствами.
Кулачковое направляющее устройство 12a охватывает вал 11 на одном его конце 11a, образует концевую опору на торцевую поверхность 11b вала 11 посредством крепежного фланца 12a' и неподвижно прикреплено к валу 11 крепежными винтами 12a".
Кулачковое направляющее устройство 12b охватывает утолщенную часть 11c вала 11 на его противоположной концевой части 11d. Устройство 12b в отличие от устройства 12a не прикреплено непосредственно к валу 11, а расположено с возможностью ограниченного осевого перемещения вдоль вала 11, в особенности с учетом обеспечения возможности регулирования степени сжатия в цилиндрах 21 двигателя 10 (на фиг. 1 изображен только один из нескольких цилиндров).
Концевая часть 11d вала 11 (см. фиг. 1 и 5) образует смещенную в радиальном направлении втулочную часть, к которой прикреплен чашевидный несущий элемент 13. Элемент 13 снабжен крепежным фланцем 13', который крепежными винтами 13" прикреплен к концевой части 11d вала 11. Между верхней торцевой поверхностью 13a несущего элемента 13 и расположенной напротив поверхностью 11e буртика вала 11 ограничена масляная камера 13b сжатия. В камере 13b помещен с возможностью скольжения поршнеобразующий имитатор 12b' сжатия, выполненный в виде направляющего выступа и выступающий с внутренней стороны кулачкового направляющего устройства радиально внутрь в камеру 13b со скользящим упором во внешнюю поверхность концевой части 11d.
Для предотвращения взаимного вращения устройства 12b, элемента 13 и вала 11 сквозь имитатор 12b' проходит комплект направляющих пальцев 12', которые закреплены в своих соответствующих отверстиях на торцевой поверхности 13a несущего элемента 13 и в поверхности 11e вала 11.
В камеру 13b по поперечным каналам 11f и 11g, проходящим через концевую часть 11d вала 11, подводится и отводится масло под давлением.
Средства 14 направления масла, расположенные продольно внутри взаимно выровненных осевых отверстий в концевой части 11d вала 11 и в фланце 13' элемента 13, обеспечивают подвод нагнетаемого масла к каналу 11f и отвод возвратного масла по каналу 11g через отдельные направляющие каналы 14a и 14b и примыкающие кольцевые канавки 14a' и 14b' в средствах 14.
Управление подводом нагнетаемого масла к камере 13b с одной стороны имитатора 12b' устройства 12b и отводом от камеры 13b возвратного масла с другой, противоположной стороны имитатора 12b' осуществляется известным внешним управляющим устройством (это устройство и способ его подключения не показаны).
Как изображено на фиг. 1, вал 11 присоединен на противоположных концах к равнозначным втулкам 15a и 15b. Втулка 15a прикреплена крепежными винтами 15a' к устройству 12a, тогда как втулка 15b прикреплена крепежными винтами 15b' к элементу 13. Втулки 15a и 15b установлены с возможностью вращения в соответствующем одном подшипнике из двух противоположных основных опорных подшипников 16a, 16b, расположенных на противоположных концах двигателя 10 и закрепленных в соответствующих концевых крышках 17a и 17b.
Как изображено на фиг. 1, крышки 17a и 17b соответственно прикреплены к промежуточному блоку 17 двигателя крепежными винтами 17'.
Внутри двигателя 10 между крышкой 17a и блоком 17 ограничена первая камера 17c для смазочного масла, а вторая камера 17d ограничена между крышкой 17b и блоком 17. На чертеже изображен дополнительный колпак 17e, присоединенный к крышке 17b, и внешний масляный патрубок 17f между камерой 17c и колпаком 17e. На чертеже изображен также впускной фильтр 17g, присоединенный к патрубку 17h для смазочного масла, по которому камера 17d сообщается с внешним устройством для смазочного масла (не показано).
Средства 14 снабжены головной частью 14c, образующей крышку и прикрепленной к крышке 17b двигателя 10 крепежными винтами 14c'. Часть 14c образует уплотнение для камеры 17e, концом выходящей к опорному подшипнику 16b. Соответственно, уплотняющая крышка 14d с взаимодействующим с ней уплотнительным кольцом 14e прикреплена концом вперед к концевой крышке 17a с внешней стороны опорного подшипника 16a.
Соответственно, двигатель 10 в целом выполнен из составных частей, приводимых в движение или выполненных с возможностью вращения, а также из приводящих в движение составных частей или точнее не вращающихся составных частей. Приводимые в движение составные части включают вал 11 двигателя, несущий элемент 13 вала 11, втулки 15a, 15b вала 11 и кулачковые направляющие устройства 12a и 12b, присоединенные к валу 11. Приводные, не вращающиеся составные части включают цилиндры 21 двигателя с взаимодействующими с ними поршнями 44,45.
В соответствии с предложенным изобретением обеспечено регулирование степени сжатия двигателя путем внутреннего регулирования, или точнее регулирования, осуществляемого между составными частями, приводимыми в движение. Более конкретно, происходит осевое возвратно-поступательное смещение одного устройства 12b по отношению к валу 11, или, точнее, в пределах ограниченного промежутка перемещения в масляной камере 13a давления, которая ограничена направляющим выступом 12b' и расположенными с обеих его сторон частями этой камеры 13a.
На практике величина этого регулировочного отрезка составляет от нескольких миллиметров для небольших двигателей до нескольких сантиметров для более крупных двигателей. Однако в различных двигателях соответствующие разницы в объемах взаимодействующих рабочих камер имеют эквивалентный эффект сжатия.
В зависимости от существующей необходимости может быть предложено ступенчатое или бесступенчатое регулирование степени сжатия, например, его изменение путем постепенного управления кулачковым направляющим устройством 12b и перевода его в соответствующее положение относительно вала 11. Управление может производиться, например, автоматически по существу известными электронными устройствами, основанными на различном термочувствительном оборудовании, или другими аналогичными средствами. В другом случае возможно применение ручного управления подходящими средствами регулирования, которые не приведены в настоящем описании.
Благодаря регулированию кулачкового направляющего устройства 12b, находящегося в связи с приводимой составной частью двигателя, исключается влияние на общее управление расположением взаимодействующих поршня 44, шатуна 48, основного опорного колеса 53 и дополнительного колеса 55, а точнее исключается влияние на механическое соединение приводных и приводимых составных частей.
С другой стороны, при таком управлении устройством 12b осевое регулирование внутри приводной составной части обеспечивается таким образом, что расположение поршня 44, шатуна 48 и колес 53 и 55 может быть совокупно изменено путем изменения положения устройства 12b относительно взаимодействующего с ним цилиндра 21, практически независимо от конкретного регулирования степени сжатия.
На фиг. 1 и 1b штриховыми линиями обозначено центральное пространство 44' между днищами поршней 44, 45 при нормальной степени сжатия, когда устройство 12b занимает положение, изображенное на фиг. 1. Сплошными линиями обозначено центральное пространство 44" между днищами поршней 44, 45, когда выступ 12b' устройства 12b переведен максимально вверх к поверхности 11e вала 11.
Двигатель 10 изображен разделенным на три неподвижные основные составные части, а именно средний элемент, образующий блок 17, и два корпусных элемента 17a, 17b, образующих крышки и расположенных на соответствующем конце двигателя 10. Элементы 17a, 17b предназначены для закрытия соответствующих устройств 12a, 12b, колес 53 и 55 и взаимодействующих с ними подшипников в соответствующих шатунах 48, 49 на соответствующем конце блока 17. В результате все приводные и приводимые составные части двигателя эффективно помещены в двигатель 10 и находятся в масляной ванне в масляных камерах 17c и 17d.
