Оппозитный двухтактный двигатель внутреннего сгорания Российский патент 2024 года по МПК F02B13/06 F02B33/22 F02B75/24 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть применено при производстве и эксплуатации двигателей для транспортных средств.

Известен двухтактный оппозитный двигатель ОРОС электронный источник: (https://znanieavto.ru/dvs/oppozitnyj-dvigatel-preimushhestva-i-nedostatki.html) дата обращения 04.05.2023, который содержит, в каждом цилиндре по два поршня, связанных с коленчатым валом шатунами. Внутренний поршень по отношению к коленчатому валу имеет один короткий шатун, внешний поршень имеет два длинных шатуна. Рабочий цилиндр имеет впускные и выпускные окна. За открытие и закрытие впускного окна отвечает наружный поршень, а выпускного окна внутренний поршень. Устройство подачи топлива и свечи зажигания расположены между впускным и выпускным окнами, так чтобы топливовоздушная смесь (ТВС) подавалась в пространство, которое образованно при минимальном расстоянии между внутренним и наружными поршнями. Для продувки цилиндров задействован электромотор с питанием от внешнего источника. Когда оппозитный двигатель выходит на режим, электродвигатель отключается, а устройство подачи воздуха превращается в устройство для турбо наддува.

Известный двухтактный оппозитный двигатель ОРОС повышает мощность двигателя за счет уменьшения потери энергии через систему охлаждения двигателя (благодаря значительному уменьшению площади теплоотвода камеры сгорания), за счет высокой сбалансированности двигателя уменьшающей нагрузки на кривошипно-шатунный механизм, за счет одновременного рабочего хода внутреннего и внешнего поршней в общем рабочем цилиндре обеспечивающего более эффективное использование энергии расширяющихся газов. Это обеспечивает ему преимущества перед известными двигателями, работающими по кинематической схеме кривошипно-шатунного механизма.

Однако данная конструкция сложная в изготовлении, а также применение длинных шатунов приводит к повышению нагрузки на них, что может привезти к изменению их геометрии и выходу двигателя из строя.

Известен четырехтактный оппозитный двигатель, принятый за прототип, электронные источники (http://autoleek.ru/dvigatel/dvs/oppozitnyj-dvigatel.html) и (http://autoleek.ru/dvigatel/dvs/oppozitnyj-dvigatel.html) дата обращения 04.05.2023 г., который содержит два и более рабочих цилиндра, расположенных под углом 180 град. Каждый из рабочих цилиндров имеет поршень, который через шатуны связан с коленчатым валом. Двигатель имеет впускной и выпускной клапаны, которые предназначенные для впрыска топливовоздушной смеси и выброса отработанных газов.

Двигатель по прототипу имеет низкий центр тяжести, что позволяет автомобилю сохранять большую стабильность при маневрах в отличие от автомобилей с V-образным и рядными двигателями, а также при работе двигателя по прототипу уменьшены вибрации в сравнении с рядными и V-образными двигателями. Это достигается за счет расположения поршней под углом 180 град., которые во время перемещения в рабочих цилиндрах, частично, уравновешивают друг друга. Сниженная вибрация приводит к уменьшению нагрузок на кривошипно-шатунный механизм и повышению комфорта при движении автомобиля.

Однако известный четырехтактный оппозитный двигатель уступает в литровой мощности, трудоемкости изготовления и их стоимости двухтактным двигателям, а также конструкция оппозитного четырехтактного двигателя, например, двигателя Субару, значительно усложняет его ремонт и техническое обслуживание.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение срока эксплуатации двигателя, повышение стабильности работы двигателя, снижение трудоемкости при изготовлении, а также повышение его мощности и коэффициента полезного действия (КПД).

Этот результат достигается тем, что оппозитный двигатель внутреннего сгорания выполнен двухтактным, который содержит несколько пар рабочих цилиндров, разнесенных в парах на угол в 180 градусов и коленчатый вал с шатунными шейками. Поршни рабочих цилиндров в парах расположены зеркально относительно друг друга с возможностью возвратно поступательного движения, а каждый из цилиндров снабжен автономной камерой сгорания. В отличие от прототипа двигатель снабжен несколькими компрессорными цилиндрами для гомогенизации и подготовки ТВС. Каждый компрессорный цилиндр подключен к каждой камере сгорания каждой пары цилиндров, а каждая пара рабочих цилиндров снабжена отдельной кривошипной камерой, это позволяет упростить конструкцию двигателя. Парные зеркальные рабочие поршни рабочих цилиндров установлены с возможностью одновременно совершать рабочий ход, что в четырехтактном двигателе невозможно. Шатунные шейки всех последующих пар зеркальных рабочих поршней разведены относительно друг друга на угол определенный из выражения β=180°:n, где n - количество пар рабочих цилиндров.

