Двухтактный оппозитный двигатель внутреннего сгорания и способ управления им Российский патент 2025 года по МПК F02B13/06 F02B73/00 F02B75/24 

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 (https://dspace.www1.vlsu.ru/bitstream/123456789/804/3/00323.pdf ).

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, электронные источники (http://autoleek.ru/dvigatel/dvs/oppozitnyj-dvigatel.html) и (http://autoleek.ru/dvigatel/dvs/oppozitnyj-dvigatel.html) дата обращения 04.05.2023, 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.

Известен оппозитный двухтактный двигатель внутреннего сгорания по патенту РФ № 2819967 , принятый за прототип который содержит несколько пар рабочих цилиндров, разнесенных в парах на угол 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 с верхним и нижнем кольцевыми каналами. Двигатель снабжен несколькими компрессорными цилиндрами с устройствами подачи топлива 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, что позволяет упростить конструкцию двигателя. Парные зеркальные рабочие поршни 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 α = 180:n, где n - количество пар рабочих цилиндров.

Однако известный оппозитный двухтактный двигатель внутреннего сгорания, при увеличении мощности двигателя за счет увеличения количества цилиндров - объема двигателя, приводит к уменьшению жесткости коленчатого вала двигателя при увеличении его длины, усложнению конструкции двигателя, уменьшению ресурса его работы и уменьшению области применения, из-за ограниченности места установки при увеличении длины двигателя.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение ресурса работы двигателя, снижение себестоимости его производства, расширение области применения, уменьшение расхода топлива, снижение токсичности отработанных газов и увеличение КПД двигателя.

Этот результат достигается тем, что двигатель состоит из верхних и нижних модулей, зеркальные пары поршней которых, верхние и нижние, расположены зеркально относительно горизонтальной оси, являющейся синхронизирующей осью соединительного вала отбора мощности, соединенного через шестерни с валами отбора мощности каждой пары зеркальных поршней. Валы отбора мощности каждой пары зеркальных поршней соединены с шестерней, соединенной с шестерней синхронизирующего соединительного вала отбора мощности. Одновременно совершается рабочий такт в четырех цилиндрах, в двух верхних и двух нижних зеркальных цилиндрах, что приводит к значительному снижению нагрузок на кинематический механизм перемещения поршней и двигатель в целом за счет уравновешивания сил инерции первого и второго порядков движущихся частей кинематического механизма перемещения поршней.

При увеличении мощности двигателя добавляют необходимое количество верхних и нижних зеркальных модулей, валы отбора мощности которых разведены на угол 180 градусов, относительно угла вала отбора мощности предыдущей, верхней и нижней пары зеркальных поршней , валы отбора мощности которых , через шестерни, соединены с дополнительной шестерней синхронизирующего соединительного вала отбора мощности, количество которых определяет количество добавляемых зеркальных модулей при увеличении мощности двигателя до заданной - проектной.

Предлагаемый двигатель увеличивает ресурс работы двигателя за счет уменьшения длины коленчатого вала зеркальной пары минимум в два раза, что увеличивает его жесткость, а как следствие увеличивает ресурс работы механизма преобразования тепловой энергии сжигания топлива в механическую - вращение вала отбора мощности, например, кривошипно-шатунного, или бесшанунного механизма, наиболее нагруженного узла ДВС.

Предлагаемая кинематическая схема изготовления двухтактных оппозитных двигателей внутреннего сгорания позволяет перейти на модульный принцип их изготовления, что в значительной степени снизит затраты на их производство и значительно расширит их размерную линейку, а более эффективное использование выделенного объема для размещения двигателя позволит расширить область их применения.

Управляя мощностью двигателя за счет прекращения, или подачи питания на электроды свечей зажигания, или устройств подачи топлива одновременно на пары из верхних модулей с нижними модулями, с одинаковыми тактами работы модулей, и производя отключение или подачу питания на парные модули попеременно обеспечивают эффективную работу двигателя на разных режимах с КПД, близком к оптимальному, в зависимости от режима работы двигателя, что обеспечивает значительное снижение расхода топлива и токсичности отработанных газов - повышение КПД двигателя.