Изображенный вариант выполнения блока 17, относящийся к трехцилиндровому двигателю, выполнен соответственно с тремя цилиндрами 21, разнесенными по периферийной зоне двигателя. На фиг. 1, 1a и 1b изображен только один из трех цилиндров 21.
Три цилиндра 21, расположенных вокруг приводного вала 11 с угловым промежутком относительно друг друга, составляющим 120o, выполнены, как это изображено на приведенном варианте выполнения, в виде отдельных вставных элементов, образующих цилиндр и вставленных в соответствующие отверстия в блоке 17.
В каждый цилиндр/цилиндрический элемент 21 вставлена цилиндрическая гильза 23 в форме втулки. В гильзе 23 выполнен, как изображено на фиг. 1a и 1b, а также на фиг. 2 и 3, кольцевой ряд продувочных окон 24 на одном ее конце и кольцевой ряд выпускных окон 25 на другом ее конце.
Аналогично, в стенке 21а цилиндра 21 соответственно расположены продувочные окна 26, радиально совмещенные с продувочными окнами 24 гильзы 23, как изображено на фиг. 2, в то время как в стенке 21а цилиндра соответственно выполнены выпускные окна 27, радиально совмещенные с выпускными окнами 25 гильзы 23, как изображено на фиг. 3.
На фиг. 1 изображен кольцевой впускной канал 28 для продувочного воздуха, окружающий продувочные окна 26, а также впуск 29 для продувочного воздуха, расположенный радиально снаружи.
Как изображено на фиг. 2, каналы 28 проходят под существенным углом "u" наклона относительно радиальной плоскости A, проходящей через ось цилиндра, и специально приспособлены для принуждения перемещения продувочного воздуха внутри цилиндра 21 по вращательной траектории 38, как показано стрелкой B на фиг. 2.
На фиг. 1 также изображен кольцевой канал 30 выпуска выхлопа, окружающий выпускные окна 27, а также выпуск 31 выхлопа, отводящий выхлоп радиально наружу.
На фиг. 3 изображено эквивалентное наклонное направление выпускных окон 27 под углом "v" по отношению к радиальной плоскости A, проходящей через ось цилиндра, специально приспособленное для перевода выхлопных газов с вращательной траектории 38 внутри цилиндра 21 на аналогичную вращательную траекторию снаружи цилиндра 21, как указано стрелкой C. Выпускные окна 27 изображены расширяющимися радиально наружу для облегчения истечения потока выхлопного газа из цилиндра 21 наружу в канал 30.
В известных решениях продувочный воздух применяется для выталкивания выхлопного газа, образующегося в цилиндре на предшествующей фазе сгорания, а кроме того, для подвода свежего воздуха для последующего процесса сгорания в цилиндре. В этой связи изобретением предложено применение по существу известным способом вращающейся массы воздуха, как изображено стрелками 38 на фиг. 1a и 4, в рабочей камере К цилиндра 21 в ходе сжатия.
На фиг. 1а, 1b и 4a изображен топливный инжектор или форсунка 32, помещенная в полости 33 стенки цилиндра 21a. Инжектор/форсунка 32 имеет направленный конец 32', как изображено на фиг. 4a, выступающий через отверстие 34 в стенке 21a цилиндра. Отверстие 34 проходит через стенку 21a цилиндра под косым углом, который не обозначен на фиг. 4a, но соответствует углу "u", изображенному на фиг. 2. Конец 32' выступает далее через отверстие 35 в гильзе 23, совмещенное с отверстием 34. Как изображено на фиг. 4a, выходное отверстие 36 форсунки/инжектора 32 расположено так, что струя 37 топлива может быть направлена, как показано на фиг. 4a, под косым углом внутрь вращающейся массы воздуха в цилиндре 21, как обозначено стрелками 38, непосредственно перед свечой 39 зажигания (или, возможно, перед запальным контактом), расположенной в зоне камеры, образующей часть камеры К1 сгорания, как изображено на фиг. 1b.
На фиг. 4b изображена альтернативная конструкция решения, изображенного на фиг. 4a, в котором в дополнение к первой топливной форсунке 32 и первому запальному устройству 39 в той же дисковидной камере К1 сгорания расположены вторая топливная форсунка 32a и второе запальное устройство 39a. Обе форсунки 32 и 32a и оба устройства 39 и 39a выполнены аналогично описанию со ссылкой на фиг. 4a. Детали форсунки 32a обозначены номерами позиций с добавлением индекса "а".
В изображенном на фиг. 4b варианте выполнения форсунки 32, 32a показаны разнесенными по дуге на угол, составляющий 180o, а запальные устройства 39, 39a также показаны разнесенными по дуге на такой же угол. На практике это взаимное разнесение может быть при необходимости изменено, то есть выполнено с другими угловыми промежутками, например, в зависимости от момента времени, в который происходит воспламенение в каждом из устройств, и т. п.
На фиг. 1 изображена также система водяного охлаждения для общего охлаждения цилиндра 21. Эта система содержит впуск охлаждающей воды (не показан), а также первый и второй кольцевой канал 41 и 42 для охлаждающей воды. Каналы 41 и 42 сообщаются посредством кольцевого ряда осевых соединительных каналов 43, как изображено на фиг. 3. Каналы 43 так проходят сквозь стенки 21a цилиндра в каждой промежуточной зоне 27a, расположенной между выпускными окнами 27, что возможно особое предохранение от перегрева этих зон 27a путем локального воздействия на них протекающей охлаждающей жидкости. Выпуск охлаждающей воды, который также не показан на фиг. 1, соединен с каналом 42 на некотором удалении от впуска охлаждающей воды способом, также не указанным в настоящем описании.
Внутри гильзы 23 имеются два поршня 44, 45, установленных с возможностью осевого перемещения навстречу друг другу и друг от друга. В непосредственной близости от соответствующего днища 44a, 45a поршня и от кромки его юбки 44b, 45b по существу известным способом расположен ряд поршневых приливов 46. Поршни 44, 45 в двухтактном двигателе выполнены с возможностью синхронного перемещения навстречу друг другу и друг от друга.
Другие детали поршней изображены на фиг. 5h. Поршень 44 изображен в виде относительно тонкостенного колпака, имеющего днище 44a и юбку 44b. В самой глубине внутреннего полого пространства поршня расположен опорный диск 44c, затем следует головной элемент 48c для соединенного с ним шатуна 48, опорное кольцо 44d и зажимное кольцо 44e.
Головной элемент 48c имеет выпуклую закругленную верхнюю поверхность 48c' и вогнутую закругленную нижнюю поверхность 48c", опорный диск 44c выполнен с аналогичной вогнутой закругленной нижней опорной поверхностью 44c', а опорное кольцо 44d имеет выпуклую закругленную опорную поверхность 44d'. Следовательно, головной элемент 48c выполнен с возможностью наклона относительно теоретической оси по отношению к поршню, управление положением которого осуществляется опорными поверхностями 44c' и 44d'. Примыкание кольца 44e к уступной части 44f внутри поршня обеспечивает возможность установки головного элемента 48c, а посредством этого и шатуна 48, в определенных пределах и вследствие этого определенной возможности поворота вокруг теоретической оси поршня 44 при работе.
Элемент 48c имеет среднюю несущую часть 48g в форме втулки, имеющей выступающие в стороны в наружном направлении буртики 48g, которые с соответствующими полостями (не показаны) внутри взаимодействующего шатуна 48 образуют стопорное соединение, как показано на фиг. 1a и 1b.
