ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания. Он может использоваться для совершения определенной механической работы, например, как автомобильный двигатель, двигатель для иного транспорта, или силовых приводов различных агрегатов.
Двигатель внутреннего сгорания - тепловая машина, преобразующая химическую энергию топлива в полезную механическую работу, в настоящее время является основным видом автомобильного двигателя.
Наиболее распространен поршневой двигатель внутреннего сгорания. Его основным узлом является блок цилиндров. В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает внутри цилиндров, а выделяющаяся при этом тепловая энергия преобразуется в механическую работу.
Совокупность процессов, периодически повторяющихся в определенной последовательности в цилиндре, является рабочим циклом, а процесс, происходящий в цилиндре за один ход его поршня, является тактом.
Ход поршня - путь, проходимый поршнем от одной мертвой точки до другой, при этом мертвыми точками являются крайние верхнее и нижнее положения поршня, где его скорость равна нулю.
Рабочий цикл четырехтактного двигателя совершается за 4 хода поршня (такта), то есть за 2 оборота коленчатого вала.
Первый такт - впуск рабочего тела. При движении поршня от верхней мертвой точки вниз вследствие увеличения объема в цилиндре создается разрежение, под действием которого из карбюратора, через открывающийся впускной клапан, в цилиндр поступает рабочее тело - горючая смесь, например паров бензина с воздухом. В цилиндре горючая смесь смешивается с оставшимися в нем от предыдущего рабочего цикла отработавшими газами и образует рабочую смесь.
2
2
Второй такт - сжатие рабочего тела. Поршень движется вверх, при этом оба клапана закрыты. Так как объем в цилиндре уменьшается, то происходит сжатие рабочей смеси. Смесь сжимается до давления 0,8-2 Мн./м (8-20 кгс/см) температура смеси в конце сжатия составляет 200-400°C.
Третий такт - рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется электрической искрой и быстро сгорает (за 0,001-0,002 с). При этом происходит выделение большого количества тепла и газы, расширяясь, создают сильное давление на поршень, перемещая его вниз. Сила давления газов от поршня передается через поршневой палец и шатун на коленчатый вал, создавая на нем крутящий момент. Таким образом, во время рабочего хода происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу.
Четвертый такт - выпуск. После совершения полезной работы поршень движется вверх и выталкивает отработавшие газы наружу через открывающийся выпускной клапан.
Из рабочего цикла двигателя следует, что полезная работа совершается только в течение рабочего хода, а остальные три такта являются вспомогательными. Для равномерности вращения коленчатого вала, связанного с цилиндрами, на его конце устанавливают маховик, обладающий значительной массой. Маховик получает энергию при рабочем ходе, и часть ее отдает на совершение вспомогательных тактов.
В целях получения большей мощности и равномерного вращения коленчатого вала, двигатели выполняют многоцилиндровыми. Так, известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий четыре цилиндра. Цилиндры установлены вертикально, а их оси параллельны друг другу. Рабочие циклы в каждом из цилиндров не совпадают по фазе, чем достигается равномерность работы двигателя. В четырехцилиндровом двигателе за два оборота коленчатого вала получается не один, а четыре рабочих хода.
Известен двигатель внутреннего сгорания, включающий четыре цилиндра, каждый из которых содержит во внутренней полости поршень, установленный соосно с цилиндром и возможностью совершения возвратно-поступательного движения вдоль оси цилиндра, а также вход для свежего рабочего тела и выход для отработанного рабочего тела [http://www.pd.d25.ru/publ/ustojstvo_avtomobilja/obshhee_ustrojstvo_i_rabota_dvigatelja/5-1-0-48, Рис.6]. Когда поршень каждого цилиндра совершает рабочий ход, кривошипно-шатунный механизм преобразует его прямолинейное движение во вращательное движение коленчатого вала двигателя.
Недостатками описанного двигателя и других аналогичных ему двигателей являются:
- высокий уровень шума и вибраций, обусловленный вращением коленчатого вала с большой частотой и обусловленный наличием боковых нагрузок на цилиндры;
- необходимость использования компрессионных колец;
- низкий коэффициент полезного действия - не более 50%;
- сложность в организации охлаждения двигателя, который значительно нагревается теплом, получаемым от сгорания топлива, а также теплом, выделяемым при трении поршней, снабженных компрессионными кольцами, при трении о поверхность цилиндра.
