ВОСЬМИЦИЛИНДРОВЫЙ ОППОЗИТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2015 года по МПК F02B75/28 

Достоинство предлагаемого двигателя - увеличение КПД за счет снижения потерь на трение в цилиндропоршневой группе двигателя внутреннего сгорания и создание конструкции, пригодной для применения в автомобилестроении.

В тепловом балансе двигателя внутреннего сгорания потери на трение в двигателе и приводных механизмах составляют 10-15% от химической энергии топлива, См. Л.1. Плеханов И.П. и др., Автомобиль, М. Просвещение, 1979, стр.24, рис.10.

Другие компетентные авторы отводят на потери от внутреннего сопротивления в двигателе 11%. См. Л.2. Шмидт А., и др. На что расходуем бензин. За рулем, 11/91, стр.39. По японским данным, эти потери составляют 6%. См. Л.3. Побеги, Авторевю, 3/2010, стр.45.

Фирма Nissan стремится снизить потери за счет повышения качества изготовления двигателей.

Уже известны конструкции, в которых сокращены потери на трение в двигателе. См. Л.4. Баландин С.С. Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания. Машиностроение, 1972, стр.4.

Известна также предложенная конструкция, в которой сокращено трение между поршнями и цилиндрами. См. Л.5. Патент RU 2296871. Этот патент принят за прототип. Недостатки прототипа. Поршни двигаются каждый по своей оси. Силы инерции и создаваемый ими инерционный момент - плечо этого момента - расстояние между осями цилиндров, в которых одновременно совершаются рабочие ходы, является причиной неуравновешенности и вибрации. См. Л.6. Неугодников Н. Двухцилиндровый двигатель «ОКИ», За рулем 9/91, стр.11. В упомянутом патенте такое плечо есть - это четверть оборота центрального вала. В прототипе отсутствуют свечи зажигания или форсунки, без которых двигатель внутреннего сгорания работать не может. Также недостаток прототипа - большое число цилиндров - 16, что серьезно усложняет конструкцию. В конструкции Л.4 Баландина С.С. цилиндры расположены оппозитно, поршни соединены штоками и, следовательно, двигаются в одном направлении, а для снижения вибрации используют встречное движение в другой четверке цилиндров. Чем больше цилиндров, тем меньше вибрации, но это приводит к многоцилиндровой схеме. Расположение цилиндров по Х-образной, или +-образной схеме существенно усложняет эксплуатацию. Конструкция известна давно, но в автомобилестроении распространения не получила.

Поэтому стремление к снижению потерь на трение - задача актуальная. Как снижение трения в паре поршень-цилиндр, так и снижение потерь в механизме преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное. Об этом в статье Л.7

«Пластмассовые вкладыши», Авторевю 12/2010, стр.7.

