Двухтактный оппозитный двигатель внутреннего сгорания А.Н. Сергеева Российский патент 2024 года по МПК F02B75/32 F02B33/04 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть применено, например, при производстве автомобильных двигателей.

Известны двигатели внутреннего сгорания для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное содержащие кривошипно-шатунный механизм (см. А.Н. ГОЦ. Кинематика и динамика кривошипно-шатунного механизма поршневых двигателей. Стр. 14-15. Рис. 2 электронный источник: дата обращения 04.05.2024 г. (https://dspace.www1.vlsu.ru/bitstream/123456789/804/3/00323.pdf).

Известен двухтактный оппозитный двигатель ОРОС электронный источник: дата обращения 04.05.2024 г. (https://znanieavto.ru/dvs/oppozitnyj-dvigatel-preimushhestva-i-nedostatki.html), 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 04.05.2024 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.

Порядок работы цилиндров субару - 95 фото.

Электронный источник (https://rally36.ru/remont/poryadok-raboty-cilindrov-subaru-95-foto.html ) дата обращения 04.05.2024 г.

Недостатком преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное кривошипно-шатунным механизмом является изменение плеча приложения силы от 0 до радиуса колена шатунной шейки в зависимости от угла повороту коленчатого вала двигателя и наоборот, что приводит к значительному снижению характеристик двигателя внутреннего сгорания (ДВС) по мощности, расходу топлива и токсичности отработанных газов.

Известны устройства преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, содержащие ведущий (выходной) вал, шестерню с внешними зубьями, нарезанными примерно на половине окружности, и продольный элемент в виде подвижной рамки, составленной из двух продольных зубчатых реек и двух опорных полуцилиндров (см. Публикация РСТ/US 95/05708, WO/30846, 1995 г.)

В указанном устройстве вращающаяся в одном направлении шестерня последовательно входит в зацепление с верхней и нижней зубчатой рейкой подвижной рамки, передавая через них окружное усилие и изменяя направление возвратно-поступательного перемещения по опорным поверхностям полуцилиндров на участке перехода с одной зубчатой рейки на другую. При этом в процессе вращения ведущего вала с шестерней величина инерционных нагрузок, связанных с величиной градиента роста и падения продольной скорости рамки в период смены направления возвратно-поступательного движения, зависит от высоты и, следовательно, от принятого модуля m торцевых зубьев реек рамки и шестерни. Расчеты и экспериментальная проверка показали, что в быстроходных устройствах, где действуют большие механические усилия и имеют место высокие скорости возвратно-поступательного и вращательного движения, для приведения величины инерционных нагрузок к уровню допустимых по условию прочности деталей необходимо выбирать большие модули m, обеспечивая значения отношения модуля m к продольному ходу подвижной рамки в пределах 6-10%, а в некоторых случаях и больше. Это означает, что модуль торцовых зубьев в таких устройствах задается по кинематическим соображениям, как средство коррекции скоростей характеристики продольного движения с целью снижения инерционных нагрузок, возникающих в зоне смены направления движения. Но увеличение модуля зубьев быстро ухудшает габаритные и массовые показатели механизма, что затрудняет использование описанного устройства в двигателях внутреннего сгорания.

Известно устройство преобразования движения с устройством повышения его нагрузочной способности по патенту РФ №2199018, которое относится к области двигателестроения и принято за прототип.

Устройство по прототипу содержит подвижную зубчатую рамку, выполненную в виде двух зубчатых реек, сопряженных по торцам с опорными полуцилиндрами, зубчатую шестерню с неполным числом зубьев, установленную на валу с возможностью поочередного с зубчатыми рейками, причем шестерня установлена с возможностью реализации частью ее поверхности, свободной от зубцов, функции перекатывающегося рычага между осью вращения и линией контакта шестерни с поверхностью опорных полуцилиндров зубчатой рамки. Для повышения нагрузочной способности торцевые поверхности продольных упоров, установленных по длине реек, выполнены совпадающими с боковым профилем торцевых зубьев зубчатых реек с возможностью полного или частичного восприятия рабочей нагрузки торцевой поверхностью продольного упора совместно с боковой поверхностью первого зуба. Кроме того, шаг зубьев зубчатой рейки, взятый как сумма основания профиля зуба и основания впадины, выполнен с началом от основания впадины, считая от сечения стыка зубчатой рейки и сопряженного опорного полуцилиндра. Изобретение обеспечивает снижение инерционных нагрузок, уменьшение габаритов и массы, а также повышение нагрузочной способности.

