ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2013 года по МПК F02B75/28 F01B7/04 

Изобретение «Двигатель внутреннего сгорания» относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в различных энергетических установках, в автомобилях, летательных аппаратах и др.

Известен двигатель, содержащий дугообразные цилиндры, размещенные в них встречно движущиеся поршни с образованием общей камеры сгорания, механизм газораспределения, выполненный в виде окон продувки и впрыска топлива, связанный с поршнями механизм преобразования движения, выполненный в виде кривошипно-шатунного механизма (см. патент World Intellectual Property Organization № WO 2007/145881, 2007 г.).

Недостаток этого двигателя заключается в использовании в конструкции двух коленвалов и сложности конструкции. Также, недостатком этого двигателя, в частности, и, в общем, всех двигателей, использующих дугообразный цилиндр, является то, что при движении поршня, траектория точек поршня, ближних к центру дуги цилиндра, короче, чем траектория более дальних точек от центра дуги цилиндра. В связи с чем скорости потоков газов в цилиндре сильно разнятся, что приводит к ухудшению газодинамических процессов, происходящих в цилиндре.

Известен двигатель, содержащий дугообразный цилиндр, поршень, перемещающийся вдоль стенок цилиндра, шток, соединенный шарнирно с шатуном коленвала (см. патент РФ №2042038, опубл. 1995).

Данный двигатель не может достаточно эффективно использовать энергию сгоревшего топлива, т.к. сила давления газов сгоревшего топлива действует на один поршень, в связи с чем крутящий момент от силы давления газов будет ниже.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр, размещенные в нем два оппозитно расположенных и встречно движущихся поршня с шатунными тягами, коленчатый вал, механизм преобразования движения поршней во вращательное движение коленчатого вала, выполненный с коромыслами по числу поршней, противолежащие шатуны коленчатого вала, причем шатунные тяги поршней шарнирно связаны с первыми плечами коромысел, а шатуны коленчатого вала шарнирно связаны со вторыми плечами соответствующих коромысел (см. И.И.АРТОБОЛЕВСКИЙ. Механизмы в современной технике. Том 2. Кулисно-рычажные и кривошипно-ползунные механизмы. М.: Наука, с.486, рис.1495).

Недостатком указанного двигателя являются низкие эффективность и экономичность.

В качестве прототипа выбран двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр, размещенные в нем с образованием общей камеры сгорания два оппозитно расположенных и встречно движущихся поршня с шатунными тягами, коленчатый вал. Механизм газораспределения выполнен в виде окон продувки и впрыска топлива. Механизм преобразования движения поршней во вращательное движение коленчатого вала выполнен с коромыслами по числу поршней. Шатунные тяги поршней шарнирно связаны с первыми плечами коромысел, а шатуны коленчатого вала шарнирно связаны со вторыми плечами соответствующих коромысел. Два противолежащих шатуна коленчатого вала расположены соответственно во взаимно пересекающихся плоскостях, перпендикулярных плоскости вращения коленчатого вала. Шатуны коленчатого вала расположены таким образом, что при положении одного из них в положении верхней или нижней мертвой точки связанного с ним поршня другой шатун находится в положении, отличном от верхней или нижней мертвой точки связанного с ним поршня (Патент РФ №2184864, опубл. 10.07.2002).

Задачей изобретения является повышение экономичности, мощности, экологичности и эффективности работы, упрощение конструкции двигателя, уменьшение общих габаритов двигателя, значительное снижение нагрузки в механизме преобразования движения и удельной массы, повышение ресурса работы двигателя.

Поставленная задача решается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус, по меньшей мере один рабочий цилиндр, два оппозитно расположенных и встречно движущихся поршня, размещенных в цилиндре с образованием общей камеры сгорания и соединенных с маятниками, оси маятников; тяги; шатуны; коленчатый вал; механизм газораспределения, выполненный в виде окон продувки и выпуска, форсунки впрыска топлива, цилиндр двигателя имеет изогнутую форму и выполнен в виде двух торообразных участков противоположной направленности, оси которых лежат в одной плоскости; противолежащие шатуны коленчатого вала шарнирно связаны с тягами, соединенными с осями маятников, причем при положении одного из шатунов в положении внешней или внутренней мертвой точки связанного с ним поршня другой шатун находится в положении, отличном от внешней или внутренней мертвой точки связанного с ним поршня; зазор между поршнями и стенкой цилиндра неизменен при любом положении коленчатого вала.

Противолежащие шатуны могут находиться на противолежащих шейках коленчатого вала

Противолежащие шатуны могут находиться на одной шейке коленчатого вала.

Изогнутый цилиндр с поршнями и маятниками может быть заключен в отдельный корпус. В этом случае, рабочий ход поршней может быть использован для наддува воздуха из подпоршневого пространства, а движение поршней во время сжатия рабочего тела может быть связанным с всасыванием воздуха в подпоршневое пространство.