Предлагаемая кинематическая схема двухтактного оппозитного двигателя внутреннего сгорания значительно снижает силы инерции на двигатель, практически, исключая вибрационные нагрузки на него, что так же ведет к увеличению КПД, ресурса работы двигателя и снижению уровня громкости (шума) его работы.

Модули, в предлагаемом двигателе, могут быть с разным количеством зеркальных пар поршней с цилиндрами, в зависимости от решаемых задач, с одинаковым количеством верхних и нижних модулей расположенных зеркально относительно горизонтальной оси, являющейся синхронизирующей осью соединительного вала отбора мощности.

При увеличении мощности двигателя применение смещения по фазе на 180 градусов валов отбора мощности верхних и нижних зеркальных модулей относительно угла валов отбора мощности предыдущей верхней и нижней пары зеркальных поршней обеспечивает равномерность и плавность его работы за счет непрерывной передачи момента на синхронизирующий соединительный вал отбора мощности в течение полного поворота вала отбора мощности на 360 градусов.

Предлагаемый двигатель иллюстрируется фи.1 - базовая схема двигателя (например двигателя с кривошипно-шатунным механизмом), фиг. 2 - схема работы цилиндров, фиг.3 - схема компоновки двигателя с суммарными тангенциальными силами создающими на синхронизирующем соединительном валу отбора мощности двигателя крутящий момент, вид А на фиг.1., фиг.4 - модульная схема многоцилиндрового двигателя, фиг.5 - схема передачи момента на шестерню синхронизирующего соединительного вала отбора мощности, например, оппозитного восьмицилиндрового двухтактного двигателя внутреннего сгорания с двумя верхними и двумя нижними модулями.

Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания фиг. 1 содержит пары рабочих цилиндров, разнесенных в парах на угол 180 градусов 1.1;1.2 и 2.1; 2.2, коленчатые валы с шатунными шейками ( по формуле валы отбора мощности модуля) 3 и 4, и коленчатые валы 3* и 4* (Фиг.4), поршни рабочих цилиндров 5.1 и 5.2, и 6.1 и 6.2, камеру сгорания 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 с верхними 16.1, 16.2. 16.3 16.4 и нижними 17.1, 17.2, 17.3, 17.4 каналами, свечи зажигания 15.1, 15.2, 15.3, 15.4, компрессорный цилиндр 8.1, 8.2, 8,3, 8.4 с устройством подачи топлива, кривошипную камеру 9.1 и 9.2, синхронизирующий соединительный вал отбора мощности 10, шестерню верхнего коленчатого вала 11 модуля В, и шестерню второго верхнего модуля В* - 11* (Фиг.4), шестерню нижнего коленчатого вала 12 модуля С, и шестерню 12* второго нижнего модуля С* (Фиг.4), шестерни 13 и 13* синхронизирующего соединительного вала отбора мощности 10, модули В и С, и модули В* и С* с одинаковыми тактами работы двигателя одновременно-попеременно включают и отключают, например, за счет отключения питания топливных форсунок или(и) свечей зажигания.

Предлагаемый двигатель работает следующим образом.