Однако конструкция устройства по прототипу не обеспечивает движение поршня в рабочем цилиндре двигателя без бокового давления поршня на стенки цилиндра за счет недостаточной прочности зубчатой рамки при ее небольшой массе, что приводит к ее отклонениям от прямолинейного возвратно-поступательного перемещения при передаче значительных сил давления газа после сгорания топливо воздушной смеси (ТВС) в камере сгорания на поршень, который механически связан с зубчатой рамкой, передающей силу давления на более прочную зубчатую шестерню, закрепленную на мощном выходном валу устройства, или применительно к ДВС - выходном валу двигателя. Это снижает ресурс работы ДВС, его КПД, увеличенному расходу топлива за сет увеличения зазоров между компрессионными кольцами поршня и стенкой цилиндра и повышает токсичность отработанных газов. Увеличение прочности зубчатой рамки за счет увеличения ее массы при изготовлении ведет к увеличению ее габаритов, что в свою очередь ведет к увеличению габаритов двигателя и массы перемещающегося устройства, включающего в себя перемещающуюся зубчатую рамку, шатун, или шток соединяющие зубчатую рамку с поршнем, что приводит к значительному увеличению инерционных сил действующих в целом на двигатель. Отсутствие системы смазки в прототипе ставит под сомнение его работоспособность.

Техническим результатом предлагаемой конструкции двигателя и способом его управления являются - повышение мощности, уменьшение расхода топлива, снижение токсичности отработанных газов и повышения КПД двигателя.

Сущность изобретения заключается в том, что каждая пара рабочих цилиндров снабжена отдельной кривошипной камерой. Парные зеркальные поршни установлены с возможностью одновременно совершать рабочий ход. Две пары зеркальных поршней с рабочими цилиндрами объединены в группу в которой шатунные шейки первой пары зеркальных поршней разведены на угол 180 градусов относительно второй пары зеркальных поршней. Шатунные шейки всех последующих групп, состоящих из двух пар зеркальных поршней, разведены на угол определенный из выражения: α=180:n, где n - количество групп зеркальных поршней с рабочими цилиндрами.

Гильза цилиндра выполнена заодно с направляющими которые выполнены как продолжение цилиндра двигателя одинакового с ним диаметра. Зубчатая рамка установлена в направляющих, а внешняя поверхность зубчатых реек, подвижной зубчатой рамки, выполнена в виде сегмента с внешним диаметром равным диаметру цилиндра и установлена в направляющих по скользящей посадке. Каналы в направляющих соединены с системой принудительной подачи масла в зону контакта поверхностей направляющие - зубчатые рейки. Масленый канал вала отбора мощности, через масленый канал зубчатой шестерни, соединен с принудительной системой смазки пары трения зубчатое колесо - опорный полуцилиндр в положении рабочего цилиндра в районе верхней и нижней мертвой точки.

Возможен вариант когда гильза цилиндра двигателя выполнена заодно с направляющими которые выполнены как продолжение цилиндра с диаметром, меньшим диаметра цилиндра. Механизм перемещения, подвижная зубчатая рамка с зубчатой шестерней, выполнен с эксцентриково-циклоидальным зацеплением (ЭЦ-зацепление).

Совокупность признаков конструкции предлагаемого двигателя обеспечивает возможность достижения заявленного технического результата, заключающегося в увеличении ресурса работы двигателя, повышения его мощности и КПД при уменьшении расхода топлива и снижении токсичности отработанных газов. Это достигается за счет изменения кинематической схемы преобразования возвратно-поступательно движения во вращательное с применением кривошипно-шатунного механизма на без шатунную кинематическую схему подвижной зубчатой рамки с зубчатой шестерней, сделанных с эксцентриково-циклоидальным зацеплением увеличивающем работоспособность нового устройства преобразования возвратно-поступательного перемещения во вращательное в оппозитном двухтактном ДВС исключающего боковое давление поршня на стенки цилиндра, обеспечивающего последовательность работы цилиндров снижающей нагрузки на новый механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное и двигатель в целом, электронный источник (https://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/26390/1/conference_tpu-2016-C57_V1_p212-214.pdf), дата обращения 04.05.2024 г.

Конструкция предлагаемого двигателя и способ управления им иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показана схема двигателя.