На фиг.1 - схема компоновки восьмицилиндрового оппозитного двигателя. Двигатель состоит из двух одинаковых четырехцилиндровых оппозитных двигателей. Цилиндры собраны в блоки и обозначены для одной четверки 1-4, а для другой 5-8, при этом оси четверки цилиндров расположены на одной линии. Блоки цилиндров размещены на плоской четырехугольной общей раме 10. Обозначения на фиг.1 см. в перечне обозначений. Отдельно четырехцилиндровый двигатель показан на фиг.2. Цилиндры собраны в блоки на картерах 7 и соединены шатунами 26 и 12 с первичным валом 11 и промежуточным 17. Сцепление обозначено 20. Двигатели соединены сцепной муфтой 31 и упругой компенсационной муфтой 28. Двигатель содержит четыре цилиндра 1, четыре поршня 2, два шатуна 3, каждый шток соединяет два поршня, клапаны 4, свечи зажигания 5. Каждая пара цилиндров расположена на своем разборном картере 7. В картере имеются прямолинейные направляющие 27, по которым движутся ползуны 9. Ползуны служат опорой для пальцев 8 и воспринимают боковые усилия от шатунов. Пальцы соединены со штоками 3 и передают усилия от поршней 2. Пальцы расположены симметрично относительно осей штоков. Картеры 7 расположены на раме 10. На раме размещены оси валов - первичного 11 и промежуточного 17. На концах валов 11 и 17 неподвижно посажены маховики 16 и 14. Назначение маховиков - работа двигателя во время вспомогательных тактов. Маховики - одинаковые по размерам и снабжены неподвижно посаженными пальцами 13 и 15. Оси пальцев расположены эксцентрично по отношению к осям валов 11 и 17. Расстояния между осями пальцев и валов равны половине расстояния хода поршней. Пальцы 8 штоков и пальцы маховиков 13 и 15 соединены шатунами 12 и 26. Шатуны расположены симметрично относительно оси цилиндров для исключения изгибающих усилий на штоки и, тем самым, на цилиндры. Для исключения дисбаланса от пальцев и шатунов на маховиках имеются противовесы на противоположной от пальцев стороне. Валы 11 и 17 снабжены неподвижно посаженными зубчатыми колесами 19 и 18. Колеса 18 и 19, одинаковые по размерам и числу зубьев, находятся в постоянном зацеплении и вращаются в противоположных направлениях. Соответственно - встречно или противоположно двигаются поршни в цилиндрах, что обеспечивает компенсацию сил инерции поршней, штоков и шатунов. Пальцы 8, шатуны 12 и 26 и пальцы 13 и 15 образуют эксцентриковый механизм для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение валов 11 и 17. При сборке двигателей колеса 18 и 19 устанавливают так, чтобы поршни приходили в ВМТ /верхние мертвые точки/ или НМТ одновременно при одинаковых тактах в цилиндрах. См. Фиг.3. Первоначальная установка отмечается установочными метками на колесах 18 и 19. На раме 10 расположен вал отбора мощности 21. На этом валу неподвижно посажены диски сцепления 22 и свободно вращается кожух сцепления 20. На кожухе имеется зубчатый венец, который постоянно связан с зубчатым колесом 18. При включении сцепления, движение поршней передается на вал 21. На валу 21 имеется упругая компенсационная муфта 28. См. Л.8, Мовнин М.С., Техническая механика, ч.III, Детали машин, Судпромгиз, 1963, стр.263, рис.192. Эта муфта служит для связи двух четырехцилиндровых двигателей. Муфта позволяет компенсировать незначительные расхождения при установке валов отбора мощности. Муфта 28 обеспечивает синхронное вращение /равенство числа оборотов/ валов отбора мощности, а сцепление 20 - плавное соединение этих валов. На раме 10 размещен вал 29 с подвижной сцепной муфтой 31. Зубчатое колесо 30 неподвижно посажено на вал 29. Колесо 30 постоянно сцеплено с колесом 32. Число зубьев колеса 30 в два раза больше числа зубьев колеса 32. Колесо 32 неподвижно посажено на валу 11 и образует блок с колесом 19. Это обеспечивает вдвое меньшее число оборотов вала 29 по сравнению с валом 11. Сцепная муфта 31 служит для синфазного соединения соединительных валов обоих четырехцилиндровых двигателей. Муфта 31 соединяет соединительные валы всегда при одном положении по углу поворота между ними. См. Л.8, стр.265, рис.195. От вала 17 через неподвижно посаженное зубчатое колесо 23 приводится в действие зубчатое колесо 24 и, соответственно, вал газораспределительного механизма 25, распределительные валы 6 и клапаны 4. На фиг.3 показана схема рабочих циклов оппозитного четырехцилиндрового двигателя. На фиг.3 видно, что вторые и третьи такты - вспомогательные, а такты первый и четвертый - рабочие. Для плавной работы двигателя необходимо равномерное чередование рабочих тактов.

Для этого надо оба двигателя соединить так, чтобы равномерно чередовались рабочие ходы. Это показано на фиг.4. Для этого надо сдвинуть работу любого двигателя на 2 такта. При рабочем ходе в 1-ом и 4-м цилиндрах в 5-м и 8-м цилиндрах будут такты впуска. Такты нетрудно определить по положению клапанов на фиг.3. После этого зафиксировать положение муфты 31 в сцепленном состоянии при заданном положении соединительных валов 29. Так как включенное состояние сцепной муфты 31 возможно только после кратных двум оборотам первичного вала /один оборот валов 29/. При другом числе оборотов муфта не включится. На фиг.4 показано, что через 4 такта /2 оборота первичного вала/ нужное соотношение снова получится. Рабочие ходы в 1-м и 4-м цилиндрах совпадут с тактами впуска в 5-м и 8-м цилиндрах. Сцепная муфта позволяет разъединить двигатели. При любом следующем соединении необходимо только обеспечить включение муфты 31, необходимое соотношение тактов возобновится. Порядок работы 8-цилиндрового двигателя следующий:

1+4-6+7-5+8-2+3

Порядок работы определен по рабочим ходам.

Сцепную муфту можно включать, если числа оборотов двигателей равны или близки, чтобы не было удара. Поэтому нужно сначала синхронизировать двигатели при помощи сцеплений, а затем кратковременно отпустить любое сцепление и быстро включить сцепную муфту. Это не сложнее, чем включение коробки скоростей без синхронизаторов.

Снижение потерь на трение в паре поршень-цилиндр обусловлено тем, что пальцы не передают изгибающие усилия на штоки. Сопряжение пальцев 8 со штоками 3 желательно иметь прямоугольной формы. Между деталями должен быть зазор несколько больше зазора между ползунами 9 и направляющими 27. Штоки должны передавать усилия только вдоль своей оси. Пара ползун - направляющие работает в зоне нормальных температур, где можно применить материалы с малым коэффициентом трения. См. Л.7. И где смазочное масло имеет более высокие свойства, чем в паре поршень-цилиндр, где масло просто выгорает. См. Л.8, стр.229. Поскольку нажим поршня на гильзу цилиндра существенно меньше, пара поршень-цилиндр имеет больший моторесурс, что существенно для автобусов, грузовиков и стационарных двигателей. Конструкция также позволяет снизить потери в паре нижняя головка шатуна - палец маховика, где можно поставить подшипники качения вместо обычно применяемых в большинстве двигателей подшипников скольжения. См. Л.7. Конструкция позволяет.

