Однотактный двигатель внутреннего сгорания Российский патент 2023 года по МПК F02B59/00 F02B75/24 

Изобретение о носится к машиностроению, в частности к двигателестроению и может быть использовано в качестве силовых установок в транспортных средствах различных категорий, в стационарных условиях, как привод к насосам, генераторам и т.д.

Известен четырехтактный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) состоящий из кривошипношатунного механизма, поршневой пары (поршень в цилиндре) устройства смесеобразования и механизма газораспределения (политехнический словарь. Гл. ред. акад. И.И. Артоболевский М.: Советская энциклопедия, 1976, с. 132) в цилиндре, во время вращения коленвала, по очереди протекают 4 такта: доставка горючей смеси, сжатие, сгорание смеси с выполнением полезной механической работы (рабочий, силовой ход) и выпуск отработанных газов.

Недостатком устройства является низкая эффективность использования энергии сгорания горючей смеси (низкая степень расширения) обусловленная одинаковым числом степени сжатия и степени расширения и как результат низкая мощность, обусловленная только одним рабочим ходом из четырех ходов поршня.

Наиболее близким по техническому решению является однотактный двигатель внутреннего сгорания авторское свидетельство № RU 2665766, кл. F02B 75/28, F02B 41/02, F02B 19/02, содержащий рабочий цилиндр с движущимся обратно-поступательно внутри его поршнем с противоположными рабочими сторонами (днищами), устройство для преобразования возвратнопоступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала, которое производит данное преобразование через технологические прорези в цилиндре при помощи нескольких шатунов, две прикрепленные к противоположным торцам рабочего цилиндра камер сгорания, устройство нагнетания, обеспечивающее сжатие атмосферного воздуха для последующего приготовления горючей смеси и заполнения ей камер сгорания, газораспределительный механизм, обеспечивающий прохождение за время одного такта процесс выпуска отработанных газов и впуска сжатой горючей смеси с одной стороны рабочего цилиндра.

Недостатком данной конструкции является сложное устройство системы клапанов, большое количество шарнирных соединений, шатунов, которые требуют дополнительных приспособлений для их работоспособности. Это все снижает надежность силовой установки, а также сложная система газораспределения, в итоге - достаточно затратное изготовление устройства не оправдывающее результат.

Цель изобретения заключается в повышении КПД, упрощении конструкции, уменьшении размеров силового агрегата, соответственно, снижение веса устройства, что влечет снижение затрат на изготовление изделия, снижение выброса вредных продуктов сгорания в атмосферу.

Достигается цель тем, что однотактный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус, внутри которого располагается двухсторонний цилиндр, герметично, обратнопоступательно скользящий торцевыми поверхностями между параллельными, внутренними стенками корпуса, а двухсторонний поршень обратно поступательно, перпендикулярно к внутренним стенкам корпуса перемещается в цилиндре, при этом, поперечное отверстие в поршне содержит эксцентриковый подшипник скольжения или качения, с жестко закрепленным приводным валом в отверстии смещения подшипника, обеспечивая рычаг к приводному валу, для преобразования обратнопоступательного перемещения цилиндра в корпусе и обратнопоступательного перемещения поршня в цилиндре во вращательное движение приводного вала.

Упрощение конструкции, соответственно уменьшение веса, достигается тем, что газораспределение т.е. продувка, доставка горючей смеси выхлоп отработанных газов осуществляется через каналы в корпусе и каналы в цилиндре сообщающиеся с камерой сгорания, где открывание и закрывание каналов осуществляется посредством их смещения и совмещения деталями устройства (корпус, цилиндр, поршень) в необходимой последовательности за один такт. Такое техническое решение изобретения позволяет избежать сложную систему газораспределения традиционных ДВС, также использование поршня формы прямоугольного параллелепипеда позволяет уменьшить размер и вес устройства, а снижение выбросов вредных продуктов сгорания в атмосферу обеспечивает продолжительное зажигание и продувка сжатым воздухом вдогонку догорающей смеси обогатив ее кислородом уже в выхлопном канале для более тщательного сгорания.

Эскизы поясняют порядок и принцип работы однотактного двигателя внутреннего сгорания.

На фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 изображены последовательность газораспределения одной силовой секции ДВС.

На фиг. 13 изображена версия оптимальной компоновки силовых секций ДВС в блок, разрез по оси приводного вала.

На фиг. 14 изображен ступенчатый разрез силовой секции в блоке.

На фиг. 15 изображен разрез блока силовых секций, расположение деталей на приводном валу и технические условия для облегчения сборки и разборки ДВС.

