ЧЕТЫРЕХЦИЛИНДРОВЫЙ ОППОЗИТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ПЕРЕМЕННЫМ ХОДОМ ПОРШНЕЙ Российский патент 2016 года по МПК F02B75/24 F02B75/32 

Снижение расхода топлива - постоянная задача автомобилестроения. В настоящее время коэффициент полезного действия - КПД - находится на уровне 0,23-0,30 для карбюраторных и 0.28-0,40 для дизелей. См. Л. 1. Роговцев В.Л и др. Устройство и эксплуатация автотранспортных средств. М.: Транспорт, 1991, стр. 20. Виды потерь энергии ДВС известны. См. Л. 2. Плеханов И.П. Автомобиль. М.: Просвещение, 1979, стр. 24, рис. 10. А также Л. 3. Шмидт А. На что расходуем бензин. За рулем 11/91, стр. 39. Л. 4. Головин Л. Побеги. Авторевю №3 / 2009, стр. 45. В этих работах показано, что потери энергии топлива с выхлопными газами составляют от 18 до 40%. Большие потери с отработавшими газами обусловлены несовершенством процесса сгорания в цилиндрах ДВС. Наполнение цилиндров свежей смесью для высокооборотных двигателей составляет, по данным Л. 1, стр. 18, 0.65-0.75. В составе свежего заряда находятся 0.06-0,12 отработавших газов, Л. 1, стр. 18. Улучшение наполнения цилиндров свежим зарядом способствует улучшению процесса горения. Это улучшение пытаются осуществить изменением тактов впуска и выпуска, т.е. изменением фаз газораспределения. См. Л. 5. Морозов М. Фазами можно управлять. За рулем 2/90, стр. 19. Известны способы улучшения работы ДВС путем отключения части цилиндров. См. Л. 6. Две двери для храбрости. Авторевю №22 / 2011, стр. 13. Это способствует лучшему наполнению оставшихся в работе цилиндров. Известен способ повышения КПД за счет использования энергии отработавших газов. См. Л. 7. Пять тактов. Авторевю №17 / 2009, стр. 13. Но это серьезно усложняет конструкцию. Известны газораспределительные циклы Аткинсона и Миллера, см. Л. 8. Арутин В. Длинный впуск. Авторевю, №10, 2009, стр. 71. При этих циклах достигается лучшее наполнение цилиндров, но не во всем диапазоне оборотов. Изменение длительности тактов впуска и выпуска при разных числах оборотов способствует увеличению литровой мощности при сохранении потерь, что ведет к повышению КПД.

Качество топлива ограничивает степень сжатия в цилиндрах ДВС и, соответственно, объем камеры сгорания. Степень сжатия ограничивает объем камеры сгорания при тактах сжатия и рабочего хода. Но при такте выпуска объем камеры сгорания не ограничивает работу ДВС. Можно вводить поршень в камеру сгорания практически до соприкосновения с головкой цилиндра, т.е. использовать полный объем цилиндра, оставляя объем камеры сгорания близким к нулю, или иначе НУЛЕВОЙ ВЫПУСК. Это улучшит продувку цилиндра. Можно уменьшить или полностью исключить период перекрытия клапанов. Это даст уменьшение потерь горючей смеси и повышение КПД. Соответственно, наполнение цилиндра свежей горючей смесью можно начинать, когда пространство над поршнем близко к нулю - НУЛЕВОЙ ВПУСК. Поршень будет работать в полном объеме цилиндра, а не в пределах рабочего объема. Соответственно, улучшится наполнение за счет уменьшения отработавших газов в составе горючей смеси и более длинного хода поршня при впуске. Это даст увеличение мощности.

Уже известна конструкция по патенту RU 2539609, которая принята за прототип. В этой конструкции нет возможности изменить ход поршня за счет изменения положения первичного вала, но есть возможность усовершенствовать эту конструкцию так, чтобы осуществить возможность изменять ход поршней при впуске и выпуске за счет изменения положения первичного вала, т.к. при работе этого двигателя есть часть рабочего цикла, при котором нагрузка на первичный вал сравнительно небольшая.