На фиг. 1a оба поршня 44, 45 изображены в своих равнозначных, внешних положениях. Это внешнее положение, при котором между поршнями 44, 45 имеется максимальное пространство, обозначено в настоящем описании в целом как мертвая точка Оa для поршня 44 и мертвая точка Ob для поршня 45.
В указанных положениях мертвых точек Оa и Ob поршень 44 открывает продувочные окна 24, а поршень 45 открывает выпускные окна 25, при этом открытие и закрытие продувочных окон 24 регулируется положениями поршня 45 во взаимодействующем с ним цилиндре 21, а открытие и закрытие выпускных окон 25 - положениями поршня 44 в этом же цилиндре 21. Это регулирование более подробно описано ниже со ссылками на фиг. 12 - 14.
Кроме того, это регулирование имеет дополнительные эффекты, сопутствующие указанному выше регулированию положения кулачкового направляющего устройства 12b вдоль вала 11.
Когда поршни 44, 45 занимают свои противоположные внутренние положения, при которых между ними имеется минимальное пространство, как изображено на фиг. 1b, то эти положения обычно обозначают как положения мертвой точки. Однако в предложенном изобретении в этих положениях мертвой точки и в непосредственной близости от них поршни 44, 45 неподвижны, то есть отсутствует их перемещение, или более точно отсутствует их осевое перемещение по отношению друг к другу. Тем, что поршни сохраняют неподвижность не только в положении мертвой точки, но и на прилегающих участках соответствующей "синусоидальной" поверхности, как описано ниже, может быть обеспечен более или менее постоянный объем рабочей камеры (камеры сгорания) на протяжении определенной длины дуги или точнее на значительно более протяженном участке "синусоидальной" поверхности, чем это имеет место в известных решениях.
Следовательно, поршни 44, 45 неподвижны или по существу неподвижны на участке "синусоидальной" поверхности, обозначенном в настоящем описании как "мертвый участок" 4a для поршня 44 и как "мертвый участок" 4b для поршня 45. Эти мертвые участки 4a и 4b изображены на фиг. 12 и 13.
На этих мертвых участках в рабочей камере К ограничено так называемое "мертвое пространство", которое в настоящем описании (по причинам, которые очевидны из дальнейшего текста) обозначено как камера К1 сгорания. В соответствии с изобретением камера К1 ограничена в основном в точке перехода между фазой сжатия и фазой расширения двухтактного двигателя и в непосредственной близости от нее, как более подробно описано ниже.
Во время фазы расширения или, точнее, при ходе от положения поршня, показанного на фиг. 1b, до положения, показанного на фиг. 1а, происходит постепенное расширение рабочей камеры К от ее минимального объема, изображенного как камера К1, до максимального объема, как показано на фиг. 1а, и вблизи мертвых точек Oa и Ob на фиг. 9 и 10, причем происходит постепенное расширение камеры К1 вместе с другой камерой К2, в которой имеют место ходы расширения и сжатия поршней 44,45.
Предлагаемая камера К1 ограничена в значительной мере указанным мертвым участком/мертвым пространством. Однако на практике сгорание может продолжаться с небольшим выходом за пределы мертвого пространства, что более подробно объяснено ниже.
В связи с изменением степени сжатия в рабочей камере в положении, изображенном на фиг. 1b, может возникнуть вопрос об изменении объема камеры К1, в соответствии с которым осуществляется регулирование во время работы двигателя. В этом случае из описанного выше возникает также вопрос о различных объемах в камере сгорания, имеющих место при противоположном положении поршней, показанном на фиг. 1а.
Однако следует понимать необходимость точного равенства длины хода отдельных поршней 44 и 45 при любых рабочих параметрах, независимо от установленной степени сжатия.
Каждый поршень 44, 45 жестко присоединен к своему соответствующему трубчатому шатуну 48 и 49, прямолинейное перемещение которого направляется посредством направляющей обоймы 50. Обойма 50 расположена частично в блоке 17 и частично в соответствующих концевых крышках 17a и 17b на равнозначных свободных внешних концах соответствующих шатунов 48, 49. Обойма 50, которая подробно изображена на фиг. 5a, образует осевую направляющую для шатуна 48 и 49 как внутри, так и снаружи блока 17.
На фиг. 5a изображена ось 51 вращения, прикрепленная на одном конце трубчатого шатуна 48 и проходящая поперек него, точнее, через его трубчатое полое пространство 52. В средней части 51а оси 51, а точнее в пространстве 52 с возможностью вращения установлен основной ролик 53, а на одном концевом участке 51b оси 51 на обращенной в наружном направлении стороне 48a шатуна 48 с возможностью вращения установлен дополнительный ролик 55.
Основной ролик 53 содержит внутреннюю ступичную часть 53a, имеющую роликовый подшипник 53b, и внешнюю бандажную часть 53c. Бандажная часть 53c имеет поверхность 53c' качения, имеющую двоякую кривизну, а точнее форму части шара.
Дополнительный ролик 55 имеет конструкцию, аналогичную конструкции основного опорного ролика 53, и содержит внутреннюю ступичную часть 55a, средний роликовый подшипник 55b и внешнюю бандажную часть 55c с поверхностью 55c' качения, имеющей форму части шара.
Основной ролик 53 выполнен с возможностью скатывания по вогнутой в поперечном сечении поверхности 54 качения, образующей часть так называемой "синусоидальной" кривой 54', как изображено на фиг. 6-8. С применением поверхности 53c' качения, имеющей форму части шара и катящейся по равнозначно искривленной направляющей поверхности 54 устройства 12a и 12b, может быть обеспечено эффективное опорное примыкание основного ролика 53 к направляющей поверхности 54 при изменяющихся рабочих параметрах и возможно даже при некотором перекосе положения ролика и/или шатуна 48 (49), так как возможность такого перекоса обеспечена установкой шатуна 48 в поршне 44 с возможностью поворота, как показано на фиг. 5h.
"Синусоидальная" кривая 54' выполнена в устройствах 12a и 12b вала 11 на сторонах, равнозначно обращенных в наружном осевом направлении от расположенного между ними цилиндра 21. Дополнительный ролик 55 выполнен с возможностью скатывания по другой, эквивалентной "синусоидальной" кривой (не показана), которая вогнуто искривлена в поперечном сечении, вдоль поверхности 56a качения в дорожке качения, выполненной в устройстве 12a (и 12b) в радиальном направлении в пределах поверхности 54 качения.
В изображенном на фиг. 5a варианте выполнения "синусоидальная" кривая 54a' расположена радиально снаружи, тогда как "синусоидальная" кривая 56a' расположена в устройстве 12a с некоторым радиальным отступом внутрь по отношению к "синусоидальной" кривой 54a'. В ином случае кривая 54a' может быть расположена с радиальным отступом внутрь по отношению к кривой 56a' (не показано).
В каждом из кулачковых направляющих устройств 12a и 12b способом, не указанным в настоящем описании, выполнено по соответствующей паре "синусоидальных" кривых 54a', 56a', каждая из которых может быть при необходимости снабжена по меньшей мере одной "синусоидальной" поверхностью.
На фиг. 1 схематично изображены кулачковые направляющие устройства 12a и 12b, тогда как более детальное изображение взаимодействующих с ними "синусоидальных" кривых и "синусоидальных" поверхностей показано на фиг. 9 - 14.
Принцип "синусоидальных поверхностей"
В целом принцип "синусоидальных поверхностей" может применяться с нечетным числом (1, 3, 5 и т. д. ) цилиндров, тогда как при этом применяется четное число (2, 4, 6 и т. д. ) "синусоидальных" поверхностей, и наоборот.
