БЕСШАТУННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITHOUT CONNECTING ROD

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания.
В промышленности это силовые агрегаты в экскаваторах, подъемных кранах, компрессорах, насосах, индивидуальных электростанциях и других установках.
В сельском хозяйстве это моторы комбайнов, молотилок, сенокосилок, тракторов, транспортных средств и других машин и механизмов.
В авиастроении (малая авиация) это моторы самолетов, дельтапланов и других летательных аппаратов.
В судостроении это судовые силовые агрегаты, подвесные и стационарные моторы малых судов.
В автостроении это моторы легковых и грузовых машин.
Существующие двигатели внутреннего сгорания при высокой степени их технологичности для массового производства и получившие широкое распространение в различных областях применения имеют существенные недостатки.
К главным из них относятся сравнительно низкий кпд как по механической части, так и по топливу. Низкое использование энергии топлива приводит к повышенной токсичности выхлопных газов, загрязнению окружающей среды, потери мощности двигателя. В значительной степени указанные недостатки имеют место и в двигателях внутреннего сгорания, предложенных ранее, с оппозитно расположенными рабочими цилиндрами (например, патенты: RU №2084664, 2079683, 2042040, 2078227).
Однако указанные двигатели не только не решают основных задач, но имеют свои недостатки, такие как односторонняя связь подвижные элементы двигателя-маховик и не имеют обратной связи маховик-подвижные элементы двигателя, что приводит к отсутствию возможности пуска двигателя через маховик стартером, и двигатель теряет управляемость при ускорении маховика, т.е. теряется возможность использовать двигатель в режиме торможения.
Наиболее близким прототипом, лишенным этого недостатка, является двигатель по патенту DE 19715499 AI.
Такой двигатель содержит корпус, на котором оппозитно расположены два цилиндра с поршнями в виде плоских дисков с одним компрессионным кольцом, разделяющим полости цилиндров на камеры сгорания и компрессорные. Поршни связаны между собой штоком, получившимся в результате объединения двух, через опоры вращения на цапфе кривошипа, на валу которого установлена шестерня с внешними зубьями, находящаяся в постоянном зацеплении с венцом с внутренними зубьями, установленным неподвижно. Диски поршней имеют по одному сквозному отверстию с клапаном, позволяющим газам перемещаться в сторону камер сгорания, последние соединены с элементами для выпуска выхлопных газов.
Шток, совершая прямолинейные возвратно-поступательные движения, действует на кривошип, цапфа, вращаясь в опорах штока, заставляет вращаться шестерню с внешними зубьями, которая в свою очередь, обегая неподвижный венец с внутренними зубьями, заставляет вращаться выходной вал с маховиком.
Недостатком двигателя является то, что в линейном приводе нагрузки на элементы узла распределены не рационально, что увеличивает трение в перегруженных опорах, снижает кпд.
Поршень, не отдающий тепла, недолговечен. Струя воздуха, проходящая через клапан в поршне, не способствует равномерному и полному вытеснению продуктов сгорания из камеры сгорания, что препятствует полному сгоранию топлива, увеличивая токсичность выхлопных газов.
Ввиду наличия кривошипов, процессы, протекающие в двигателе, идентичны процессам в двигателе с коленчатым валом и как следствие, имеет аналогичные недостатки и низкий кпд.
Прирост мощности двигателя при испытаниях произошел за счет увеличения рабочего объема двухтактного двигателя при двойном расходе топлива.
Сравнивать объемы обычного четырехцилиндрового четырехтактного двигателя, который мы заменяем на двухтактный, недопустимо. Необходимо, чтобы объемы каждого из цилиндров двигателей были равны. Отсюда ложное представление об увеличении мощности предлагаемого двигателя.
Таким образом, прототип не решает основных задач по повышению кпд, по снижению токсичности выхлопных газов, не увеличивает мощности, не снижает расхода топлива.
Задачей и техническим результатом изобретения является создание экономичного двигателя с повышенным кпд и повышенным крутящим моментом, а также создание прямой и обратной кинематических связей между подвижными элементами двигателя и маховиком.