Предлагаемый двигатель повышает литровую мощность за счет применения двухтактного цикла, а также применение компрессорного цилиндра, который позволяет обеспечить наддув парных рабочих цилиндров и идеально подготовить и гомогенизировать топливовоздушную смесь (ТВС) в течение 360 градусов угла поворота коленчатого вала двигателя, обеспечивая ее полное сгорание во время рабочего такта. Подключение компрессорного цилиндра к каждой камере сгорания каждой пары рабочих цилиндров позволяет сократить количество компрессорных цилиндров, тем самым упростить конструкцию. Расположение парных зеркальных рабочих поршней с возможностью одновременно совершать рабочий ход, позволяет значительно снизить нагрузку на кривошипно-шатунный механизм, что увеличивает ресурс работы двигателя. Так как парные зеркальные рабочие поршни расположены в парных рабочих цилиндрах с возможностью одновременно совершать рабочий ход, пара рабочих цилиндров расположена в автономной кривошипной камере, что снижает трудоемкость при изготовлении. Разведение шатунных шеек всех последующих пар зеркальных рабочих поршней относительно друг друга на угол, определенный из выражения β=180°:n, где n - количество пар рабочих цилиндров, позволяет определять расположение шатунных шеек так, чтобы нагрузки на коленчатый вал были сбалансированы, а КПД был максимально высоким, для любого количества цилиндров.

Предлагаемый ДВС иллюстрируется фиг. 1 - общая схема двигателя, фиг. 2 - кинематическая схема двигателя, фиг. 3 - расположение шатунных шеек и угол между ними при четном количестве рабочих цилиндров.

Предлагаемый двигатель работает следующим образом.

В компрессорном цилиндре 1 (фиг. 1) подготавливается и гомогенизируется ТВС. Далее ТВС поступает в общий канал 2, который распределяется на два парных рабочих цилиндра 3, 3'. Общий канал 2 соединен с парными рабочими цилиндрами 3, 3' через каналы подачи ТВС 4, 4', с электромагнитными клапанами 5, 5' в нижние кольцевые каналы 6, 6' с обратными клапанами 7, 7' и каналы подачи ТВС 8, 8' в верхние кольцевые каналы 9, 9' с обратными клапанами 10, 10'. Верхние кольцевые каналы 9, 9' с обратными клапанами 10, 10' используются при работе двигателя в режиме холостого хода, при малых и частичных нагрузках. При переходе работы двигателя на мощностные режимы, ТВС поступает в нижние кольцевые каналы 6, 6' с обратными клапанами 7, 7', проходное сечение которых, в зависимости от нагрузки, регулируют электромагнитные клапаны 5, 5'. ТВС из в верхних кольцевых каналов 9,9' с обратными клапанами 10, 10', поступает в камеры сгорания 11, 11', а из нижних кольцевых каналов 6, 6' с обратными клапанами 7, 7', ТВС поступает в рабочие цилиндры 3, 3', после чего ТВС одновременно воспламеняется в камерах сгорания 11, 11 с помощью свечей зажигания 12, 12'. В результате воспламенения ТВС парные зеркальные рабочие поршни 13, 13' двигаются одновременно из верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой токи (НМТ) вращая коленчатый вал 14. При движении парных зеркальных рабочих поршней 13, 13' вниз, в общей для пары рабочих цилиндров 3, 3' кривошипной камере 19, 20 (фиг. 2) создается давление, которое перекрывает обратные клапаны 15, 15' во впускных окнах 16, 16'. При дальнейшем движении парных зеркальных рабочих поршней 13, 13' открываются выпускные окна 17, 17' обеспечивая выход отработанных газов из парных рабочих цилиндров 3, 3'. Через продувочные каналы 18, 18' кривошипной камеры 19 в парные рабочие цилиндры 3, 3' поступает атмосферный воздух. При движении парных зеркальных рабочих поршней 13, 13' к (ВМТ) давление в кривошипной камере 19 снижается ниже атмосферного, одновременно открываются обратные клапаны 15, 15' и в общую для пары рабочих цилиндров 3, 3' кривошипную камеру 19 поступает атмосферный воздух для следующего цикла (фиг. 1). На фиг. 2 условно обозначены общие кривошипные камеры 19 и 20 для пары рабочих цилиндров 3, 3' с парными зеркальными рабочими парнями 13, 13' 4-цилиндрового оппозитного двухтактного двигателя, объединение кривошипных камер для пар рабочих цилиндров 3, 3' с парными зеркальными рабочими поршнями 13, 13' позволяет снизить трудоемкость изготовления двигателя. На фиг. 3 показаны, номера парных рабочих цилиндров, тангенциальные силы, создающие на коленчатом валу двигателя крутящий момент - T_1……Т₈, К₁……К₈ - нормальные силы, направленные по радиусу кривошипа. Углы между шатунными шейками всех пар зеркальных рабочих поршней для двигателей с разным количеством пар рабочих цилиндров, которые определяются по формуле β=180:n. Угол, рассчитанный по формуле β=180:n, позволяет определять расположение шатунных шеек всех последующих пар зеркальных рабочих поршней таким образом, чтобы нагрузки на коленчатый вал, взаимоуничтожали друг друга при работе парных рабочих поршней, тем самым полностью балансировали работу двигателя. Полная сбалансированность работы двигателя снижает нагрузки на коленчатый вал, тем самым повышая ресурс двигателя. А также одновременная работа парных зеркальных рабочих поршней, способствует к повышению КПД за счет одновременно приложенной тангенциальной силе Т к противоположным точкам на коленчатом валу.

