ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ)
INTERNAL COMBUSTION ENGINE (VERSIONS)

Изобретение относится к автомобилестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания.
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС), как правило, имеют кривошипно-шатунный механизм, служащий для преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. С целью разгрузки стенок цилиндра от боковых сил, вызываемых наклоном шатуна при вращении кривошипа, раньше устанавливали крейцкопф. В дальнейшем функцию крейцкопфа упразднили, увеличив высоту поршня и улучшив смазку кривошипно-шатунного механизма [1].
Известен двигатель внутреннего сгорания VCR (Variable Compression Ratio), разработанный Французской фирмой МСЕ-5 Development, для концерна «Пежо-Ситроен», в котором поршни связаны с шатуном через зубчатый сектор. Опорный зубчатый ролик обеспечивает строго возвратно-поступательное движение поршня. Благодаря этому отсутствуют боковые силы, характерные для обычного двигателя внутреннего сгорания. Заметно снижаются трение и износ в цилиндропоршневой группе [2]. Однако это достигнуто за счет очень сложной кинематики кривошипно-шатунного механизма, в данном двигателе поршень связан с кривошипно-шатунным механизмом через зубчатый сектор, кроме того, строго возвратно-поступательное движение поршня обеспечивается за счет дополнительного опорного зубчатого ролика.
Коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания имеет высокую стоимость, сложную форму, большой вес, требуется дорогостоящее кузнечно-прессовое оборудование для его изготовления, точная механическая обработка, с финишной обработкой шеек коленчатого вала.
Фирма «GF Отомотив» разрабатывает новую технологию изготовления полого коленчатого вала, методом литья из дорогостоящего сплава «Sibodur», с последующим упрочнением его поверхности обкатыванием роликами. Однако данный способ изготовления сложен, трудоемок и требует дорогостоящего оборудования [3].
Известен двигатель внутреннего сгорания, в котором механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движения вала выполнен в виде зубчатой передачи попеременного зацепления, состоящей из шестерни и колеса, имеющего форму овала, поверхности которого, соответствующие большой оси, выполнены зубчатыми с меньшей кривизной, попеременно взаимодействующими с шестерней, а поверхности, соответствующие малым осям, выполнены гладкими и с большей кривизной, но не более кривизны зубьев шестерни, и в рабочем цикле соответствуют фазе смены направления движения поршней. Параллельно шестерне установлен кулачок, попеременно взаимодействующий с упорами, поршни спаренных противоположно расположенных цилиндров жестко соединены стяжками, а соединение поршня с колесом зубчатой передачи вынесено из рабочей зоны на консоль штока с фланцем для крепления стяжек и направляющей рамкой упруго-подвижного ползуна с перпендикулярно установленной осью, концевые участки которой находятся в проушинах колеса зубчатой передачи, при этом ползун установлен с возможностью перемещения в фазе смены направления движения поршней в сторону отклонения зубчатой поверхности колеса минимум на высоту зуба и с возможностью оптимально устанавливаться в период однонаправленного движения поршней [4].
Упруго-подвижный ползун работает в очень тяжелых условиях, приводной вал вращается со скоростью 5000-6000 оборотов в минуту, поэтому надежность и долговечность работы двигателя ставится под сомнение, нечеткая работа данного механизма может привести к поломке зубьев, кроме того, упруго-подвижный ползун создает дополнительную радиальную нагрузку на поршень и, соответственно, на стенки цилиндра.
К недостаткам этого двигателя относится сложный контур колеса, выполненный из участков различной кривизны, а также наличие и работа упруго-подвижного ползуна.
Наиболее близким техническим решением, является преобразователь движения, содержащий четыре цилиндра, расположенные попарно. Поршни взаимно противоположных цилиндров связаны друг с другом неподвижно штангой. Преобразователь содержит первую и вторую пару неподвижно связанных параллельных зубчатых реек, находящихся в зацеплении с соответствующими сегментными шестернями, установленными неподвижно на выходном валу. В каждой сегментной шестерне зубья занимают менее половины его делительной окружности. Сегментные шестерни, взаимодействующие с соответствующими зубчатыми рейками, сдвинуты относительно друг друга на определенный угол, преимущественно на 90° [5]. К недостаткам этого двигателя относится большая нагрузка на зубчатый сектор колеса со стороны рамки с зубчатыми рейками. Указанный двигатель выбран в качестве прототипа.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении долговечности и надежности двигателя за счет уменьшения трения между зубчатыми секторами колеса и зубчатыми рейками.