Заявленный технический результат достигается тем, что бесшатунный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус, оппозитно расположенные цилиндры с поршнями, которые полости цилиндров делят на компрессорную камеру и камеру сгорания, системы подачи воздуха и топлива, воспламенения топлива, системы смазки, охлаждения, запуска двигателя и выходной вал с маховиком, кинематически связанный с поршнями, причем двигатель снабжен зубчатыми рейками, расположенными по бокам корзинки, жестко соединенной с поршнями, валами-шестернями, одинаковыми муфтами, установленными на концах валов-шестерен, датчиками включения и выключения электромагнитов муфт, каждая из муфт состоит из ведущего диска, несущего торцевые зубья, подвижной части с торцевыми зубьями, имеющей возможность перемещаться по зубьям внутреннего зацепления средней части муфты, жестко установленной на валу-шестерне и имеющей возможность входить в зацепление с зубьями ведущего диска при включении муфты, электромагнита и пружины, имеющей возможность выводить подвижную часть из зацепления с торцевыми зубьями ведущего диска, зубчатые рейки выполнены с возможностью нахождения в постоянном зацеплении с валами-шестернями, а валы-шестерни находятся в постоянном зацеплении с шестерней выходного вала маховиком.
Компрессорная камера выполнена большей по объему, чем камера сгорания.
В камеру сгорания подается воздух повышенного давления, равного давлению газов в камере сгорания в конце рабочего хода.
Все клапаны, кроме выпускных, работают от перепада давления, а выпускные имеют привод.
Клапаны выполнены дисковыми и имеют стойки с пружинами, обеспечивающими прилегание притертых поверхностей.
На валах-шестернях установлены датчики угловой скорости, обеспечивающие синхронные вращения валов-шестерен при включении муфт.
Предлагаемый двигатель двухтактный, что снижает количество ходов поршня по сравнению с четырехтактным, уменьшает габариты, массу при сохранении мощности.
Прямоточная продувка камеры сгорания осуществляется повышенным давлением воздуха, равным давлению газов в конце рабочего хода в камере сгорания объемом, по крайней мере, не меньшим ее объема, что обеспечивает более полную и быструю очистку камеры от продуктов сгорания. С помощью реечного механизма и двух муфт осуществлена прямая и обратная кинематическая связь подвижных элементов двигателя-маховика.
В связи с тем, что в предлагаемом двигателе для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное применены муфты, например магнитные зубчатые и реечные механизмы, рабочими элементами которых являются шестерни (валы-шестерни), радиус которых есть постоянное плечо векторной силы, прилагаемой рейками, то максимальный крутящий момент возникает в начале рабочего цикла, при максимальном давлении газов, при этом дальнейшая величина крутящего момента зависит от изменения давления газов по мере их расширения в камере сгорания.
Поршни имеют отверстия, перекрываемые клапанами в виде кольцевых дисков, притертых к основанию со стороны камер сгорания, обеспечивающие равномерное вытеснение продуктов сгорания из камер. Диски клапанов имеют стойки с пружинами, обеспечивающими прилегание притертых поверхностей.
Цилиндры с одной стороны имеют жестко установленные перегородки с отверстиями, перекрываемые клапанами, обращенными в сторону компрессорных камер. Клапаны идентичны клапанам в поршнях.
С другой стороны цилиндров в камерах сгорания имеются клапаны для выпуска продуктов сгорания, выполненные по «классической» схеме, например, с электромагнитным приводом.
Шток, жестко соединенный с поршнями, несет по центру оси корзинку с зубчатыми рейками, которые расположены по бокам с внешней стороны.
Внутри корзинки находится втулка, закрепленная на цапфах в корпусе двигателя и скользящая по распорной втулке. Масло поступает через отверстие одной цапфы к поршням, а через отверстие другой сливается в корпус двигателя.
Рейки находятся в постоянном зацеплении с валами-шестернями, по краям которых находятся опоры качения. Опоры контактируют с дорожками, расположенными на рейках, сохраняя гарантированный зазор в зубчатом зацеплении, снимают боковое давление в узлах уплотнения штока и у поршней на цилиндры.
На концах валов-шестерен с одной стороны установлены датчики включения муфт, подачи топлива, искры зажигания, привода выпускных клапанов.
На противоположных концах валов-шестерен установлены контактные муфты, включаемые поочередно, с синхронизацией по оборотам ведущего и ведомого элементов муфт с торцевыми мелкими зубьями.
Средние части муфт установлены жестко на валах ведомых валов-шестерен и через внутреннее зацепление связаны с подвижными частями муфт, которые за счет пружин и электромагнитов отключают или подключают ведомые валы-шестерни.
Ведомые валы-шестерни находятся в постоянном зацеплении с шестерней на выходном валу, на котором установлен маховик.
На валах ведущих и ведомых валов-шестерен установлены датчики угловой скорости и включение муфт (подача напряжения на электромагнит) происходит только в том случае, если сигналы с датчиков по величине совпадают.