Достоинства конструкции

1. Повышение КПД и срока службы двигателей за счет снижения потерь на трение.

2. Повышение надежности - возможность работы только от одного любого четырехцилиндрового двигателя.

3. Упрощение конструкции - отсутствуют сложные детали: коленчатый вал и блок цилиндров.

4. Малая вибрация - движение поршней, штоков и шатунов взаимно уравновешено.

5. Легкость обслуживания и ремонта - каждый цилиндр и поршень можно отделить от остальных.

6. Высокая мобильность - двигатель легко разбирается на составные части.

7. Малая высота двигателя.

8. Уменьшенное загрязнение окружающей среды при работе одного двигателя.

См. Л.9. Кутенев В. и др. На испытаниях МСУ. За рулем 6/90. стр.10

Перечень фигур чертежей

Фиг.1 Схема компоновки восьмицилиндрового оппозитного двигателя.

Фиг.2 Четырехцилиндровый оппозитный двигатель.

Фиг.3 Рабочий цикл оппозитного четырехцилиндрового двигателя.

Фиг.4 Чередование тактов в восьмицилиндровом оппозитном двигателе

Перечень обозначений на фигурах 1. - цилиндр 12 - шатун 23 - зубчатое колесо 2. - поршень 13 - палец 24 - зубчатое колесо 3. - шток 14 - маховик 25 - газораспределительный вал 4. - клапан 15 - палец 26 - шатун 5. - свеча зажигания 16 - маховик 27 - направляющие 6. - распределительный вал 17 - промежуточный вал 28 - упругая компенсационная муфта 7. - картер 18 - зубчатое колесо 29 - соединительный вал 8. - палец 19 - зубчатое колесо 30 - зубчатое колесо 9. - ползун 20 - кожух сцепления 31 - сцепная муфта 10 - рама 21 - вал отбора мощности 32 - малое зубчатое колесо. 11 - первичный вал 22 - диск сцепления  

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является снижение потерь на трение. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель состоит из четырех блоков. Блок содержит два оппозитных цилиндра, размещенных на общем для двух цилиндров разъемном картере. Поршни в цилиндрах соединены штоками, снабженными пальцами, симметрично расположенными по отношению к осям штоков. Блоки размещены на плоской четырехугольной раме так, что оси четырех цилиндров находятся на одной линии. Два блока образуют четырехцилиндровый двигатель. Между блоками на раме размещены валы: первичный, промежуточный, соединительный, отбора мощности, газораспределительный. Первичный и промежуточный валы снабжены зубчатыми колесами и маховиками с эксцентрично установленными пальцами, соединенными с пальцами поршней шатунами. Валы соединительные снабжены сцепными муфтами и обеспечивают точно фиксированное по углу поворота соединение. Зубчатые колеса соединительных и первичных валов находятся в постоянном зацеплении. Первичный и промежуточный валы постоянно соединены зубчатыми колесами. Валы вращаются в противоположные стороны, соответственно поршни двигаются встречно или противоположно. На валах отбора мощности установлены сцепления. Валы отбора мощности блоков соединены соединительной муфтой. Возможность работы каждого четырехцилиндрового блока по отдельности обеспечивает повышенную надежность, экономию горючего и снижение вредных выбросов. Совместная работа блоков обеспечивает снижение вибраций. 4 ил.

Восьмицилиндровый оппозитный двигатель, число цилиндров кратно четырем и цилиндры собраны в блоки по два цилиндра на картере, поршни в цилиндрах расположены оппозитно и соединены штоками, отличающийся тем, что с целью расширения функциональных возможностей блоки размещены на плоской четырехугольной раме, оси четырех цилиндров расположены на одной линии и четыре других цилиндра размещены рядом на раме, штоки поршней снабжены пальцами, расположенными симметрично к оси штоков, между блоками размещены для каждых четырех цилиндров свои валы: первичный, промежуточный, отбора мощности, соединительный и газораспределительный, первичный и промежуточный валы снабжены неподвижно посаженными зубчатыми колесами и маховиками, неподвижно посаженными на концах валов, маховики снабжены пальцами, размещенными эксцентрично, шатуны соединяют пальцы на штоках поршней и пальцы на маховиках, соединительные валы снабжены неподвижно посаженными зубчатыми колесами и подвижной сцепной муфтой, валы отбора мощности снабжены неподвижно посаженной соединительной компенсационной муфтой и кожухом сцепления, кожух снабжен зубчатым венцом и находится в постоянном зацеплении с зубчатым колесом промежуточного вала, газораспределительные валы снабжены неподвижно посаженными зубчатыми колесами, находящимися в постоянном зацеплении с зубчатыми колесами промежуточных валов, зубчатые колеса первичных и промежуточных валов находятся в постоянном зацеплении, числа зубьев на колесах одинаковые, соединительные и первичные валы постоянно соединены зубчатыми колесами, числа зубьев на колесах соединительных валов в два раза больше числа зубьев на зубчатом колесе первичного вала.