При движении поршней 5.1,5.2,5.3 и 5.4 от НВТ к ВМТ, из компрессорных цилиндров 8.1, 8.2, 8.3 и 8.4 в камеры сгорания 7.1, 7.2, 7.3 и 7.4 одновременно подают топливо воздушную смесь (ТВС), и при достижении поршнями ВМТ поджигают ТВС в камерах сгорания за счет искрового разряда на свечах зажигания 15.1, 15.2, 15.3 и 15.4. После поджигания ТВС в камерах сгорания 7.1, 7.2, 7.3 и 7.4 зеркальные поршни 5.1, 5.2, 5.3 и 5.4 начинают движение от ВМТ к НМТ совершая рабочий ход, одновременно передавая момент с вала отбора мощности 3 и 4 на синхронизирующий соединительный вал отбора мощности 10 через шестерни 11, 12 и 13. Одновременно зеркальные поршни 6.1* и 6.2*, и 5.1* и 5.2*,модулей В* и С*, начинают движение от НМТ к ВМТ за счет передачи момента от синхронизирующего соединительного вала отбора мощности 10 и запасенной энергии маховиков М10, М3*и М4*, через шестерни 11*, 13*, 12*, и валы отбора мощности 3*,4*на поршни 6.1*,6.2*,5.1* и 5.2*. Во время движения поршней 6.1*,6.2*,5.1* и 5.2* к ВМТ, через компрессорные цилиндры 8.1*,8.2*,8.3* и 8.4* в камеры сгорания 7.1*,7.2*,7.3* и 7.4* подают гомогенную топливо воздушную смесь (ТВС) и после достижения поршнями ВМТ, и одновременного достижения НМП поршнями 5.1, 5.2, 6.1 и 6.2, ТВС в камерах сгорания 7.1*,7.2*,7.3*и 7.4* поджигают свечами зажигания 15.1*,15.2*,15.3* и 15.4*, и цикл повторяется - обеспечивается непрерывная передача крутящего момента на синхронизирующий соединительный вал отбора мощности с увеличением мощности двигателя и его КПД.

При увеличении мощности двигателя, за счет увеличения количества модулей до четырех и более - каждая пара зеркальных поршней верхних и нижних модулей, имеющих общую кривошипную камеру изолированную от остальных пар зеркальных поршней, имеют разницу в угле поворота валов отбора мощности , предыдущих верхних и нижних модулей, между собой, 180 градусов по углу поворота вала отбора мощности. Коленчатые валы второй пары модулей смещены, по углу поворота их коленчатых валов относительно коленчатых валов первой пары модулей на 180 градусов. То есть, когда поршни рабочих цилиндров первой пары модулей находятся в положении - (верхний модуль) в верхней мертвой точке - поршни 6.1 и 6.2, нижний модуль - поршни 5.1 и 5.2 , в верхней мертвой точке, а поршни второй пары модулей, коленчатые валы которых сдвинуты на угол поворота коленчатых валов 180 градусов, относительно положения коленчатых валов первой пары модулей, верхний модуль - поршни 6.1*и 6.2* в нижней мертвой точке, нижний модуль - поршни 5.1*и 5.2* в нижней мертвой точке.

При положении поршней в верхней мертвой точке, в модулях В и С, одновременно поджигается топливо воздушная смесь в камерах сгорания 7.1 и 7.2 цилиндрах 1.1 и 1.2, увеличивается давление в них, поршни 6.1 и 6.2 начинают перемещение от ВМТ к НМТ - рабочий такт. Одновременно поршни 6.1*, 6.2*и 5.1*,5.2* модулей B*и C*, находящиеся в нижней мертвой точке и начинают перемещение от НМТ к ВМТ с одновременной подготовкой топливовоздушной смеси к следующему рабочему такту. В момент достижения этими поршнями ВМТ, через 180 градусов поворота коленчатых валов этих модулей, поршни, одновременно перемещающиеся от ВМТ к НМТ, достигают НМТ и цикл повторяется.

Такая последовательность рабочих тактов, через 180 градусов, обеспечивает равномерную передачу моментов от модулей с одинаковыми тактами работы В-С и В*- С*, через коленчатые валы 3, 3*, 4 и 4*, соединенные с шестернями коленчатых валов 11, 11*, 12, 12* на шестерни синхронизирующего соединительного вала отбора мощности 13, 13* обеспечивая дополнительное улучшение характеристик двигателя.

На фиг. 3 показана вертикальная компоновка предлагаемого двигателя, обеспечивающая возможность улучшать технические и технологические характеристики двигателя, и за счет изменения передаточного отношения шестерен изменять обороты соединительного вала отбора, мощности выполняя функцию редуктора.