В первом варианте осуществления изобретения технический результат достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндры со съемными головками, поршни с поршневыми кольцами, газораспределительный механизм, систему охлаждения, систему смазки, систему питания, систему зажигания, попарно соединенные поршни через штанги с рамкой с зубчатыми рейками таким образом, что если один поршень находится в верхней мертвой точке, то другой поршень - в нижней мертвой точке, а преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала происходит за счет перемещения рамки с зубчатыми рейками, которые входят в зацепление с зубчатыми секторами колес, установленных на выходном валу, содержит рамку, выполненную с верхними и нижними зубчатыми рейками, продольные оси верхних и нижних реек смещены относительно друг друга и относительно оси поршней, а на выходном валу устанавливается второе колесо с зубчатым сектором.
Во втором варианте осуществления изобретения технический результат достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндры со съемными головками, поршни с поршневыми кольцами, попарно соединенные через рамку с зубчатыми рейками таким образом, что если один поршень находится в верхней мертвой точке, то другой поршень - в нижней мертвой точке, а преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала происходит за счет перемещения зубчатой рейки, которая входит в зацепление с зубчатым сектором колеса, установленного на выходном валу, содержит зубчатые рейки, установленные на рамке и зубчатые сектора колес, установленные на выходном валу, обладающие намагниченностью, или намагниченностью обладает один из элементов зубчатой пары.
Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом (см. фиг.8, 9).
Поршень в первом цилиндре перемещается от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, оба клапана закрыты. Давление в цилиндре и температура рабочей смеси повышаются. В конце такта сжатия рабочая смесь в первом цилиндре воспламеняется, происходит быстрое сгорание горючей смеси. Давление и температура в цилиндре повышаются. Давление газов передается на поршень, поршень перемещается к нижней мертвой точке, перемещая рамку с зубчатыми рейками, верхняя зубчатая рейка входит в зацепление с зубчатым сектором колеса, установленного на выходном валу, заставляя колесо, выходной вал и маховик вращаться. Поршень во втором цилиндре перемещается от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, впускной клапан закрыт, выпускной клапан открыт. Отработанные газы из второго цилиндра поступают в выпускной трубопровод и далее через глушитель в атмосферу. На выходном валу установлено второе колесо, зубчатый сектор которого при вращении входит в зацепление с нижней зубчатой рейкой, перемещая рамку и поршень в третьем цилиндре из нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, оба клапана закрыты, в конце такта сжатия рабочая смесь в третьем цилиндре воспламеняется, происходит быстрое сгорание горючей смеси, давление и температура в цилиндре повышаются, давление газов передается на поршень, поршень перемещается к нижней мертвой точке, перемещая рамку, верхняя зубчатая рейка входит в зацепление со вторым зубчатым сектором колеса, установленном на выходном валу, заставляя колесо, выходной вал и маховик вращаться. Поршень в четвертом цилиндре перемещается из нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, впускной клапан закрыт, выпускной клапан открыт. Отработанные газы из четвертого цилиндра поступают в выпускной трубопровод и далее через глушитель в атмосферу.
Выходной вал, вращаясь, вводит сектор первого колеса в зацепление с верхней рейкой, перемещая рамку и поршень во втором цилиндре от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, оба клапана закрыты. Давление во втором цилиндре и температура рабочей смеси повышаются. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется, происходит быстрое сгорание горючей смеси. Давление и температура в цилиндре повышаются, давление газов передается на поршень, поршень перемещается к нижней мертвой точке, перемещая рамку с зубчатыми рейками, нижняя зубчатая рейка входит в зацепление с зубчатым сектором колеса, установленном на выходном валу, заставляя колесо, выходной вал и маховик, вращаться. Одновременно поршень в первом цилиндре перемещается от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, впускной клапан закрыт, выпускной клапан открыт. Отработанные газы из первого цилиндра поступают в выпускной трубопровод и далее через глушитель в атмосферу. Установленный на выходном валу второй зубчатый сектор колеса, вращаясь, входит в зацепление с верхней зубчатой рейкой, перемещая рамку с зубчатыми секторами и поршень в четвертом цилиндре из нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, оба клапана закрыты, в конце такта сжатия рабочая смесь в четвертом цилиндре воспламеняется, происходит быстрое сгорание горючей смеси, давление и температура в цилиндре повышаются. Давление газов передается на поршень, поршень перемещается к нижней мертвой точке, перемещая рамку с зубчатыми рейками, нижняя зубчатая рейка входит в зацепление со вторым зубчатым сектором колеса, установленного на выходном валу, заставляя колесо, выходной вал и маховик вращаться. Одновременно поршень в третьем цилиндре перемещается из нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, впускной клапан закрыт, выпускной клапан открыт. Отработанные газы из третьего цилиндра поступают в выпускной трубопровод и далее через глушитель в атмосферу.