В случае, при котором в каждом из кулачковых направляющих устройств 12a и 12b используется по одной "синусоидальной" поверхности (имеющей одну "синусоидальную" вершину и одну "синусоидальную" впадину), то есть "синусоидальная" поверхность охватывает дугу, составляющую 360o, вопрос о том, четным или нечетным является количество применяемых цилиндров, не имеет значения. Соответственно, по меньшей мере при двух (или более) "синусоидальных" поверхностях при необходимости может применяться, например, большее или меньшее количество цилиндров.
Случай, в котором применяется одна "синусоидальная" поверхность, может представлять особый интерес для применения в двигателях с высокой скоростью вращения, превышающей 2000 об/мин.
В соответствии с принципом "синусоидальной поверхности" путем использования необходимого количества "синусоидальных" вершин и впадин, приходящихся на каждый оборот приводного вала, конкретный двигатель может быть конструктивно приспособлен к определенной скорости вращения. Другими словами, в соответствии с принципом "синусоидальной поверхности" могут быть выполнены двигатели, скорости вращения которых точно соответствуют диапазонам, необходимым для конкретного применения.
В целом на изображенном варианте выполнения размещенные последовательно друг за другом цилиндры двигателя с взаимодействующими с ними поршнями расположены в определенных угловых положениях вокруг оси приводного вала, например, с равными промежутками вдоль "синусоидальной" поверхности или вдоль ряда таких поверхностей ("синусоидальная" кривая).
Например, для двухтактного или четырехтактного двигателя, имеющего три цилиндра, как показано на фиг. 6, на каждый полный оборот может приходиться по две "синусоидальные" вершины и по две "синусоидальные" впадины, а также по четыре наклонные поверхности, лежащие между ними, то есть в каждом кулачковом направляющем устройстве 12a и 12b имеется по две расположенные друг за другом "синусоидальные" поверхности. Следовательно, как в четырехтактном, так и в двухтактном двигателе для каждого из двух поршней всех трех цилиндров может быть получено по четыре хода на каждый оборот приводного вала/кулачковых направляющих устройств.
Соответственно, в двухтактном двигателе с пятью цилиндрами, изображенном на фиг. 9 и 10, на каждый полный оборот может приходиться "синусоидальная" кривая с двумя "синусоидальными" вершинами и двумя "синусоидальными" впадинами, а также с четырьмя наклонными поверхностями, лежащими между ними, то есть в каждом кулачковом направляющем устройстве 12a и 12b имеется по две расположенные друг за другом "синусоидальные" поверхности, в результате в двухтактном двигателе для каждого из двух поршней всех пяти цилиндров может быть получено по четыре хода на каждый оборот.
В изображенном варианте выполнения опорные ролики поршней расположены с эквивалентно равными угловыми промежутками, или, иными словами, в таких эквивалентных равных угловых положениях вдоль "синусоидальной" кривой, что они один следом за другим в эквивалентных положениях вдоль соответствующих "синусоидальных" поверхностей подвергаются эквивалентным перемещениям поршня.
Происходит последовательная передача энергии двигателя в осевом направлении от различных следующих друг за другом поршней 44, 45 через опорные ролики 53 и через соответствующие "синусоидальные" кривые, каждая из которых содержит собственные "синусоидальные" поверхности, валу 11, вследствие чего вал 11 подвергается принудительному вращению вокруг своей оси. Это осуществляется благодаря перемещению шатунов двигателя параллельно продольной оси приводного вала и принудительного скатывания по "синусоидальным" поверхностям опорных роликов шатунов. Таким образом, происходит передача энергии двигателя в осевом направлении от опорных роликов шатунов "синусоидальным" поверхностям, которые подвергаются принудительному вращению вместе с приводным валом 11 вокруг его оси. Другими словами, достигнута передача движущей энергии колебательного перемещения поршня вращательному движению приводного вала, причем передача движущей силы происходит непосредственно от соответствующих опорных роликов шатунов "синусоидальным" поверхностям приводного вала.
На фиг. 6 схематично изображен опорный ролик 53 на наклонном участке "синусоидальной" кривой 8a. Осевые движущие силы, прикладываемые со стороны взаимодействующего с роликом поршня 44, имеющего шатун 48, изображены в виде стрелки Fa, а также в виде эквивалентно разложенных на составляющие в радиальной плоскости вращательных сил, передаваемых "синусоидальной" поверхности 8a и обозначенных стрелкой Fr.
Вращательные силы могут быть выведены из формулы (2)
Fr = Fa-tg Ф (2)
Помимо прочего, в соответствии с изобретением путем особого выполнения предложенной "синусоидальной" поверхности достигнуто увеличение хода расширения поршней 44, 45, исчисляемого как угол вращения приводного вала, по сравнению с ходом сжатия этих поршней. Таким образом, несмотря на различные скорости перемещения поршней в противоположных направлениях, может быть обеспечено относительно более однородная передача движущей силы валу 11, а кроме того "более равномерная", то есть более свободная от вибраций работа двигателя.
На фиг. 6-8 схематично изображен режим работы трехцилиндрового двигателя 10, изображенного в развертке на плоскости вдоль взаимодействующей с поршнем "синусоидальной" кривой 54', состоящей из двух следующих друг за другом "синусоидальных" поверхностей, причем показан только один поршень 44 из взаимодействующей пары поршней 44 и 45, а также взаимодействующий с ним основной ролик 53 шатуна 48. На каждом чертеже фиг. 6-8 схематично изображено по одному взаимодействующему поршню 44 в каждом из трех цилиндров 21 двигателя, причем поршни 45 на противоположных концах цилиндров расположены в эквивалентном положении. Для ясности цилиндры 21 и противоположные поршни 45 не изображены на фиг. 6-8, на них изображен только поршень 44, шатун 48 и основной ролик 53. Осевые перемещения поршня 44 показаны стрелкой 57, обозначающей ход сжатия поршня 44, и стрелкой 58, обозначающей ход расширения поршня 44.
"Синусоидальная" кривая 54' изображена с нижней дорожкой 54 качения, контур которой образован двумя "синусоидальными" поверхностями и которая в целом направляет перемещение основного ролика 53 в осевом направлении, при котором более или менее постоянно во время хода расширения происходит воздействие силы, направленной вниз, от поршня 44 через ролик 53 к дорожке 54, а во время хода сжатия воздействие силы, направленной вверх, от дорожки 54 через основной ролик 53 к поршню 44. Дополнительный ролик 55 (на фиг. 6-8 он не изображен) помещен без зазора относительно верхней дорожки 54b качения, как показано на фиг. 5a. По соображениям наглядности на фиг. 6-8 дорожка 54b изображена над основным роликом 53 для указания возможности максимального перемещения основного ролика 53 в осевом направлении относительно дорожки 54 качения. На практике возможностью осевого перемещения основного ролика 53 относительно его дорожки 54 качения, как показано на фиг. 5a, управляет дополнительный ролик 55.
Дополнительный ролик 55 в нормальных условиях не работает, но он управляет перемещением поршня 44 в осевом направлении в случаях, когда основной ролик 53 стремится оторваться от дорожки 54 качения, образующей профиль кулачка. Таким образом во время работы может быть предотвращен нежелательный подъем основного ролика 53 по отношению к дорожке 54. Дорожка качения для дополнительного ролика 55, как показано на фиг. 5a, обычно расположена на определенном расстоянии от дорожки 56a качения основного ролика 53.