Известна поршневая машина, содержащая четыре полых цилиндра, каждый из которых снабжен поршнем, установленным в его полости и соосно с ним с возможностью совершения возвратно-поступательного движения, входом для поступления в полость цилиндра свежего рабочего тела и выходом для удаления из полости цилиндра отработанного рабочего тела, при этом цилиндры расположены попарно таким образом, что цилиндры одной пары имеют общую ось и установлены оппозитно друг другу, а оси пар цилиндров расположены в общей плоскости и пересекаются между собой под прямым углом, поршни цилиндров установлены в названной плоскости цилиндров между цилиндрами каждой пары, машина имеет четыре коленчатых вала, установленных перпендикулярно плоскости цилиндров с возможностью их вращения, названные валы имеют зубчатые колеса, которые находятся в зацеплении между собой и соединяются со штоками поршней парой шатунов, один из которых соединен с первым, а другой - со вторым валом [Патент РФ №2096638 МПК F02B 75/32, F02B 75/22]. Эта поршневая машина является наиболее близким аналогом предлагаемой и принята за прототип предлагаемого изобретения.
Недостатками прототипа являются наличие шума и биений при работе, обусловленных соединением шатунов со штоком, что способствует возможным поломкам.
Изобретение решает задачу создания двигателя внутреннего сгорания, идеально уравновешенного, имеющего низкий уровень шума и вибраций.
Поставленная задача решается тем, что предлагается двигатель внутреннего сгорания, включающий четыре полых цилиндра, каждый из которых снабжен поршнем, установленным в его полости и соосно с ним, входом для поступления в полость цилиндра свежего рабочего тела и выходом для удаления из полости цилиндра отработанного рабочего тела, при этом цилиндры расположены попарно таким образом, что цилиндры одной пары имеют общую ось и установлены неподвижно и напротив друг друга, а соответствующие им поршни установлены с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль названной оси пары цилиндров, сближаясь и отдаляясь между собой, оси названных пар цилиндров расположены в общей плоскости цилиндров и пересекаются между собой под прямым углом, причем двигатель имеет четыре вала, установленных перпендикулярно общей плоскости цилиндров с возможностью вращения, каждый из которых кинематически соединен с соответствующими поршнями кривошипно-шатунными механизмами таким образом, что возвратно-поступательное движение названных поршней преобразуется во вращательное движение названных валов, у которого цилиндры установлены между поршнями каждой пары цилиндров противоположно друг другу и каждый поршень подвижно соединен с двумя парами шатунов кривошипно-шатунных механизмов, причем названные кривошипно-шатунные механизмы одной пары шатунов и другой пары шатунов расположены с противоположных сторон от общей плоскости цилиндров.
Каждый кривошипно-шатунный механизм может содержать кривошипный зубчатый диск, установленный неподвижно на соответствующий вал, к которому в общей точке подвижно присоединена одним концом пара шатунов, а вторым концом каждый шатун пары шатунов подвижно соединен с соответствующим поршнем, при этом шатуны пары шатунов соединены с соседними поршнями.
Каждый кривошипно-шатунный механизм может содержать кривошип, установленный неподвижно на соответствующий вал, к которому в общей точке подвижно присоединена одним концом пара шатунов, а вторым концом каждый шатун пары шатунов подвижно соединен с соответствующим поршнем, при этом шатуны пары шатунов соединены с соседними поршнями.
Одна пара кривошипно-шатунных механизмов может содержать кривошипные зубчатые диски, установленные неподвижно на соответствующие валы, а вторая пара кривошипно-шатунных механизмов содержит кривошипы, установленные неподвижно на соответствующие валы, к которым в общей точке подвижно присоединена одним концом пара шатунов, а вторым концом каждый шатун пары шатунов подвижно соединен с соответствующим поршнем, при этом шатуны пары шатунов соединены с соседними поршнями.
При нахождении поршней в цилиндрах одной пары цилиндров в положении верхней мертвой точки, поршни в цилиндрах второй пары цилиндров находятся в положении, близком к нижней мертвой точке.
Рабочим телом преимущественно является топливно-воздушная смесь.
Целесообразно, чтобы внутренняя поверхность каждого цилиндра и внешняя поверхность каждого поршня имели износостойкое покрытие с низкой шероховатостью, например покрытие, выполненное микродуговым оксидированием (МДО), или термоэлектрическим оксидированием (ТЭО).
Каждый поршень может быть снабжен направляющими для его более ровного хода.
Предлагаемое изобретение проиллюстрировано следующими фигурами.
На фиг.1-3 схематично изображен предлагаемый двигатель с кривошипными зубчатыми дисками в кривошипно-шатунном механизме и схема его работы, где: фиг.1 - положение поршней двигателя в первой мертвой точке, фиг.2 - положение поршней в равновесном состоянии, фиг.3 - положение поршней двигателя во второй мертвой точке; на фиг.1 - 3 позиции: 1 - поршень, 2 - цилиндр, 3 - шатун, 4 - кривошипный зубчатый диск, 5 - вал отбора мощности, 6 - вал.
На фиг.4 изображен предлагаемый двигатель, где: 1 - поршень, 2 - цилиндр, 3 - шатун, 4 - кривошипный зубчатый диск, 5 - вал отбора мощности, 6 - вал.
Предлагаемый двигатель работает следующим образом (на примере, изображенном на фиг.1-3).