Далее процессы, происходящие в цилиндрах, повторяются в указанной выше последовательности.
Расположение попарно соединенных поршней в четырехцилиндровом двигателе могут совпадать или находиться в противофазе.
Пример чередования тактов в четырехцилиндровом четырехтактном двигателе внутреннего сгорания указан в таблице 1.
Таблица 1
Номер цилиндра
Такты в цилиндрах
1
2
3
4
Первый
Рабочий ход
Выпуск
Впуск
Сжатие
Второй
Выпуск
Впуск
Сжатие
Рабочий ход
Третий
Сжатие
Рабочий ход
Выпуск
Впуск
Четвертый
Впуск
Сжатие
Рабочий ход
Выпуск
На фиг.1 показан разрез поршневой группы, когда правый поршень находится в верхней мертвой точке. На фиг.2 показан разрез реечной передачи, в которой продольные оси верхней и нижней реек совпадают с осью поршней. На фиг.3 показан разрез реечной передачи, в которой продольные оси верхней и нижней реек смещены относительно друг друга и относительно оси поршней. На фиг.4 показан фрагмент реечной передачи со смещенными рейками, когда левый поршень начинает рабочий ход. На фиг.5 показан фрагмент реечной передачи со смещенными рейками, когда правый поршень начинает рабочий ход. На фиг.6 показан разрез поршневой группы, когда левый поршень находится в верхней мертвой точке. На фиг.7 показан разрез поршневой группы, когда левый поршень находится в верхней мертвой точке, а пунктирными линиями, когда он находится в нижней мертвой точке. На фиг.8 показан разрез четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, в котором продольные оси верхней и нижней реек совпадают между собой и с осью поршней. На фиг.9 показан разрез четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, в котором продольные оси верхней и нижней реек смещены относительно друг друга и относительно оси поршней.
Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания содержит: цилиндры 1, 11 и 19, 31 со съемными головками (съемные головки не показаны), поршни 2, 10 и 20, 30 с поршневыми кольцами, соединенные через штанги 3, 9 и 21, 29 и подшипники скольжения 4, 8 и 22, 28 с рамками 5 и 23 с зубчатыми рейками, соответственно 6, 7 и 24, 25, а внутри между зубчатыми рейками 6, 7 и 24, 25 находится выходной вал 12, на котором установлены колеса 13 и 26 с зубчатыми секторами 14 и 27.
Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.
Поршень 2 в цилиндре 1 перемещается от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, оба клапана закрыты. Давление в цилиндре и температура рабочей смеси повышаются. В конце такта сжатия рабочая смесь в цилиндре 1 воспламеняется, происходит быстрое сгорание горючей смеси. Давление и температура в цилиндре 1 повышаются. Давление газов передается на поршень 2, поршень 2 перемещается к нижней мертвой точке, перемещая рамку 5 с зубчатыми рейками 6 и 7, зубчатая рейка 6 входит в зацепление с зубчатым сектором 14 колеса 13, установленного на выходном валу 12, заставляя колесо 13, выходной вал 12 и маховик 32 вращаться. Поршень 10 в цилиндре 11 перемещается от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, впускной клапан закрыт, выпускной клапан открыт. Отработанные газы из цилиндра 11 поступают в выпускной трубопровод и далее через глушитель в атмосферу. На выходном валу 12 установлено колесо 26, зубчатый сектор 27 которого при вращении входит в зацепление с зубчатой рейкой 25, перемещая рамку 23 и поршень 20 в цилиндре 19 из нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, оба клапана закрыты, в конце такта сжатия рабочая смесь в цилиндре 19 воспламеняется, происходит быстрое сгорание горючей смеси, давление и температура в цилиндре 19 повышаются, давление газов передается на поршень 20, поршень 20 перемещается к нижней мертвой точке, перемещая рамку 23, зубчатая рейка 24 входит в зацепление с зубчатым сектором 27 колеса 26, установленном на выходном валу 12, заставляя колесо 26, выходной вал 12 и маховик 32 вращаться. Поршень 30 в цилиндре 31 перемещается из нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, впускной клапан закрыт, выпускной клапан открыт. Отработанные газы из цилиндра 31 поступают в выпускной трубопровод и далее через глушитель в атмосферу.