Предлагаемый двухтактный многоцилиндровый оппозитный двигатель, в котором все цилиндры работают по одинаковым циклам, содержит камеру сгорания 1, гильзу рабочего цилиндр 2 с выпускным окном 3, продувочным каналом 4 и впускным окном 5. Поршень 6 в гильзе рабочего цилиндра 2,закрепленной в корпусе блока цилиндров 7, соединен через стержень 8 с подвижной зубчатой рамкой 9 . Подвижная рамка 9 по форме выполнена состоящей из двух зубчатых реек равной длины 12 и двух опорных полуцилиндров равного радиуса 10. Поршень рабочего цилиндра 6 имеет возможность продольного возвратно-поступательного движения в гильзе рабочего цилиндра 2. Зубчатая рамка 9 установлена в направляющих 11 выполненных в гильзе цилиндра 2, жестко закрепленных в корпусе блока цилиндров двигателя 7. Внешняя поверхность зубчатых реек 12, подвижной зубчатой рамки 9, выполнена в виде сегмента цилиндра с внешним диаметром равным диаметру цилиндра и установлена в направляющих 11 по скользящей посадке. Поверхность направляющих 11 является продолжением поверхности цилиндра 2 . Каналы 13 в направляющих 11 соединены с системой принудительной подачи масла в зону контакта поверхностей направляющие 11 с зубчатыми рейками 12, а масленый канал 14 вала отбора мощности 15 с зубчатым колесом 17, соединен с принудительной системой смазки. Масло, через канал 16 подается в пары трения зубчатое колесо 17 - продольные упоры 18, верхний и нижний опорные полуцилиндры 10.

Каждая пара зеркальных цилиндров 2-2*, 2.1-2.1* снабжена отдельной кривошипной камерой 19-19* входящей в корпус двигателя 7, причем парные зеркальные поршни 6-6* установлены с возможностью одновременно совершать рабочий ход от ВМТ к НМТ, а пара зеркальных поршней 6.1-6.1* в это время одновременно совершать ход от НМТ к ВМТ. Две пары зеркальных поршней 6-6* и 6.1-6.1* объединены в группу 20 в которой зубатые шестерни 17, 17* первой пары зеркальных поршней 6-6* разведена на угол 180 градусов относительно шестерен 17.1, 17.1* второй пары зеркальных поршней 6.1-6.1*, а всех последующих групп, состоящих из двух пар зеркальных поршней, разведены на угол определенный из выражения = 180:н, где н-количество групп зеркальных поршней с рабочими цилиндрами.

Механизм перемещения - подвижная зубчатая рамка 9 с зубчатой шестерней 17 выполнен с эксцентриково-циклоидальным зацеплением обеспечивающим низкую металлоемкость, компактность, высокую удельную мощность, высокую надежность и технологичность конструкции в сравнении с эвольвентным зацеплением.

Предлагаемый двигатель работает следующим образом. После искрового разряда на свечах зажигания 21-21* поджигают ТВС в камерах сгорания 1-1* первой пары зеркальных поршней 6-6*, увеличивается давление в рабочих цилиндрах 2-2*, обеспечивая перемещение поршня первой пары зеркальных поршней 6-6* от ВМТ к НМТ, а второй пары зеркальных поршней 6.1-6.1* от НМТ к ВМТ. В момент прохождения выпускных окон 3-3* рабочих цилиндров 2-2* первой парой зеркальных поршней 6-6*, давление в рабочих цилиндрах 2-2* снижается до атмосферного и ниже. Одновременно увеличивается давление в цилиндрах 2.1-2.1* второй пары зеркальных поршней 6.1-6.1*, после закрытия выпускных окон 3.1-3.1* рабочих цилиндров второй пары зеркальных поршней 6.1-6.1*, при их движении к ВМТ. При достижении первой парой зеркальных поршней 6-6* НМТ, вторая пара зеркальных поршней 6.1-6.1* достигает ВМТ, создавая в камерах сгорания 1.1-1.1* силы - компенсирующие силы инерции и давления отработанных газов при движении зеркальных поршней первой пары 6-6* от ВМТ к НМТ, и при изменении направления движения на противоположное в НМТ, далее процесс зеркально продолжается.

Таким образом предлагаемый двигатель обеспечивает достижение технического эффекта, заключающегося в повышении мощности, уменьшении расхода топлива, снижение токсичности отработанных газов и повышения КПД двигателя внутреннего сгорания.