Например, для увеличения ресурса работы двигателя работающего круглосуточно, в режиме мотор - генератора, обороты двигателя делают меньше оборотов соединительного вала отбора мощности соединенного с генератором электроэнергии ( нагрузки на шатунно-поршневую группу и кривошипно-шатунный механизм изменяются квадратично при изменении оборотов двигателя), что позволяет за счет подбора передаточного отношения шестерен коленчатого вала модулей соединенных с шестернями соединительного вала отбора мощности выйти на обеспечение заданных характеристик мотор-генератора.

На фиг.2 показаны номера парных зеркальных цилиндров 5.1-5.2 и 6.1- 6.2, тангенциальные силы Т1…..Т4, создающие на коленчатом валу двигателя крутящий момент и К1……К4 - нормальные силы, направленные по радиусу кривошипа. Рабочие такты в четырех цилиндрах проходят одновременно, что значительно компенсирует силы инерции движущихся масс и вибрационные нагрузки на двигатель.

На Фиг.4 показана модульная схема увеличения мощности двигателя при минимальных временных и финансовых затратах запуска производства нового двигателя под решение новых задач с последовательностью работы модулей.

На Фиг.5 показана схема передачи моментов на шестерни 13 и 13* синхронизирующего соединительного вала отбора мощности 10 оппозитного восьмицилиндрового двухтактного двигателя внутреннего сгорания с двумя верхними и двумя нижними модулями, где ТВ + ТВ*- сумма тангенциальных сил образованная тангенциальной силой , создающей на коленчатом валу модуля В крутящий момент ТВ и тангенциальной силой, создающей на коленчатом валу модуля В* крутящий момент ТВ*, и ТС + ТС* - сумма тангенциальных сил образованная тангенциальной силой , создающей на коленчатом валу модуля С крутящий момент ТС и тангенциальной силой , создающей на коленчатом валу модуля С* крутящий момент ТС*.

При избыточной мощности двигателя на части модулей отключают подачу питания на устройства подачи топлива и/или свечи зажигания.

Для поддержания рабочей температуры в модулях и их одинакового времени работы отключения модулей осуществляют попеременно.