Однотактный двигатель внутреннего сгорания содержит: корпус 1, двухсторонний цилиндр 2, двухсторонний поршень 3, отверстие в поршне 3 под эксцентриковый подшипник скольжения или качения 4, приводной вал 5 в отверстии смещения подшипника 6, технологические прорези 7 в цилиндре 2, каналы газораспределения: А - канал продувки, Б - канал впуска горючей смеси, В - канал выхлопа отработанных газов точки открывания и закрывания каналов газораспределения I, II, III, IV, V, того же назначения каналы газораспределения противоположной стороны ДВС: А1, Б1, В1, и точки открывания и закрывания каналов противоположной стороны ДВС: Ia, IIa, IIIa, IVa, Va, точки смены направления обратнопоступательного перемещения поршня обозначены «мертвая точка», и «О» - точка смены направления обратнопоступательного перемещения цилиндра 2. Направление движения цилиндра ДВС относительно корпуса и поршня относительно цилиндра на эскизах обозначены стрелками.

Работа однотактного двигателя внутреннего сгорания осуществляется следующим образом.

На фиг. 1 изображено положение деталей ДВС, т.е. поршня 3, в цилиндре 2, в корпусе 1, эксцентриковый подшипник 6 в поперечном отверстии 4 поршня 3 с приводным валом 5, жестко закрепленным в отверстии смещения подшипника, при котором канал продувки А сжатым воздухом открыт в точке I, и в точке III, а также, канал В - выхлопа отработанных газов открыт в точке IV и в точке V, что обеспечивает продувку камеры сгорания от остатков отработанных газов. Одновременно с противоположной стороны поршня 3 находящийся в «мертвой точке», сжатая топливная смесь продолжает воспламеняться окончанием продолжительной искры, при этом канал продувки А1, закрыт в точке 1а, и в точке IIIa, канал доставки топливной смеси закрыт в точке IIa и канал выхлопа закрыт в точке IVa.

На фиг. 2 канал выхлопа В закрыт в точке V, канал продувки А открыт - происходит нагнетание воздуха в камеру сгорания под давлением, поршень 3 меняет направление движения, с противоположной стороны устройства канал А1, закрыт в точке Ia, канал Б1, закрыт в точке IIa, канал В1 закрыт в точке IVa и в точке Va, таким образом, расширяющиеся газы в камере сгорания продвигают поршень 3 при этом в отверстии поршня 4 эксцентриковый подшипник 6 скользит или катится внутри, проворачивая приводной вал жестко закрепленного в отверстии смещения.

На фиг. 3 - канал продувки А закрыт в точке III канал впрыска топливной смеси Б закрыт в точке II, канал выхлопа В закрыт в точке IV и в точке V, происходит сжатие воздуха в камере сгорания. С противоположной стороны происходит дальнейшее расширение газов при закрытых каналах А1, Б1, В1, продвигая поршень 3.

На фиг. 4 - открывается канал Б впрыска топливной смеси под давлением в точке II заполняя камеру сгорания, а с противоположной стороны поршня 3 происходит дальнейшее расширение газов, цилиндр 2 достигает точки «О».

На фиг. 5 - перекрывается канал Б, впрыска топливной смеси в точке II и происходит дальнейшее сжатие топливной смеси, а с противоположной стороны поршня 3 продолжается расширение газов в замкнутом пространстве камеры сгорания, цилиндр 2 меняет направление движения.

На фиг. 6 - осуществляется раннее зажигание сжимающейся топливной смеси, а с противоположной стороны происходит выхлоп отработанных газов через канал В1 открытый в точках IVa и в точке Va. Канал продувки А1 закрыт в точке Ia.

На фиг. 7 - полное сжатие и дальнейшее поджигание продолжительной искрой топливной смеси. Поршень 3 достигает «мертвую точку», с противоположной стороны поршня 3 ДВС осуществляется продувка камеры сгорания. Канал А1 открыт в точке Ia, и в точке IIIa, канал В1 открыт в точке IVa и точке Va, канал Б1 закрыт в точке IIa. Осуществлен цикл газораспределения одной рабочей стороны поршня за один такт

На фиг. 8 - смена направления движения поршня 3, в цилиндре 2. Каналы А, Б и В закрыты. С противоположной стороны устройства перекрывается канал выхлопа В1 в точке Va и осуществляется заполнение камеры сгорания воздухом под давлением через канал А1, открытый в точке Ia и в точке IIIa.

На фиг. 9 - каналы А, Б, В, закрыты в точке I, II, III, IV, V, идет расширение газов обеспечивая продвижение поршня 3, а с противоположной стороны поршня 3 канал А1 перекрыт в точке IIIa, канал Б1 перекрыт в точке IIa, канал В1 перекрыт в точке IVa и в точке Va. Происходит сжатие воздуха.

На фиг. 10 - цилиндр 2 достигает положения смены направления движения «О», идет дальнейшее расширение газов продвигая поршень 3. С противоположной стороны происходит впрыск топливной смеси под давлением через канал Б1 открытый в точке IIa, канал А1 закрыт в точке IIIa и канал В1 закрыт в точке IVa и Va.