Шейки коленчатого вала могут быть расположены несимметрично оси коленчатого вала.

Оси маятников могут соединяться с маятниками, по количеству больше одного, причем возможен вариант, когда один маятник, соединенный с осью маятников, связан с поршнем, находящимся во внешней мертвой точке, а другой маятник связан с другим поршнем, находящимся во внутренней мертвой точке.

Оси маятников могут попарно находиться одна внутри другой, соосной первой.

Каждый маятник может быть жестко соединен с поршнями, по количеству больше одного, которые движутся в соответствующих им цилиндрах.

При использовании четырехтактного цикла количество маятников с поршнями, находящимися в соответствующих цилиндрах и соединенных с осями маятников, удваивается.

Механизм преобразования движения может быть выполнен в виде, когда колебательное угловое движение маятников преобразуется во вращательное движение выходного вала посредством косого кривошипа с качающимися шайбами через связанные с ними рамки.

На фиг.1 представлена схема двигателя, когда шатуны находятся на противоположных шейках коленчатого вала. На фиг.2 представлена схема двигателя, когда шатуны находятся на одной шейке коленчатого вала. На фиг.3 представлена схема двигателя, когда рабочий изогнутый цилиндр помещен в отдельный корпус. На фиг.4 изображена схема двигателя, когда оси маятников могут попарно находиться одна внутри другой, соосной первой. На фиг.5 изображена принципиальная схема двигателя, когда колебательное угловое движение маятников преобразуется во вращательное движение выходного вала посредством косого кривошипа с качающимися шайбами через связанные с ними рамки. На фиг.6 представлена схема двигателя при движения поршней около внутренней мертвой точки (см. описание работы двигателя). На фиг.7 показано сечение по оси цилиндра, на фиг.8 показано сечение по оси шатуна для случая, когда шатуны на разных шейках коленчатого вала. На фиг.9 показано сечение по оси цилиндра, на фиг.10 показано сечение по оси шатуна для случая, когда шатуны на одной шейке коленчатого вала. На фиг.11 и фиг.12 показаны сечения рабочих цилиндров для случая, когда оси маятников могут попарно находиться одна внутри другой, соосной первой. На фиг.13 показано сечение по оси цилиндра, на фиг.14 показано сечение по оси шатуна для рисунка, описывающего принципиальную работу двигателя. На фиг.15 и фиг.16 изображены положения шатунов при положении около внутренней мертвой точки связанных с ними поршней.

Двигатель внутреннего сгорания содержит по меньшей мере один изогнутый цилиндр 1 (фиг.1); размещенные в нем с образованием общей камеры сгорания два оппозитно расположенных и встречно движущихся поршня 2 и 3, соединенные с маятниками 4, 5 по числу поршней, связанных с осями маятников 11 и 12; коленчатый вал 10; механизм газораспределения, выполненный в виде окон продувки и выпуска; форсунки впрыска топлива (не показаны) и противолежащие шатуны 8 и 9 коленчатого вала 10, соединенные шарнирно с тягами 6 и 7, связанными с осями маятников 11 и 12. Два противолежащих шатуна 8 и 9 коленчатого вала 10 расположены таким образом, что при положении одного из них в положении внешней или внутренней мертвой точки связанного с ним поршня другой шатун находится в положении, отличном от внешней или внутренней мертвой точки связанного с ним поршня.

Работа двигателя осуществляется следующим образом.

1. При движении поршней 2 и 3 (фиг.6) к центру цилиндра 1 (коленчатый вал 10 вращается по часовой стрелке), при достижении поршнем 3 внутренней мертвой точки (шейка шатуна 9 находится в точке С, фиг.15), поршень 2 еще не дошел до внутренней мертвой точки (шейка шатуна 8 находится в точке Р), но объем цилиндра между поршнями 2 и 3 уже стал минимальным, согласно тепловым расчетам (так называемый объем камеры сгорания). В этот момент в цилиндре 1 максимальна температура сжатого воздуха.

2. При дальнейшем повороте коленчатого вала (фиг.14) поршень 3 отходит от своей внутренней мертвой точки, а поршень 2 (фиг.13) еще не подошел к своей внутренней мертвой точке - поршни 2 и 3 расположены симметрично оси, проходящей через центры К и М осей маятников 11 и 12 (фиг.15). Объем цилиндра 1 между поршнями 2 и 3 в этом положении коленчатого вала 10 остается приблизительно равным объему цилиндра 1, рассмотренному в п.1.

3. При дальнейшем повороте коленчатого вала (фиг.16) поршень 2 подходит к своей внутренней мертвой точке, а поршень 3 отходит от своей внутренней мертвой точки еще дальше, шейки шатунов 8 и 9 находятся соответственно в точках Е и Н.

Объем цилиндра 1 между поршнями 2 и 3 в этом положении коленчатого вала 10 остается приблизительно равным объему цилиндра 1, рассмотренному в предыдущих пп.1 и 2.