На фиг. 6-8 "синусоидальная" кривая 54' изображена с первым, относительно крутым и относительно прямолинейным участком 60, с последующим более или менее дугообразным, образующим вершину переходным участком/мертвым участком 61, со вторым проходящим относительно более полого и относительно прямолинейно криволинейным участком 62 и последующим дугообразным переходным участком/мертвым участком 63. Тем не менее, эти криволинейные контуры недостаточно точно воспроизводят криволинейные контуры, применяемые в соответствии с изобретением, при этом примеры истинных криволинейных контуров более подробно изображены на фиг. 12 и 13.
"Синусоидальная" кривая 54' и "синусоидальная" поверхность 54 изображены на фиг. 6-8 с двумя вершинами 61 и двумя впадинами 63, а также с двумя парами криволинейных участков 60, 62. На фиг. 6-8 изображены три поршня 44 и их соответствующие основные ролики 53, расположенные в эквивалентных положениях вдоль взаимодействующей с ними "синусоидальной" кривой во взаимно различающихся, следующих друг за другом положениях. Как видно из чертежа, наличие относительно коротких первых криволинейных участков 60 приводит к тому, что в любой момент времени только один основной ролик 53 находится на одном коротком криволинейном участке, а два или примерно два основных ролика 53 находятся на двух более длинных криволинейных участках 62. Говоря иными словами, применяемые для хода сжатия и для хода расширения криволинейные участки изображенного на чертеже криволинейного контура могут иметь разную форму. Кроме того, в любой момент времени обеспечено наложение двух основных роликов 53 на ход расширения, тогда как третий основной ролик 53 выполняет часть хода сжатия. На практике перемещение поршня 44 в осевом направлении во время хода сжатия происходит с относительно более высокой скоростью перемещения, чем при ходе расширения. Различие в скорости во время этих ходов не оказывает вредного влияния на вращение вала 11. Напротив, при таком асимметричном выполнении криволинейных участков 60, 62 относительно друг друга могут быть достигнуты более однородные и менее склонные к возникновению вибраций перемещения в двигателе.
Кроме того, достигнуто увеличение времени, соответственно приходящегося на ход расширения, по отношению к времени, отведенному на ход сжатия.
В варианте выполнения, изображенном на фиг. 6-8, выбран рабочий цикл, имеющий дуговую длину, составляющую 180o, при этом дуговая длина хода расширения приблизительно равна 105o, а соответственно дуговая длина хода сжатия составляет приблизительно 75o. Тем не менее, фактические дуговые длины могут лежать в диапазоне, например, от 110o до 95o для хода расширения и соответственно от 70o до 85o для хода сжатия.
При применении, например, трех цилиндров 21, взаимодействующих с тремя парами поршней 44, 45, как описано выше, на каждый полный оборот вала 11 приходится по две вершины 61 и по две впадины 63, то есть каждая пара поршней 44, 45 выполняет по два хода расширения за один оборот.
При применении, например, четырех пар поршней соответственно возможно применение трех вершин и трех впадин, то есть три хода расширения поршней приходится на один оборот.
В варианте выполнения, изображенном на фиг. 9-10, рассматривается пятицилиндровый двигатель с пятью парами поршней, взаимодействующих с двумя вершинами и двумя впадинами, то есть с двумя ходами расширения поршней на один оборот.
Типичная конструкция предлагаемого кулачкового направляющего устройства
Ниже следует более подробное описание предпочтительного варианта выполнения, соответствующего предложенному принципу "синусоидальной поверхности", со ссылками на фиг. 9 и 10 и на примере пятицилиндрового двухтактного двигателя внутреннего сгорания с двумя содержащимися в нем взаимно отличающимися кулачковыми направляющими кривыми 8a и 8b, изображенными на фиг. 9 и 10, а также на фиг. 12 и 13.
На фиг. 14 схематично изображена усредненная теоретическая кулачковая направляющая кривая 8c, характеризующая изменение объема рабочей камеры К от его минимума, а именно от камеры К1, имеющей место при нахождении поршней в мертвых зонах 4a и 4b, до его максимума, а именно максимально большой рабочей камеры К, имеющей место при нахождении поршней в мертвых точках Oa и Ob (см. фиг. 9 и 10 и 12-14).
В соответствии с изобретением, кривая 8b, как изображено на фиг. 12-14, показана в мертвой точке Ob, смещенной по фазе вперед по сравнению с мертвой точкой Oa кривой 8a на угол вращения, составляющий 14o.
Направление вращения кривых 8a и 8b или, другими словами, направление вращения вала 11 обозначено стрелкой Е.
На фиг. 9 и 10 схематично изображены пять цилиндров 21-1, 21-2, 21-3, 21-4 и 21- 5, относящиеся к двум взаимодействующим с ними кривым 8a и двум кривым 8b, схематично изображенным в развертке на одной и той же плоскости. Пять цилиндров 21-1, 21-2, 21-3, 21-4 и 21-5 изображены в соответствующих угловых положениях с угловым промежутком между ними, составляющим 72o, то есть в положениях, при которых они равномерно распределены вокруг оси поворотного вала 11.
На фиг. 12 изображена первая кривая 8a, имеющая угловую длину, равную 180o, от положения 0o/360o до положения 180o. Соответствующая кривая 8a, изображенная на фиг. 9, проходит на соответствующую угловую длину, составляющую 180o, от положения 180o до положения 360o. Другими словами, на каждый полный оборот приводного вала приходится по две следующие друг за другом кривые 8a.
Кривая 8a имеет в положении 0o/360o первую мертвую точку Oa. От положения 0o до положения 38,4o проходит первый переходный участок 1a, соответствующий первой части хода сжатия, от положения 38,4o до положения 59,2o - проходящий наклонно вверх прямолинейный участок 2a, соответствующий основной части хода сжатия, и от положения 59,2o до положения 75o - второй переходный участок 3а, соответствующий конечной части хода сжатия.
Затем от положения 75o до положения 85o проходит прямолинейный мертвый участок 4a, находящийся в связи со второй мертвой точкой и проходящий на угловую длину, равную 10o.
От положения 85o до положения 95,8o проходит переходный участок 5a, от положения 95,8o до положения 160o - проходящий наклонно вниз прямолинейный участок 6a, а от положения 160o до положения 180o - переходный участок 7a. Три участка 5a, 6a, 7a вместе образуют участок расширения.
В положении 180o снова показана мертвая точка Oa, а за ней кулачковая направляющая кривая продолжается далее по второй соответствующей кривой 8a, от положения 180o до положения 360o, или, другими словами, две кривые 8a вместе простираются на дуговую длину, равную 360o.
На фиг. 13 изображен эквивалентный (в зеркальном отражении) криволинейный контур другой кривой 8b, на которой имеется мертвая точка Ob и следующие друг за другом криволинейные участки 1b - 7b.
Мертвая точка на кривой 8b показана в положении 346o,
криволинейный участок 1b - между положениями 346o и 3o,
криволинейный участок 2b - между положениями 3o и 60o,
криволинейный участок 3b - между положениями 60o и 75o,
криволинейный участок 4b - между положениями 75o и 80o,
криволинейный участок 5b - между положениями 80o и 101,5o,
криволинейный участок 6b - между положениями 101,5o и 146o,
криволинейный участок 7b - между положениями 146o и 166o, то есть с мертвой точкой Ob, снова показанной в положении 166o.
Кулачковая направляющая кривая далее проходит по соответствующей кривой 8b от положения 166o до положения 34o6, как показано на фиг. 10.
Первая кривая 8a, изображенная на фиг. 12, управляет открытием (положение 160o/340o) и закрытием (положение 205o/25o) выпускных окон 25.