Двигатель может быть осуществлен с помощью известных в технике средств. Следовательно, предлагаемый двигатель обладает промышленной применимостью.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Двухтактный оппозитный двигатель внутреннего сгорания содержит одну или несколько пар рабочих цилиндров (2), с гильзами цилиндров, выпускными, продувочными и впускными окнами (3, 4, 5), систему принудительной подачи масла, вал (15) отбора мощности, свечи (21) зажигания. В разнесенных парах цилиндров (2) на угол 180 градусов выполнены камеры (1) сгорания. Поршни (6) первой и второй пары рабочих цилиндров (2) расположены зеркально относительно друг друга и через стержень (8) соединены с подвижной зубчатой рамкой (9) с возможностью совершения возвратно-поступательных перемещений. Рамка (9) выполнена в виде двух зубчатых реек (12), сопряженных по торцам с опорными полуцилиндрами (10). Зубчатая шестерня (17) с неполным числом зубьев установлена на валу (15) отбора мощности с возможностью поочередного зацепления с зубчатыми рейками (12). Продольные упоры (18) установлены по длине зубчатых реек (12). Часть поверхности зубчатой шестерни (17), свободной от зубьев, выполнена с переменным радиусом между центром вала (15) отбора мощности и линией контакта шестерни с поверхностью опорных полуцилиндров (10) зубчатой рамки (9). Каждая пара рабочих цилиндров (2, 2*, 2.1, 2.1*) снабжена отдельной кривошипной камерой (19, 19*). Парные зеркальные поршни (6, 6*) установлены с возможностью одновременно совершать рабочий ход. Две пары зеркальных поршней (6, 6* и 6.1, 6.1*) с рабочими цилиндрами объединены в группу (20), в которой зубчатые шестерни (17, 17*) первой пары зеркальных поршней (6, 6*) разведены на угол 180 градусов относительно второй пары зеркальных поршней (6.1, 6.1*). Зубчатые шестерни (17) всех последующих групп, состоящих из двух пар зеркальных поршней (6), разведены на угол, определенный из выражения α=180:n, где n - количество групп зеркальных поршней с рабочими цилиндрами. Технический результат заключается в повышении мощности и уменьшении расхода топлива. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Двухтактный оппозитный двигатель внутреннего сгорания, содержащий одну или несколько пар рабочих цилиндров, с гильзами цилиндров, выпускными, продувочными и впускными окнами, систему принудительной подачи масла, вал отбора мощности, свечи зажигания, камеры сгорания, разнесенные в парах на угол 180 градусов, поршни первой и второй пары рабочих цилиндров расположены зеркально относительно друг друга и через стержень соединены с подвижной зубчатой рамкой с возможностью совершения возвратно-поступательных перемещений, причем рамка выполнена в виде двух зубчатых реек, сопряженных по торцам с опорными полуцилиндрами, зубчатую шестерню, с неполным числом зубьев, установленную на валу отбора мощности с возможностью поочередного зацепления с зубчатыми рейками, продольные упоры, установленные по длине зубчатых реек, а часть поверхности зубчатой шестерни, свободной от зубьев, выполнена с переменным радиусом между центром вала отбора мощности и линией контакта шестерни с поверхностью опорных полуцилиндров зубчатой рамки, отличающийся тем, что каждая пара рабочих цилиндров снабжена отдельной кривошипной камерой, причем парные зеркальные поршни установлены с возможностью одновременно совершать рабочий ход, а две пары зеркальных поршней с рабочими цилиндрами объединены в группу, в которой зубчатые шестерни первой пары зеркальных поршней разведены на угол 180 градусов относительно второй пары зеркальных поршней, а зубчатые шестерни всех последующих групп, состоящих из двух пар зеркальных поршней, разведены на угол определенный из выражения α=180:n, где n - количество групп зеркальных поршней с рабочими цилиндрами.

2. Двухтактный оппозитный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что гильза цилиндра выполнена заодно с направляющими, которые выполнены как продолжение цилиндра двигателя, одинакового с ним диаметра, зубчатая рамка установлена в направляющих, а внешняя поверхность зубчатых реек подвижной зубчатой рамки выполнена в виде сегмента цилиндра с внешним диаметром, равным диаметру цилиндра, и установлена по скользящей посадке, каналы в направляющих соединены с системой принудительной подачи масла в зону контакта поверхностей направляющие - зубчатые рейки, а масленый канал вала отбора мощности, через масленый канал зубчатой шестерни, соединен с принудительной системой смазки пары трения зубчатое колесо-опорные полуцилиндры.

3. Двухтактный оппозитный двигатель внутреннего сгорания по п.2, отличающийся тем, что гильза цилиндра двигателя выполнена заодно с направляющими, которые выполнены как продолжение цилиндра с диаметром, меньшим диаметра цилиндра.

4. Двухтактный оппозитный двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что механизм перемещения, подвижная зубчатая рамка с зубчатой шестерней, выполнен с эксцентриково-циклоидальным зацеплением (ЭЦ-зацепление).