Выходной вал 12, вращаясь, вводит сектор 14 колеса 13 в зацепление с рейкой 6, перемещая рамку 5 и поршень 10 от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, оба клапана закрыты. Давление в цилиндре 11 и температура рабочей смеси повышаются. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется, происходит быстрое сгорание горючей смеси. Давление и температура в цилиндре 11 повышаются, давление газов передается на поршень 10, поршень 10 перемещается к нижней мертвой точке, перемещая рамку 5 с зубчатыми рейками 6 и 7, зубчатая рейка 7 входит в зацепление с зубчатым сектором 14 колеса 13, установленном на выходном валу 12, заставляя колесо 13, выходной вал 12 и маховик 32 вращаться. Одновременно поршень 2 в цилиндре 1 перемещается от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, впускной клапан закрыт, выпускной клапан открыт. Отработанные газы из цилиндра 1 поступают в выпускной трубопровод и далее через глушитель в атмосферу. Установленный на выходном валу 12 зубчатый сектор 27 колеса 26, вращаясь, входит в зацепление с зубчатой рейкой 24, перемещая рамку 23 с зубчатыми секторами 24, 25 и поршень 30 в цилиндре 31 из нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, оба клапана закрыты, в конце такта сжатия рабочая смесь в цилиндре 31 воспламеняется, происходит быстрое сгорание горючей смеси, давление и температура в цилиндре 31 повышаются. Давление газов передается на поршень 30, поршень 30 перемещается к нижней мертвой точке, перемещая рамку 23 с зубчатыми рейками 24 и 25, зубчатая рейка 25 входит в зацепление с зубчатым сектором 27 колеса 26, установленного на выходном валу 12, заставляя колесо 26, выходной вал 12 и маховик 32 вращаться. Одновременно поршень 20 в цилиндре 19 перемещается из нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, впускной клапан закрыт, выпускной клапан открыт. Отработанные газы из цилиндра 19 поступают в выпускной трубопровод и далее через глушитель в атмосферу. Далее процессы, происходящие в цилиндрах, повторяются в указанной выше последовательности.
γ - угол поворота выходного вала 10 за ход поршня выражается отношением:
,
где S - ход поршня; ρ - шаг торцовый; z - число зубьев колеса.
Реечная зубчатая передача может быть с прямыми и косыми зубьями, иметь шевронное, роликовое (шариковое) зацепление.
Преимущество данного двигателя внутреннего сгорания состоит в том, что попарно соединенные поршни обеспечивают строго возвратно-поступательное движение поршней без каких-либо дополнительных устройств.
Благодаря этому отсутствуют боковые силы, характерные для обычного двигателя внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом. Заметно снижаются трение и износ в цилиндропоршневой группе. Упростилась конструкция, уменьшилась масса поршня. Преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала происходит за счет перемещения рамки с зубчатыми рейками, которые при перемещении входят в зацепление с зубчатым сектором колеса, установленного на выходном валу, заставляя его вращаться.
Конструкция рамки с зубчатыми рейками и выходного вала с колесами, имеющими зубчатые сектора, намного проще и технологичнее кривошипно-шатунного механизма.
В данном двигателе внутреннего сгорания отсутствует кривошипно-шатунный механизм, нет поршневых пальцев, шатунов, коленчатого вала. Коленчатые валы имеют высокую стоимость изготовления, сложную форму, большой вес. Частота вращения коленчатого вала достигает 6000 и более оборотов в минуту. Возникают большие центробежные силы, действующие на шатунные шейки, щеки и нижние головки шатунов. Эти силы воздействуют на коренные подшипники, вызывая их ускоренный износ. Кроме того, максимальный крутящий момент в кривошипно-шатунном механизме возникает, когда поршень находится на середине расстояния хода поршня, убывая при приближении к верхней и нижней мертвым точкам.