Вторая кривая 8b, изображенная на фиг. 13, управляет открытием (положение 146o/326o) и закрытием (положение 185o/5o) продувочных окон 24.
При схематичном сравнении кривых 8a и 8b на фиг. 14 между мертвыми точками Oa и Ob показано фазовое смещение, составляющее 14o. Кривая 8b, изображенная на фиг. 14 штриховой линией, показана для удобства сравнения в зеркальном отражении по отношению к кривой 8a, которая в свою очередь изображена на фиг. 14 сплошной линией. Штрих-пунктирной линией изображена усредненная теоретическая кривая 8с, изображающая криволинейный контур, с большей или меньшей точностью соответствующий контуру математической синусоиды.
На фиг. 9 и 10 показана "синусоидальная" поверхность 8b в положении, смещенном на 14o вперед по отношению к положению "синусоидальной" поверхности 8a. Пять цилиндров 21-1, 21-2, 21-3, 21-4 и 21-5 изображены в следующих друг за другом положениях по отношению к взаимодействующей с ними "синусоидальной" поверхности, при этом каждый из них находится в последовательных положениях рабочего цикла, как показано в таблицах 1 и 2.
С другой стороны, выпускные окна 25 удерживаются открытыми на дуговой длине, составляющей 39o, то есть на дуговой длине, которая имеет фазовое смещение, равное 14o, относительно дуговой длины, на протяжении которой открыты продувочные окна 24, как показано на фиг. 14.
Соответственно, продувочные окна 24 могут оставаться открытыми на дуговой длине, равной 20o (см. криволинейные участки 1a- 3а на фиг. 12 и участок A' с одинарной штриховкой на фиг. 14), уже после того, как происходит закрытие выпускных окон 25. Это означает, что камера сжатия на протяжении упомянутой выше дуговой длины, равной 20o, может быть, помимо остального, запитана избытком продувочного воздуха, то есть заполнена сжатым воздухом сверх нормы.
Как явствует из отмеченных на фиг. 14 отдельных заштрихованных участков В', до того, как открываются продувочные окна 24, выпускные окна 25 могут удерживаться открытыми на протяжении дуговой длины, равной 14o.
Участки A' и В' изображают осевые размеры выпускных и продувочных окон соответственно 25 и 24 в соответствующей внешней части рабочей камеры К. Таким образом, окна 24 и 25 на обоих концах рабочей камеры К могут иметь одинаковую высоту. Эта высота обозначена на фиг. 12-14 как λ2.
На протяжении угловой зоны "синусоидальной" поверхности 8b, равной 5o (от положения 75o до положения 80o, как, в частности, показано на фиг. 13), и на протяжении угловой зоны кривой 8a, равной 10o (от положения 75o до положения 85o, как, в частности, показано на фиг. 12), соответствующие взаимодействующие поршни 44 и 45 удерживаются максимально сдвинутыми с минимальным промежутком λ между днищем 44a поршня и средней линией рабочей камеры, равным, например, 15 мм.
Следует отметить, что, как показано на фиг. 12, на протяжении дуговой длины, равной 36,6o, от положения 59,2o до положения 95,8o, происходит сравнительно небольшое изменение промежутка между днищами поршней. Промежуток от днища 44a до средней линии 44' изменяется от минимума, равного λ = 15 мм (на мертвом участке 75o - 80o) до промежуткa λ*, составляющего 20 мм (положение 93o на фиг. 11).
Соответственно, промежуток между днищем поршня и средней линией 44' изменяется от минимума, составляющего λ = 15 мм, на мертвом участке 75 - 80o до промежутка λ**, составляющего 25 мм, в положении 57o, изображенном на фиг. 11.
На протяжении длины дуги, равной 36,6o, объем камеры К1 между поршнями 44, 45 сохраняется почти постоянным.
Комбинированные эффекты от фазового смещения двух "синусоидальных" поверхностей
На фиг. 14 схематично и наглядно, в зеркальном отражении относительно друг друга, изображены контуры двух соответствующих кривых 8a, 8b. Кривая 8a изображена сплошной линией в своем действительном виде, тогда как кривая 8b, изображенная штриховой линией, приведена в зеркальном отражении относительно средней линии между поршнями 44, 45. Кривая 8c является теоретическим усреднением кривых 8a, 8b. Очевидно, что контур усредненной кривой 8c более близок к синусоиде, чем контуры отдельных кривых 8a, 8b. Следовательно, даже если по отдельности контуры кривых 8a, 8b являются асимметричными, может быть получен относительно симметричный контур усредненной кривой 8c.
Ввод топлива
В конце фазы сжатия на криволинейных участках 3а и 3b внутрь вращающегося потока продувочного воздуха вводится топливо в виде разбрызгивающейся струи, которое эффективно смешивается/распыляется в этом потоке.
Устройство инициирования воспламенения
Непосредственно после ввода топлива, то есть в конце фазы сжатия на участках 3а и 3b инициируется воспламенение, управляемое электронными средствами. Предусмотренные меры обеспечивают эффективное вращение газовой смеси продувочного воздуха и топлива в виде топливного облака мимо запального устройства. В соответствии с изобретением имеется благоприятная возможность задержки зажигания, составляющей 7 - 10% по сравнению с обычным углом опережения зажигания.
Фаза сгорания
В изображенном на приведенных чертежах варианте выполнения сгорание начинается непосредственно после воспламенения и в основном происходит на протяжении ограниченной зоны, в которой поршни в целом занимают максимально приближенное друг к другу положение, то есть в конце криволинейной зоны 3а, 3b, а именно в зоне, в которой поршни подвергаются минимальному осевому перемещению. Сгорание происходит в основном или в значительной мере там, где поршни 44, 45 удерживаются в покое на внутреннем мертвом участке 4a и 4b, то есть на протяжении дуговой длины, соответственно равной 10o и 5o. Тем не менее при необходимости в большей или меньшей степени горение также продолжается на последующем переходном участке 5a, 5b, а в зависимости от скорости вращения вала 11 также и на основном участке 6a, 6b расширения. Вследствие вращения топливного облака в камере К1 на мертвом участке 4a, 4b, а также благодаря сравнительно короткому фронту горения в дискообразной камере К1, во всех случаях может быть обеспечено воспламенение топлива в основной части топливного облака в камере К1, то есть на протяжении мертвого участка 4a, 4b. На практике может быть обеспечена возможность расширения камеры сгорания на участок 5a, 5b, в непосредственной близости от мертвых участков 4a, 4b, в значительной мере сопровождаемого соответствующими преимуществами в ограниченном объеме рабочей камеры К.
Скорость горения
Скорость горения, как известно, составляет приблизительно 20-25 м/с. С применением удвоенного комплекта топливных форсунок и соответствующего удвоенного комплекта запальных устройств, размещенных в каждой четверти периферии рабочей камеры, как показано на фиг. 4a, зона горения может быть эффективно распространена по всей камере К1. Таким образом, на практике может быть достигнут особенно благоприятный режим горения со сравнительно короткими факелами.
Оптимальная температура горения
В результате применения сосредоточенной зоны 3а, 3b воспламенения/горения, ограниченной в камере К непосредственно перед сокращением последней до камеры К1, а также применения зоны 5a, 5b, то есть непосредственно после некоторого превышения рабочей камерой К пределов камеры К1, то есть в объединенной зоне 3а-5a и 3b-5b, в которой поршни 44, 45 находятся в покое или почти в покое, существует возможность повышения температуры горения от обычной, составляющей приблизительно 1800oC, примерно до 3000oC. Таким образом, существует возможность достижения оптимального (почти на 100%) сгорания топливного облака еще до того, как поршни 44, 45 действительно начнут ход расширения, то есть в конце криволинейных участков 5a, 5b.