Таким образом, предлагаемый оппозитный двигатель внутреннего сгорания обеспечивает достижение технического результата: увеличение ресурса работы двигателя, снижение себестоимости его производства, уменьшение расхода топлива и снижение токсичности отработанных газов - КПД двигателя, расширение области применения.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Многоцилиндровый двухтактный оппозитный двигатель внутреннего сгорания состоит из модулей. Модули содержат камеры сгорания (7.1), (7.2), (7.3), (7.4) с верхним и нижним каналами (16.1), (16.2), (16.3), (16.4) и (17.1), (17.2), (17.3), (17.4), несколько пар рабочих цилиндров (1.1), (1.2), (2.1), (2.2), разнесенных в парах на угол 180 градусов, и устройства передачи возвратно-поступательного движения поршней (5.1), (5.2), (6.1), (6.2) во вращательное движение вала отбора мощности двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Поршни (5.1), (5.2), (6.1), (6.2) рабочих цилиндров (1.1), (1.2), (2.1), (2.2) в парах расположены зеркально относительно друг друга с возможностью возвратно-поступательного движения. Каждый из рабочих цилиндров (1.1), (1.2), (2.1), (2.2) снабжен автономной камерой сгорания (7.1), (7.2), (7.3), (7.4) со свечей зажигания (15.1), (15.2), (15.3), (15.4). Двигатель снабжен несколькими компрессорными цилиндрами (8.1), (8.2), (8.3), (8.4) для гомогенизации и подготовки топливно-воздушной смеси (ТВС). Каждый компрессорный цилиндр (8.1), (8.2), (8.3), (8.4) с устройством подачи топлива подключен к каждой камере (7.1), (7.2), (7.3), (7.4) сгорания каждой пары рабочих цилиндров (1.1), (1.2), (2.1), (2.2). Каждая пара рабочих цилиндров (1.1), (1.2), (2.1), (2.2) снабжена отдельной кривошипной камерой (9.1), (9.2). Парные зеркальные поршни (5.1) и (5.2), (6.1) и (6.2) парных рабочих цилиндров установлены с возможностью одновременно совершать рабочий ход. Двигатель имеет два или более верхних и нижних модулей (B), (B*), (C), (C*) с одинаковыми тактами работы, расположенных между собой зеркально относительно горизонтальной оси. Горизонтальная ось является осью синхронизирующего соединительного вала (10) отбора мощности с шестернями (13), (13*) соединенными с шестернями (11), (11*), (12), (12*) валов отбора мощности верхних и нижних модулей. Раскрыт способ управления двигателем. Технический результат заключается в увеличении ресурса работы двигателя. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Многоцилиндровый двухтактный оппозитный двигатель внутреннего сгорания состоит из модулей, содержащих камеры сгорания (7.1), (7.2), (7.3), (7.4) с верхним и нижним каналами (16.1), (16.2), (16.3), (16.4) и (17.1), (17.2), (17.3), (17.4), несколько пар рабочих цилиндров (1.1), (1.2), (2.1), (2.2), разнесенных в парах на угол 180 градусов, и устройства передачи возвратно-поступательного движения поршней (5.1), (5.2), (6.1), (6.2) во вращательное движение вала (3), (4) отбора мощности двигателя внутреннего сгорания (ДВС), поршней (5.1), (5.2), (6.1), (6.2) рабочих цилиндров (1.1), (1.2), (2.1), (2.2), в парах расположенных зеркально относительно друг друга с возможностью возвратно-поступательного движения, при этом каждый из рабочих цилиндров (1.1), (1.2), (2.1), (2.2) снабжен автономной камерой сгорания (7.1), (7.2), (7.3), (7.4) со свечей зажигания (15.1), (15.2), (15.3), (15.4), двигатель снабжен несколькими компрессорными цилиндрами (8.1), (8.2), (8.3), (8.4) для гомогенизации и подготовки топливно-воздушной смеси (ТВС), причем каждый компрессорный цилиндр (8.1), (8.2), (8.3), (8.4) с устройством подачи топлива подключен к каждой камере (7.1), (7.2), (7.3), (7.4) сгорания каждой пары рабочих цилиндров (1.1), (1.2), (2.1), (2.2), а каждая пара рабочих цилиндров (1.1), (1.2), (2.1), (2.2) снабжена отдельной кривошипной камерой (9.1), (9.2), а парные зеркальные поршни (5.1) и (5.2), (6.1) и (6.2) парных рабочих цилиндров установлены с возможностью одновременно совершать рабочий ход, отличающийся тем, что двигатель имеет два или более верхних и нижних модулей (B), (B*), (C), (C*) с одинаковыми тактами работы, расположенных между собой зеркально относительно горизонтальной оси, являющейся осью синхронизирующего соединительного вала (10) отбора мощности с шестернями (13), (13*), соединенными с шестернями (11), (11*), (12), (12*) валов отбора мощности верхних и нижних модулей.

2. Многоцилиндровый двухтактный оппозитный двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что каждая пара зеркальных поршней верхних и нижних модулей (B), (B*), (C), (C*) имеют разницу в угле поворота валов отбора мощности, предыдущих верхних и нижних модулей, между собой 180 градусов по углу поворота вала отбора мощности.

3. Способ управления двигателем по п. 1, заключающийся в регулировании мощности, отличающийся тем, что мощность двигателя, дополнительно регулируют за счет прекращения или подачи питания на электроды свечей зажигания и в устройства подачи топлива одновременно на пары модулей, состоящих из верхних и нижних модулей с одинаковыми тактами работы модулей, причем отключение или подачу питания на парные модули осуществляют попеременно.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что характеристики двигателя меняют за счет изменения передаточного отношения шестерен валов отбора мощности, верхних и нижних модулей, с шестернями синхронизирующего соединительного вала отбора мощности.