Таким образом, предлагаемый оппозитный двухтактный двигатель внутреннего сгорания обеспечивает достижение технического эффекта: повышение стабильности работы двигателя, повышение его мощности при увеличении ресурса работы и увеличение коэффициента полезного действия (КПД). Оппозитный двухтактный двигатель внутреннего сгорания может быть осуществлен с помощью известных в технике средств.

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Оппозитный двухтактный двигатель внутреннего сгорания содержит верхние и нижние кольцевые каналы (9), (9'), (6), (6'), несколько пар рабочих цилиндров (3), (3'), разнесенных в парах на угол в 180 градусов, и коленчатый вал (14) с шатунными шейками. Поршни (13), (13') рабочих цилиндров (3), (3') в парах расположены зеркально относительно друг друга с возможностью возвратно-поступательного движения. Каждый из рабочих цилиндров (3), (3') снабжен автономной камерой (11), (11') сгорания. Двигатель снабжен несколькими компрессорными цилиндрами (1) для гомогенизации и подготовки ТВС. Каждый компрессорный цилиндр (1) подключен к каждой камере (11), (11') сгорания каждой пары рабочих цилиндров (3), (3'). Каждая пара рабочих цилиндров (3), (3') снабжена отдельной кривошипной камерой (19), (20). Парные зеркальные поршни (13), (13') парных рабочих цилиндров (3), (3') установлены с возможностью одновременно совершать рабочий ход. Шатунные шейки всех последующих пар зеркальных поршней (13), (13') разведены относительно друг друга на угол, определенный из выражения β=180°:n, где n - количество пар рабочих цилиндров (3), (3'). Технический результат заключается в увеличении срока эксплуатации двигателя и повышении стабильности работы двигателя. 3 ил.

Оппозитный двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий верхний и нижний кольцевой канал, несколько пар рабочих цилиндров, разнесенных в парах на угол в 180 градусов, и коленчатый вал с шатунными шейками, поршни рабочих цилиндров в парах расположены зеркально относительно друг друга с возможностью возвратно-поступательного движения, а каждый из рабочих цилиндров снабжен автономной камерой сгорания, отличающийся тем, что двигатель снабжен несколькими компрессорными цилиндрами для гомогенизации и подготовки ТВС, причем каждый компрессорный цилиндр подключен к каждой камере сгорания каждой пары рабочих цилиндров, а каждая пара рабочих цилиндров снабжена отдельной кривошипной камерой, причем парные зеркальные поршни парных рабочих цилиндров установлены с возможностью одновременно совершать рабочий ход, шатунные шейки всех последующих пар зеркальных поршней разведены относительно друг друга на угол, определенный из выражения β=180°:n, где n - количество пар рабочих цилиндров.