На Фиг. 1 изображена схема четырехцилиндрового оппозитного двигателя. Цилиндры обозначены 1, поршни 2. Два цилиндра оппозитно расположены на разборном картере 7 и образуют блок. Два блока размещены на раме 10 оппозитно так, что оси цилиндров находятся на одной линии. Противоположное расположение блоков позволяет взаимно компенсировать вибрации. Каждый блок соединен со своими валами. Соответственно, см. фиг. 3 - 11, 16, 17 и 26, 35, 46. См. фиг. 1. Рама оснащена фиксаторами 39. См. фиг. 4. Поршни в цилиндрах соединены штоками 3. Штоки снабжены пальцами 8. Концы пальцев опираются на ползуны 9. Ползуны двигаются по направляющим 27, укрепленным на картере. На раме 10 между блоками размещены первичные валы 11 и 35. См. фиг. 1, два кулачковых вала 16 и 26, два вала отбора мощности 17 и 46 с маховиками 42, 47, которые повышают плавность работы двигателя. Зубчатые колеса 21 и 24 неподвижно закреплены соответственно на осях 16 и 26. См. фиг. 1, зубчатые колеса 22 и 23 служат для связи колес 21 и 24. Таким образом обеспечивается согласованное - встречное или противоположное вращение, через цепные передачи, валов 11 и 35. См. фиг. 3. Согласованное вращение - встречное или противоположное - валов 11 и 35 обеспечивает встречное или противоположное движение поршней в цилиндрах 1.2 и 3.4, что уменьшает вибрации. Зубчатые колеса 21, 22, 23, 24 должны иметь установочные метки. Двигатель выполнен симметрично относительно оси для исключения изгибающих моментов. Поэтому детали валов, шатуны, ползуны симметрично расположены по обе стороны от оси двигателя. Большая часть механизмов относится к обоим блокам, а часть относящихся к цилиндрам 1 и 2 отмечена отдельно. Первичный вал 11 снабжен на концах дисками 14. На дисках эксцентрично размещены пальцы 13. Пальцы 8 штоков и пальцы 13 первичных валов соединены шатунами 12 и совместно образуют эксцентриковый механизм для преобразования поступательного движения поршней во вращательное движение вала 11. Концы первичного вала 11 опираются на ползуны 15 (фиг. 4). Ползуны 15 могут двигаться на роликах 41 по направляющим 43. Первичный вал 11 (фиг. 4) соединен цепью 29 с валом отбора мощности 17. Цепь 29 (фиг. 4) имеет некоторую слабину, которая дает возможность двигать вал 11. Слабину выбирает пружина 32 и ролик 45. Ползуны 15 двигаются по направляющим 43 и изменяют ход поршней в заданных пределах. Ход ползунов 15 передается через шатуны 12 поршням 2. Вал 17 отбора мощности (фиг. 3) через звездочку 31, цепь 33 и звездочку 34 вращает вал 16 (фиг. 3). На кулачковом валу 16 расположены кулачки (фиг. 4) 18, 19, 20. Аналогичный комплект кулачков расположен на валу 16 по другую сторону от оси двигателя (фиг. 1). Кулачки управляют изменением положения ползуна 15 (фиг. 4) и, соответственно, вала 11. Тяга 38 передает изменение положения вала 11 в соответствии с профилем кулачков. Кулачок 18 (+) передает движение вала 11 в сторону 1-го цилиндра, а кулачок 19 (-) - в противоположную сторону от среднего положения вала 11. Положение (+) обеспечивает использование поршнем цилиндра 1 полного объема цилиндра, а положение (-) - полный объем 2-го цилиндра. Т.о. объем цилиндров в начале впуска и в конце выпуска минимальный - нулевой впуск и нулевой выпуск. Кулачок 20 (фиг. 4) совместно с рычагом 40 фиксируют через фиксатор 39 тягу 38 в среднем положении. Тяга 38 одним концом соединена с ползуном 15, а другим опирается на ролики 37. Ролики 36 соединены с тягой 38 вилками 44 (фиг. 4).

На фиг. 2 показаны циклы работы 1-го и 2-го цилиндров, диаграммы давления в цилиндрах и необходимые изменения хода поршней для лучшей очистки и более полного заряда цилиндров. Давление в цилиндрах, см. Л. 2, стр. 8, при разных тактах: впуск 70-80 кПа, выпуск 105-115 кПа, сжатие 800-1200 кПа, рабочий ход 3.5-4 МПа. Соответственно, нагрузка на первичный вал изменяется (фиг. 2). При тактах впуска и выпуска нагрузка минимальная, т.е. там, где нужно изменить положение поршней. Это показано на диаграмме 2. При среднем рабочем объеме цилиндра 300-600 куб. см и ходе поршня 60-100 мм изменение хода поршня при тактах впуска и выпуска должно быть в пределах 5-10 мм. Соответственно, изменяется нагрузка на ролики 36 и кулачки 18 и 19. Чтобы уменьшить или полностью исключить давление на кулачки и ролики при тактах сжатия и рабочего хода, введены фиксаторы 39 (фиг. 4), которые принимают нагрузку от шатунов и передают ее на раму 10.

Без фиксаторов нагрузка была бы в 5-10 раз больше. Для уменьшения трения ролики 36 выполнены на игольчатых подшипниках. Технология выполнения мест сопряжения роликов 36 с кулачками 18 и 19 аналогична технологии выполнения сопряжения кулачкового вала и клапанов ДВС. Фиксаторы работают при статической нагрузке и при соответствующем исполнении имеют длительный срок службы.