Керамическое кольцо
Для обеспечения возможности применения высоких температур в особенности в камере К1, а также и на последующем участке 5a, 5b зоны горения в конструкции двигателя имеется керамическое кольцо, то есть керамическое покрытие, нанесенное в кольцевой зоне рабочей камеры К, соответствующей зоне горения (3а - 5a, 3b - 5b). Керамическое кольцо, ширина которого на фиг. 12-14 обозначена штриховой линией 70, охватывает всю камеру К1 и, кроме этого, проходит дальше в наружном направлении в камеру сгорания на расстояние, равное λ3.
Предварительный ход расширения
В самом начале хода расширения, по меньшей мере после сгорания значительных порций топлива в указанной выше зоне горения (3а - 5a, 3b - 5b) присутствуют в целом оптимальные движущие силы. Более конкретно это означает, что благодаря кулачковой направляющей, проходящей по кривым 8a и 8b, достигается оптимальный приводной момент, возникающий непосредственно в начале хода расширения в переходной зоне 5a, 5b и возрастающий в ней же до максимума. Приводной момент сохраняет в значительной степени постоянную величину в течение хода расширения, в зоне 6a, 6b, и по меньшей мере в начале этой зоны, что является результатом возможного последующего горения топлива в этой зоне, независимо от происходящего постепенного расширения объема камеры К по мере продвижения хода расширения вперед через эту зону.
Фаза расширения
В изображенном на чертежах предложенном варианте выполнения фаза сжатия имеет место на протяжении участков кривых 8a, 8b, проходящих под углами наклона, соответственно приблизительно равными 25o и 36o, то есть со средним углом (см. фиг. 14), равным приблизительно 30o. При необходимости углы наклона, а также средний угол могут быть увеличены, например, приблизительно до 45o или более. Соответственно фаза расширения в изображенном варианте выполнения имеет место при углах, равных приблизительно 22o и 27o, соответственно на кривых 8a и 8b, то есть при среднем угле (см. фиг. 14), составляющем приблизительно 24o.
Вследствие сравнительно крутого, проходящего под углом 30o криволинейного среднего контура на фазе сжатия и относительно более пологого, проходящего под углом 24o контура на фазе расширения достигнуто особенно благоприятное увеличение длительности хода расширения во времени по отношению к длительности хода сжатия.
В соответствии с изобретением благодаря указанному несимметричному соотношению скоростей перемещения в ходе сжатия и в ходе расширения существует возможность смещения начала процесса сгорания в фазе сжатия ближе к внутренней мертвой точке и, таким образом, возможность смещения по времени большей части процесса сгорания к началу фазы расширения, что не имеет отрицательных последствий для процесса сгорания. Соответственно, может быть достигнуто более хорошее управление движущей силой сгорания топлива в фазе расширения и более эффективное ее использование, чем это имеет место в известных решениях. Кроме того, неуправляемое сгорание, возможность возникновения которого существует в некоторых случаях, может быть смещено с фазы сжатия через мертвую точку к фазе расширения, таким образом происходит обращение таких "точек давления", вызывающих неуправляемое сгорание в фазе сжатия, в полезную работу в фазе расширения.
Путем удлинения фазы расширения за счет фазы сжатия в последней достигается относительно более быстрое, чем в фазе расширения, перемещение поршня. Это оказывает влияние на каждый комплект поршней двигателя внутреннего сгорания в каждом единичном рабочем цикле.
Эффект вращения в рабочей камере
В рабочей камере существует установившееся вращение газов, вызываемое выпуском выхлопных газов через расположенные под углом выпускные окна 25 (см. фиг. 2), за которым следует нагнетание продувочного воздуха через расположенные под углом продувочные окна 24 (см. фиг. 3). Таким образом устанавливается вращение или, более точно, спиральная траектория движения потока газа, как обозначено стрелкой 38 в цилиндре 21-1 на фиг. 9, которое/которая сохраняется на протяжении всего рабочего цикла. В ходе рабочего цикла происходит возобновление эффекта вращения, а именно во время фаз ввода топлива, воспламенения и сгорания.
В результате в рабочем цикле во время изменения направления движения поршней газовому потоку 38 придается новое вращательное воздействие благодаря вводу топлива через форсунку 36 и последующему воспламенению топлива запальным устройством 39, при этом сопутствующее сгорание создает фронт горения, имеющий неизменное направление, с сопутствующим фронтом волны сжатия, который приблизительно совпадает с уже установившимся газовым потоком 38. Поэтому эффект вращения сохраняется во время всего хода сжатия и возобновляется во время изменения направления движения поршней путем ввода топлива через расположенную под углом форсунку 37, как показано на фиг. 4a, через соответственно расположенное под углом выходное отверстие 36 форсунки. Дополнительные эффекты вращения достигаются в фазе сгорания.
Дополнительное еще большее возрастание эффекта вращения может быть получено в предложенной конструкции, изображенной на фиг. 4b, путем применения дополнительной (второй) топливной форсунки 37a, смещенной на некоторый угол по отношению к первой топливной форсунке 37, а также благодаря применению дополнительного воспламеняющего устройства 39a, смещенного на некоторый угол по отношению к первому воспламеняющему устройству 39. Когда в конце рабочего цикла выпускные окна 25 открываются снова, выпуск выхлопного газа происходит с высокой линейной скоростью, а значит и с большой скоростью вращения, имеющей место во время выпуска выхлопного газа через расположенные под углом выпускные окна. Затем эффект вращения выхлопных газов поддерживается непосредственно после открытия расположенных под углом продувочных окон 24 так, что посредством этого эффекта остатки выхлопных газов продуваются наружу из рабочей камеры К в конце фазы расширения и в начале фазы сжатия. После закрытия выпускных окон эффект вращения сохраняется, при этом продувочные окна продолжают удерживаться в открытом положении на протяжении значительной дуговой длины.
Регулирование степени сжатия двигателя во время работы
В соответствии с изобретением существует возможность регулирования объема между поршнями 44, 45 цилиндра 21 путем регулирования величины промежутка между этими поршнями. Таким образом, при необходимости существует возможность непосредственного регулирования степени сжатия в цилиндре 21, например, простым способом регулирования, приспособленным к принципу "синусоидальной поверхности", непосредственно во время работы двигателя.
В предложенном изобретении особый интерес представляет изменение степени сжатия при пуске двигателя, а именно при холодном пуске, по отношению к наиболее благоприятной степени сжатия, возможной во время обычной работы. Однако интерес может представлять также изменение степени сжатия во время работы, выполняемое по различным другим причинам.
Конструктивное решение для предложенного регулирования основано на способе регулирования, управляемом давлением масла. В другом случае для регулирования степени сжатия может быть применен, например, способ регулирования с электронным управлением, не приведенный в настоящем описании.
В другом случае для поршня 45 также может быть применена соответствующая возможность регулирования путем замены кулачкового направляющего устройства 12a на кулачковое направляющее устройство, аналогичное устройству 12b.
Очевидно, что в предложенном изобретении существует возможность регулирования положения обоих поршней 44, 45 во взаимодействующем с ними цилиндре 21 посредством их соответствующих кулачковых направляющих устройств с соответствующими отдельными возможностями их регулирования независимым способом.
Очевидно также, что регулирование положения поршней 44, 45 в цилиндре при необходимости может быть выполнено для обоих поршней одновременно или по отдельности.
На фиг. 15 и 16 схематично изображена альтернативная конструкция некоторых деталей кулачкового направляющего устройства, обозначенного номером 112a позиции, а также взаимодействующего с ним шатуна, обозначенного номером 148 позиции, и двух нажимных роликов, обозначенных номерами 153 и 155.