В случае работы двигателя в дизельном варианте впрыск топлива происходит между положениями коленчатого вала 10, рассмотренными в 1 и 3 пунктах, и к моменту, когда коленчатый вал 10 находится в положении, описанном в 3 пункте, топливо в основной своей массе уже воспламеняется, что приводит к резкому повышению давления газов на поршни 2 и 3. Так как поршень 3 в это время уже находится в состоянии, отличном от внутренней мертвой точки, сила давления газов на этот поршень дает тангенциальную составляющую, приложенную к шейке коленчатого вала 10 (точка Н на фиг.16), которая, в свою очередь, развивает крутящий момент двигателя.

Механизм преобразования движения поршней в движение коленчатого вала обеспечивает продувку цилиндра, при которой при рабочем движении поршней выпускные окна открываются раньше, чем впускные. При движении поршней в обратном направлении, выпускные окна закрываются раньше, чем впускные. Благодаря этому, возможен наддув двигателя воздухом.

Возможен вариант работы двигателя в бензиновом исполнении. В этом случае осуществляется впрыск топлива во впускной коллектор в завершающей стадии подачи воздуха либо непосредственно в цилиндр в межпоршневое пространство. Воспламенение топливовоздушной смеси в этом случае осуществляется от свечи зажигания.

Возможен вариант работы двигателя в газодизельном исполнении. В этом случае осуществляется впрыск газа во впускной коллектор в завершающей стадии подачи воздуха либо непосредственно в цилиндр в межпоршневое пространство. Воспламенение газовоздушной смеси в этом случае осуществляется от впрыска и воспламенения дизельного топлива в момент максимального сжатия смеси.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания в различных энергетических установках, преимущественно для транспортных средств. Двигатель внутреннего сгорания содержит корпус, по меньшей мере, один рабочий цилиндр (1), два оппозитно расположенных и встречно движущихся поршня (2) и (3), размещенные в цилиндре (1) с образованием общей камеры и соединенные с маятниками (4) и (5). В двигателе имеются оси (11) и (12) маятников (4) и (5), тяги (6) и (7), шатуны (8) и (9), коленчатый вал (10), механизм газораспределения, выполненный в виде окон продувки и выпуска и форсунки впрыска топлива. Противолежащие шатуны (8) и (9) коленчатого вала (10) шарнирно связаны с тягами (6) и (7), соединенными с осями маятников (11) и (12). Цилиндр (1) двигателя имеет изогнутую форму и выполнен в виде двух торообразных участков противоположной направленности, оси которых лежат в одной плоскости. При положении одного из шатунов или в положении внешней или внутренней мертвой точки связанного с ним поршня другой шатун находится в положении, отличном от внешней или внутренней мертвой точки связанного с ним поршня. Зазор между поршнями (2) и (3) и стенкой цилиндра (1) неизменен при любом положении коленчатого вала (10). Технический результат заключается в уменьшении габаритов двигателя, снижении нагрузки в механизме преобразования движения и увеличении ресурса работы двигателя. 7 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, по меньшей мере, один рабочий цилиндр, два оппозитно расположенных и встречно движущихся поршня, размещенные в цилиндре с образованием общей камеры и соединенные с маятниками, оси маятников, тяги, шатуны, коленчатый вал, механизм газораспределения, выполненный в виде окон продувки и выпуска и форсунки впрыска топлива, отличающийся тем, что противолежащие шатуны коленчатого вала шарнирно связанны с тягами, соединенными с осями маятников, цилиндр двигателя имеет изогнутую форму и выполнен в виде двух горообразных участков противоположной направленности, оси которых лежат в одной плоскости, причем при положении одного из шатунов в положении внешней или внутренней мертвой точки связанного с ним поршня, другой шатун находится в положении, отличном от внешней или внутренней мертвой точки связанного с ним поршня; а зазор между поршнями и стенкой цилиндра неизменен при любом положении коленчатого вала.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что противолежащие шатуны могут находиться на противолежащих шейках коленчатого вала.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что цилиндр с поршнями и маятниками может быть заключен в отдельный корпус.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что шейки коленчатого вала могут быть расположены несимметрично оси коленчатого вала.

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что оси маятников могут соединяться с маятниками, по количеству большим одного, причем, когда один маятник, соединенный с осью маятников связан с поршнем, находящимся во внешней мертвой точке, другой маятник связан с другим поршнем, находящимся во внутренней мертвой точке.

6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что оси маятников могут попарно находиться одна внутри другой, соосной первой.

7. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждый маятник может быть жестко соединен с поршнями, по количеству большим одного, которые движутся в соответствующих им цилиндрах.

8. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что механизм преобразования колебательного углового движения маятников во вращательное движение выходного вала выполнен посредством косого коленчатого вала с качающимися шайбами через связанные с ними рамки.