Установленные на одной оси и направленные своими полостями в противоположные стороны цилиндры 2 составляют пару цилиндров. Соответствующие паре цилиндров поршни 1 расположены оппозитно друг другу. Поршни, относящиеся к одной паре цилиндров, установлены на общей оси и направлены головками навстречу соответствующему им цилиндру. Оси двух пар цилиндров находятся в одной плоскости, где пересекаются под прямым углом в плоскости цилиндров. Каждый поршень установлен с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль оси пары цилиндров и поршни каждой пары цилиндров при работе двигателя сближаются и отдаляется друг от друга таким образом, что занимают в цилиндрах поочередно крайние мертвые точки, или точки, близкие к крайним - верхнюю и нижнюю.
Изображенное на фиг.1 положение соответствует началу работы двигателя. Вертикально расположенная пара цилиндров находится в крайнем положении, при этом соответствующие поршни находятся внутри соответствующих цилиндров. Далее, горизонтально расположенная пара поршней начинает поступательное движение вдоль оси этой пары цилиндров навстречу друг другу. При этом в каждый цилиндр этой пары цилиндров подают одновременно рабочее тело, а именно топливно-воздушную смесь. Топливно-воздушная смесь поступает в полости каждого из пары цилиндров через клапаны для впуска свежего рабочего тела. При этом осуществляется первый такт - впуск рабочего тела в полость цилиндра. Поршни продолжают движение навстречу друг другу, заставляя вращаться навстречу друг другу зубчатые кривошипные диски 4, к которым присоединены соответствующие им шатуны 3. При этом все поршни проходят положение, изображенное на фиг.2, где они располагаются на одинаковом расстоянии от центра двигателя. Когда каждый поршень доходит до точки, где он занимает нижнюю мертвую точку, происходит сильное сжатие и воспламенение топливно-воздушной смеси - второй такт работы двигателя. При горении топливно-воздушная смесь увеличивается в объеме и заставляет двигаться поршни одной пары в противоположном друг другу направлении к верхней мертвой точке - третий такт работы двигателя, где происходит выпуск отработавшей смеси - четвертый такт работы - положение, изображенное на фиг.3. Поскольку каждый поршень связан через шатуны с двумя соседними кривошипными дисками, они при движении поршней заставляют вращаться кривошипные диски, а поскольку те насажены на валы 6 неподвижно, то и эти валы также вращаются. Поскольку двигатель выполнен таким образом, что при сближении одной пары поршней другая пара поршней отдаляется друг от друга, то есть их циклы противоположны, в разное время крутящий момент от поршней получают разные валы, однако они продолжают вращаться, получая дополнительный крутящий момент по инерции от шатунов. Вторая пара поршней осуществляет цикл аналогично вышеописанному.
Двигатель должен быть выполнен так, чтобы при достижении одной парой поршней верхней мертвой точки, вторая пара поршней занимала положение, близкое к нижней мертвой точке. При работе двигателя в каждом цилиндре осуществляются следующие такты: впуск рабочего тела через входной клапан, сжатие рабочего тела и его воспламенение, рабочий ход - сгорание и расширение рабочего тела и выпуск рабочего тела через выходной клапан. Поршень совершает только два хода вдоль оси - от нижней мертвой точки к верхней и от верхней мертвой точки к нижней. Этого достаточно, чтобы придать валам крутящий момент через кривошипно-шатунные механизмы. Каждый вал получает вращающий момент от двух поршней, работающих в противофазе. В результате КПД двигателя повышается в сравнении с прототипом. Вращающий момент получают одновременно четыре вала, что также повышает КПД двигателя. Движение поршней в общей плоскости и сцепление между собой кривошипных зубчатых дисков 4 способствует равномерной работе двигателя без тряски и шума. Крутящий момент от валов 6 передается валу отбора мощности 5.
Если нанести износостойкое покрытие с низкой шероховатостью на основные детали двигателя, например, методом микродугового оксидирования нанести покрытие на внутренние поверхности цилиндров и боковые поверхности поршней, трение поверхностей будет минимальным и минимальным будет выделение тепла, что дает возможность либо вообще обойтись без системы охлаждения двигателя, либо существенно ее упростить.
Каждый зубчатый кривошипный диск неподвижно закреплен на соответствующем валу, которому он передает вращательное движение. Вращательный момент от валов передается валам съема энергии 5. Аналогично описанному осуществляется работа двигателя внутреннего сгорания, где вместо зубчатых кривошипных дисков используется традиционный кривошип, только кривошипы работают в автономном режиме, без взаимного соприкосновения, как показано на фиг.4.
Наличие четырех цилиндров и восьми кривошипно-шатунных механизмов - по четыре с каждой стороны плоскости цилиндров, установленных таким образом, что каждый поршень одновременно перемещают четыре упомянутых механизма, позволяет идеально уравновесить предлагаемый двигатель внутреннего сгорания, устранить шум и вибрации, свойственные другим двигателям.