В данном двигателе внутреннего сгорания крутящий момент выходного вала практически не меняется на всем пути прохождения рабочего хода поршня.
Конструкция рамки с зубчатыми рейками и выходного вала с колесами, имеющими зубчатые сектора, компактнее, намного проще и технологичнее кривошипно-шатунного механизма.
Таким образом, предложенный двигатель внутреннего сгорания по сравнению с традиционным двигателем внутреннего сгорания имеет меньшую массу, более компактен и технологичен, менее трудоемок. Снижаются трение и износ в цилиндропоршневой группе, отсутствуют центробежные силы, действующие на шатунные шейки, щеки, нижние головки шатунов и коренные подшипники. В результате чего увеличивается коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания, уменьшается расход топлива, уменьшается стоимость его изготовления.
При перемещении рамки зубчатая рейка входит в зацепление с зубчатым сектором колеса, установленного на выходном валу, при зацеплении происходит трение и износ зубчатой пары. Смазка снижает потери на трение и тем самым уменьшает износ деталей.
Для запуска двигателя внутреннего сгорания применяется стартер, который раскручивает коленчатый вал двигателя, при этом потребляется большой пусковой ток от аккумуляторной батареи, разряжая ее.
По второму варианту осуществления изобретения для уменьшения трения в зубчатой паре, а также для улучшения условий для запуска двигателя внутреннего сгорания, в двигателе внутреннего сгорания зубчатые рейки, установленные на рамке, и зубчатые сектора, установленные на выходном валу, обладают намагниченностью.
При вхождении в зацепление зубчатой рейки с зубчатым сектором колеса, с однонаправленной намагниченностью, например при рабочем ходе поршня, зубья рейки и зубья сектора колеса отталкиваются, получается воздушный магнитный зазор, который играет роль дополнительной смазки, в результате чего снижаются потери на трение и тем самым уменьшается износ зубьев колеса и рейки.
При намагниченности зубчатой рейки рамки и зубчатого сектора колеса, установленного на выходном валу двигателя, при выключенном сцеплении и выключении зажигания выходной вал двигателя занимает определенное положение, например перед вхождением в зацепление зубчатой рейки рамки с зубчатым сектором колеса, при однонаправленной намагниченности, или притяжением зубчатой рейки рамки к зубчатому сектору колеса, при разнонаправленной намагниченности (или, например, определенное положение сектора колеса, при подаче дополнительного импульса на катушку индуктивности, установленной на рамке, на чертежах не показано). Для благоприятного условия запуска двигателя внутреннего сгорания нужно, чтобы поршень в одном из цилиндров (или, например в двух цилиндрах) находился в положении чуть раньше верхней мертвой точки. В этот момент происходит впрыск топлива в этот цилиндр (цилиндры) и первая вспышка повернет выходной вал, это позволит сжать воздух в соседнем цилиндре. Если в определенный момент топливо впрыскивается в него, вспышка получается значительно мощнее, и мотор начинает вращаться. При этом экономится энергия аккумуляторной батареи. Появляется возможность использовать аккумуляторную батарею меньшей емкости, имеющую меньшую массу и более дешевую.
Намагниченностью могут обладать по отдельности только зубчатые сектора колеса, установленного на выходном валу, или зубчатые рейки рамки, а также пара, сектор зубчатого колеса и зубья рейки рамки.
Зубья рейки рамки и сектор (сектора) зубчатого колеса, установленного на выходном валу, могут изготовляться из легированной стали, например 40 ХН или 30 ХМА, или намагниченной легированной стали, а также из магнитотвердых специализированных материалов, например металлокерамических магнитов.
Источники информации
1. Основы конструирования. П.И.Орлов. «Машиностроение», 1988 г.
2. За рулем №1, 2006 г., рубрика «новинки, исследования, изобретения».
3. За рулем №7, 2007 г., рубрика «новинки, исследования, изобретения».
4. Патент RU 2178825 С1, опубл. 27.01.2002.
5. Патент RU 2308603 С2, опубл. 20.10.2007.