На фиг. 11 - продолжение расширения газов, каналы А, Б и В закрыты, цилиндр 2 меняет направление движения. С противоположной стороны поршня идет сжатие топливной смеси в камере сгорания при этом все каналы А1, Б1 и В1 перекрыты.

На фиг. 12 происходит выхлоп отработанных газов через канал В открытых в точках IV и V, а с противоположной стороны продвижение поршня 3 обеспечивает дальнейшее сжатие топливной смеси, и осуществляется раннее зажигание, при этом все каналы А1, Б1 и В1 закрыты.

На фиг. 1 - поршень достигает «мертвую точку» - осуществив рабочий цикл газораспределения противоположной рабочей стороны поршня за один такт. Таким образом - за два силовых такта прохождения двухстороннего поршня в двухстороннем цилиндре приводной вал делает один оборот.

Но одна силовая секция однотактного ДВС имеет некоторые недостатки, как возможная детонация, наличие «мертвой точки», как зоны нулевой силовой эффективности. Избежать которые можно путем компоновки силовых секций в блок на одном приводном валу фиг. 13, фиг. 14, фиг. 15 и работает следующим образом. Одновременное силовое включение первой пары секций навстречу друг другу в своих близких, параллельных плоскостях уравновешивают силовые направления навстречу друг другу, что позволяет избежать детонацию. При этом, эксцентриковые подшипники развернуты на приводном валу относительно друг друга на 180°, и также одновременное силовое включение в своих «мертвых точках» второй пары секций, с развернутыми эксцентриковыми подшипниками на 180° относительно друг друга, установлены на приводном валу под 90° относительно первой пары эксцентриковых подшипников. Такое устройство блока из силовых секций позволяет проходить поршню «мертвые точки» без силовых потерь посредством поочередного силового выталкивания одной пары силовых секций другой парой силовых секций из этого положения, передавая крутящий момент через приводной вал, и обеспечивая однородное силовое воздействие на приводной вал.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Однотактный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус (1), двухсторонний поршень (3) и двухсторонний цилиндр (2) с противоположными камерами сгорания. Поршень (3) имеет поперечное отверстие (4) в центре под эксцентриковый подшипник (6) скольжения или качения, жестко закрепленный на приводном валу (5) в отверстии смещения подшипника (6). Двухсторонний цилиндр (2) с двухсторонним поршнем (3) противоположными торцевыми параллельными сторонами герметично обратнопоступательно скользит между параллельными внутренними стенками корпуса (1), образуя противоположные, обратнопоступательно перемещающиеся, относительно корпуса, камеры сгорания, амплитуда которых определяется двойным расстоянием эксцентрикового смещения подшипника (6). Система газораспределения - продувка, доставка горючей смеси, выхлоп отработанных газов осуществляется через каналы в цилиндре (2) и в параллельных стенках корпуса (1), подведенных к камере сгорания, расположенные в расчетных местах. При обратнопоступательном перемещении поршня (3) в цилиндре (2) и перпендикулярном обратнопоступательном перемещении цилиндра (2) между параллельными внутренними стенками корпуса (1) открываются и закрываются в необходимой последовательности каналы газораспределения. Открывание и закрывание каналов газораспределения осуществляются посредством их смещения и совмещения деталями устройства за один такт прохождения одной рабочей стороны поршня (3) от исходной мертвой точки до противоположной соответственно. Прохождение противоположной рабочей стороны поршня (3) от противоположной мертвой точки до исходной также за один такт обеспечивает приводному валу (5) один оборот. Технический результат заключается в упрощении конструкции, уменьшении размеров и в снижении веса устройства. 15 ил.

Однотактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, двухсторонний поршень, двухсторонний цилиндр с противоположными камерами сгорания, отличающийся тем, что поршень имеет поперечное отверстие в центре под эксцентриковый подшипник скольжения или качения, жестко закрепленный на приводном валу в отверстии смещения подшипника, а двухсторонний цилиндр с двухсторонним поршнем противоположными торцевыми параллельными сторонами герметично обратнопоступательно скользит между параллельными внутренними стенками корпуса, образуя противоположные, обратнопоступательно перемещающиеся, относительно корпуса, камеры сгорания, амплитуда которых определяется двойным расстоянием эксцентрикового смещения подшипника, а система газораспределения - продувка, доставка горючей смеси, выхлоп отработанных газов осуществляется через каналы в цилиндре и в параллельных стенках корпуса, подведенных к камере сгорания, расположенные в необходимых расчетных местах, и при обратнопоступательном перемещении поршня в цилиндре и перпендикулярном обратнопоступательном перемещении цилиндра между параллельными внутренними стенками корпуса обеспечивают открывание и закрывание в необходимой последовательности каналов газораспределения посредством их смещения и совмещения деталями устройства за один такт прохождения одной рабочей стороны поршня от исходной мертвой точки до противоположной, соответственно, прохождение противоположной рабочей стороны поршня от противоположной мертвой точки до исходной также за один такт, обеспечивая приводному валу один оборот.