Кулачковое направляющее устройство 112a
В конструкции, изображенной на фиг. 1, устройство 12a имеет сравнительно громоздкую конструкцию с взаимодействующими с этим устройством роликами 53 и 55, расположенными друг за другом в радиальном направлении устройства 12a, то есть один ролик 53 расположен с радиальным отступом в наружном направлении от другого ролика 55, а взаимодействующие с ними "синусоидальные" канавки 54, 55c изображены соответственно по отдельности в радиальном направлении на каждом из своих радиальных выступов.
В альтернативной конструкции, приведенной на фиг. 15 и 16, устройство 112a изображено вместе с взаимодействующими с ним нажимными шарами 153, 155, расположенными последовательно в осевом направлении устройства 112a или точнее с шаром на каждой соответствующей стороне отдельного общего выступа, выполненного в виде кольцевого буртика 112, находящегося между шарами. Буртик 112 изображен с верхней "синусоидальной" кривой, образующей "синусоидальную" канавку 154, служащую направляющей для верхнего нажимного шара 153, который является основным опорным шаром шатуна 148, а также с нижней "синусоидальной" кривой, образующей "синусоидальную" канавку 155a, служащую направляющей для нижнего нажимного шара 155, являющегося дополнительным опорным шаром шатуна 148. Канавки 154 и 155a, как изображено на фиг. 15, в боковом направлении имеют вогнутую закругленную форму, соответствующую сферическому контуру шаров 153, 155. Буртик 112 имеет сравнительно небольшую толщину, но это ослабление прочности может быть компенсировано тем, что этот буртик 112 имеет в окружном направлении "синусоидальный" криволинейный контур, способствующий повышению его прочности, как это видно на проходящем наклонно сечении буртика 112, изображенном на фиг. 16. На фиг. 15 буртик 112 изображен в сечении частично, тогда как на фиг. 16 изображен поперечный разрез периферийной ограниченной части буртика 112, если смотреть изнутри буртика 112.
В обоих кулачковых направляющих устройствах могут быть применены в значительной мере аналогичные варианты выполнения указанных выше деталей, то есть схожую конструкцию может также иметь не изображенное на прилагаемых чертежах кулачковое направляющее устройство, являющееся функциональным аналогом нижнего кулачкового направляющего устройства, изображенного на фиг. 1.
Шатун 148
На фиг. 1 изображен трубчатый шатун 48, имеющий относительно большой объем, тогда как в альтернативном варианте, изображенном на фиг. 15 и 16, имеется более тонкий, компактный стержневидный шатун 148, имеющий С-образную головную часть 148a с двумя расположенными напротив друг друга держателями 148b, 148c для соответствующих нажимных шаров 153, 155.
Шатун 148 может быть снабжен внешней винтовой резьбой (не показана), которая так взаимодействует с внутренней винтовой резьбой головной части, что возможно регулирование требуемого осевого положения взаимодействующего с ним держателя 148b по отношению к головной части 148a. Кроме того, это может способствовать облегчению установки держателя 148b и взаимодействующего с ним шара 153 по отношению к буртику 112.
На фиг. 16 буртик 112 изображен с минимальной толщиной своего наклонно проходящего участка, но наряду с этим буртик 112 может иметь настолько увеличенную толщину (в описании не приведено) на вершинах и впадинах "синусоидальной" кривой, что по всей периферии буртика 112 между шарами 153, 155 может быть обеспечено сохранение постоянного или почти постоянного расстояния.
Номером 100 позиции обозначен впуск смазочного масла, который внутри С-образной головной части 148a разветвляется на первый канал 101, ведущий к выпуску 102 смазочного масла в верхнем держателе 148b, и на второй канал 103, ведущий к выпуску 104 смазочного масла в нижнем держателе 148c.
Нажимные шары 153, 155
Вместо изображенных на фиг. 1 роликов 53, 55, установленных на шариковых подшипниках, на фиг. 15 и 16 изображены нажимные шары 153, 155. Шары 153, 155 установлены в основном с возможностью сравнительно прямолинейного качения по взаимодействующим с ними "синусоидальным" канавкам 154, 155a, но кроме этого они при необходимости имеют возможность некоторой степени бокового качения в соответствующей канавке. Шары 153 и 155 выполнены одинаково, поэтому держатели 148a, 148b и взаимодействующие с ними сферические гнезда также могут быть выполнены взаимно одинаково, так что "синусоидальные" кривые 154, 155a также могут быть выполнены взаимно одинаково.
Шары 153, 155 изображены полыми, в виде оболочек с относительно небольшой толщиной стенок. Благодаря этому шары имеют небольшой вес и малый объем, а кроме того достигнута некоторая эластичность шаров для местного демпфирования пиков сил давления, возникающих непосредственно в шаре.
На фиг. 17 и 18 изображена пара направляющих стержней 105, 106, проходящих через внутренние направляющие канавки 107, 108 вдоль противоположных сторон головной части 148a шатуна 148.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 1998 |
|
RU2178528C2 |
| БЕСКРИВОШИПНЫЙ ДВУХТАКТНЫЙ ДИЗЕЛЬ | 1997 |
|
RU2128774C1 |
| ПОРШНЕВАЯ МАШИНА | 2004 |
|
RU2267011C2 |
| ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ПОСЛОЙНОЙ ПРОДУВКОЙ | 2009 |
|
RU2466281C1 |
| ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 1999 |
|
RU2162157C2 |
| ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ) И ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО ИЛИ СУДНО, СОДЕРЖАЩЕЕ ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ | 2004 |
|
RU2398119C2 |
| ПОРШНЕВОЙ ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 2020 |
|
RU2749543C1 |
| БЕСКРИВОШИПНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ | 1999 |
|
RU2182241C2 |
| АКСИАЛЬНЫЙ ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С КАЧАЮЩИМСЯ БЛОКОМ КАРДАННЫХ ПОДВЕСОВ | 2016 |
|
RU2629301C1 |
| ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ЦЕНТРАЛЬНЫМ РОТОРНЫМ ВАЛОМ | 2007 |
|
RU2341667C1 |
Двигатель предназначен для использования в энергомашиностроении в качестве поршневого ДВС. Двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндры, которые расположены кольцом вокруг общего среднего приводного вала и оси которых проходят параллельно этому валу. Каждый цилиндр содержит два поршня, установленных с возможностью перемещения навстречу друг другу и друг от друга и работающих в общей промежуточной рабочей камере. Каждый поршень посредством шатуна вместе с взаимодействующим с ним опорным роликом образует опору, а его управление осуществляется посредством "синусоидальной" поверхности ("синусоидальной" кривой) в кулачковом управляющем устройстве. Поршни в каждом цилиндре имеют взаимно отличающиеся фазы хода, управляемые взаимно отличающимися кулачковыми направляющими устройствами. Кулачковые направляющие устройства выполнены с эквивалентными, взаимно отличающимися "синусоидальными" поверхностями ("синусоидальными" кривыми). Изобретение обеспечивает увеличение мощности двигателя. 4 з. п. ф-лы, 18 ил. , 2 табл.
| Торцовая электрическая машина | 1990 |
|
SU1802902A3 |
| US 1352985 A, 14.09.1920 | |||
| US 4432310 A, 21.02.1984 | |||
| СТУПЕНЧАТО РЕГУЛИРУЕМЫЙ АКСИАЛЬНО-ПОРШНЕВОЙ ГИДРОМОТОР | 0 |
|
SU318719A1 |