На фиг. 2 показана зона работы кулачков (+) и (-). Диаграмма проградуирована в углах поворота первичного вала 1-го и 2-го цилиндров. Профили кулачков показаны на фиг. 5. За нулевую отметку принято положение 1-го цилиндра в верхней мертвой точке и открытом впускном клапане.

Кулачки 18 и 19 имеют выступы и выемки. Выступы соответствуют зоне работы кулачков на фиг. 2. Выемка на кулачке 19 соответствует выступу на кулачке 18, а выемка на кулачке 18 - выступу на кулачке 19. Выемка на кулачке 19 не препятствует работе кулачка 18, а выемка на кулачке 18 - кулачку 19. Выемки обеспечивают возвращение тяги 38 и, соответственно, вала 11 в среднее положение для работы при тактах сжатия и рабочего хода, при которых работают фиксаторы 39, и поршни не должны заходить дальше верхней мертвой точки. Это выполняют фиксаторы 39, а также защищают кулачковый вал от больших нагрузок. Работой фиксаторов управляют кулачки 20 и рычаги 40 в соответствии с диаграммой на фиг. 2.

Для обеспечения синхронной работы 1, 2 и 3, 4 цилиндров, как показано на фиг. 6, блоки соединены через кулачковые валы 16 и 26 зубчатыми колесами 21, 22, 23 и 24. На фиг. 6 показано, как должны работать поршни в цилиндрах для компенсации вибраций. Для этого валы 16 и 26 должны иметь встречное или противоположное направление вращения. Для этого должно быть четное число промежуточных зубчатых колес.

Двигатель можно использовать для электромобилей, как резервный ДВС, и на автобусах и грузовиках.

Технический результат - увеличение мощности и КПД.

Перечень чертежей

Фиг. 1 - четырехцилиндровый оппозитный двигатель с переменным ходом поршней.

Фиг. 2 - рабочие циклы двигателя и диаграммы изменений давлений в цилиндрах и хода поршней.

Фиг. 3 - кинематическая схема устройств изменения хода поршней.

Фиг. 4 - механизм изменения хода поршней.

Фиг. 5 - профили кулачков.

Фиг. 6 - чередование рабочих циклов в четырехцилиндровом оппозитном двигателе.

Перечень обозначений на чертежах

Изобретение относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания. Четырехцилиндровый оппозитный двигатель с переменным ходом поршней, в котором поршни используют при тактах впуска и выпуска весь объем цилиндра, включая камеру сгорания. Это позволяет улучшить наполнение цилиндра горючей смесью и лучше очистить цилиндр от отработавших газов. Это дает увеличение мощности и КПД двигателя. Для этого первичный вал двигателя (аналог коленчатого вала) изменяет свое положение на раме и, соответственно, изменяет положение поршней в цилиндрах. Двигатель состоит из двух блоков. Блок состоит из двух цилиндров, расположенных на разборном картере. Поршни в цилиндрах постоянно соединены попарно штоками, снабжены пальцами и двигаются совместно. Два блока расположены на раме так, что оси всех четырех цилиндров расположены на одной линии для уменьшения вибрации. На раме между блоками расположены валы - первичные, отбора мощности, кулачковые и газораспределительные. Первичные валы на концах снабжены дисками, на которых эксцентрично размещены пальцы. Пальцы штоков и первичных валов соединены шатунами и совместно образуют эксцентриковый механизм для преобразования поступательного движения поршней во вращательное движение валов. Концы первичных валов опираются на ползуны, которые двигаются по направляющим в раме и, соответственно, через шатуны изменяют положение поршней в цилиндрах так, что при тактах впуска и выпуска поршни занимают весь объем цилиндров, что улучшает газообмен и способствует увеличению мощности и КПД. Технический результат - увеличение мощности и КПД. 6 ил.

Четырехцилиндровый оппозитный двигатель с переменным ходом поршней; два цилиндра собраны оппозитно на разборном картере и образуют блок; два блока размещены на раме оппозитно так, что оси цилиндров находятся на одной линии; поршни в цилиндрах блоков расположены оппозитно и соединены штоками; штоки снабжены пальцами; концы пальцев опираются на ползуны, расположенные на направляющих в картере; между блоками на раме размещены валы - первичные и отбора мощности; каждый блок соединен со своими валами; на концах первичных валов размещены диски с эксцентрично размещенными пальцами; пальцы первичных валов и пальцы штоков соединены шатунами, отличающийся тем, что концы первичных валов, относящихся каждый к своему блоку, размещены на ползунах, которые двигаются по направляющим в раме; для управления движением введены два кулачковых вала, каждый для своего блока, кулачки которого через тяги с роликами управляют движением ползунов; рама оснащена фиксаторами, которые работают совместно с тягами; валы отбора мощности и первичные валы блока соединены цепями; на концах валов отбора мощности размещены маховики; цепи между валами отбора мощности и первичными валами снабжены натяжителями; также цепями соединены валы отбора мощности и кулачковые валы; кулачковые валы блоков соединены промежуточной зубчатой передачей.