Зубчатый венец маховика периодически, во время пуска, входит в зацепление с шестерней стартера.
На фиг.1 представлена в разрезе общая компоновка двигателя;
на фиг.2 показана конструкция корзинки;
на фиг.3 показан вид сверху корзинки с валами-шестернями, контактирующими с рейками;
на фиг.4 показан разрез поршня;
на фиг.5 показано расположение основных элементов поршня;
на фиг.6 показаны основные потоки масла;
на фиг.7 показан разрез зубчатой магнитной муфты;
на фиг.8 показана диаграмма крутящих моментов, при этом одна кривая выведена по точкам этапного движения поршня при кривошипно-шатунном преобразовании возвратно-поступательного движения во вращательное, другая при реечном механизме по тем же точкам.
Двигатель содержит корпус 1 с установленными на нем оппозитно расположенными двумя одинаковыми цилиндрами 2 и 2' (количество пар цилиндров зависит от мощности двигателя), в которых находятся поршни 3 и 3';
разделяющие полости цилиндров на компрессорные камеры 4 и 4', и камеры сгорания 5 и 5'.
Поршни 3 и 3' соединены штоком 6, на котором в средней части установлена корзинка 7. Внутри корзинки имеется втулка 8, удерживаемая цапфами 9 в корпусе 1 и скользящая по распорной втулке 10. Корзинка 7 на боках несет зубчатые рейки 11, по краям которых имеются дорожки 12. Рейки находятся в постоянном зацеплении с валами-шестернями 13 и 14, несущими опоры качения 15, контактирующие с дорожками 12.
Цилиндры 2 и 2' имеют всасывающие патрубки 16 и 16' и жестко установленные перегородки 17 и 17' со сквозными отверстиями 18 и 18' и клапанами 19 и 19' со стороны компрессорных камер 4 и 4' в виде кольцевых дисков.
С противоположной стороны цилиндров имеются выпускные клапаны 20 и 20' с приводом и уплотнения 21 и 21' штока.
Шток 6, закрепленный в поршнях 3 и 3', состоит из двух полых стержней, которые соединены в целое распорной втулкой 10 корзинки 7.
Внутри штока установлены трубки 22 и 22', по которым через отверстия в цапфе 9, втулке 8 и втулке 10 поступает масло в поршни 3 и 3' и по полости штока 6 сливается в корпус 1.
На концах валов-шестерен 13 и 14 установлены одинаковые муфты 23, каждая из которых состоит из ведущего диска 24, несущего мелкие торцевые зубья, подвижной части 25, которая имеет свои торцевые зубья и, перемещаясь по зубьям внутреннего зацепления средней части муфты 26, жестко установленной на валу 27 ведомого вала-шестерни, входит в зацепление с зубьями ведущего диска 24 при включении муфты.
Пружины 28 при выключенном электромагните 29 выводят подвижную часть 25 из зацепления с торцевыми зубьями ведущего диска 24.
Ведомый и ведущий валы-шестерни снабжены датчиками 30 угловой скорости, обеспечивающими синхронное вращение валов-шестерен при включении муфт, а упоры 31 устанавливают минимально допустимые зазоры между стационарно установленным в корпусе 1 электромагнитом 29 и вращающейся подвижной частью муфты 25.
Шестерни ведомых валов-шестерен находятся в постоянном зацеплении с шестерней 32, закрепленной на выходном валу 33, на котором установлен маховик 34. Шестерня 35 стартера входит в зацепление с зубчатым венцом маховика 34 при пуске двигателя.
Поршни 3 и 3' состоят из двух частей, стянутых в одно целое резьбовой втулкой 36 и крышкой 37, имеют группы сквозных отверстий 38 и клапаны 39, 39' со стороны камер сгорания 5 и 5' в виде кольцевых дисков (клапаны 19 и 19' идентичны клапанам 39). Диск клапана 39 притерт к кольцу - основанию 40, при этом прилегание притертых поверхностей обеспечивается пружинами 41 через стойки 42, которые перемещаются во втулках 43.
Поршни имеют полости 44 с вставками 45, через которые подается масло к масляным кольцам 46, и полости 47 для сбора масла с маслосъемных колец 48. Поршень несет на себе компрессионные кольца 49. На противоположных от муфт 23 концах валов-шестерен 13 и 14 установлены датчики 50, которые обеспечивают включение и выключение электромагнита 29 муфты 23, выпускных клапанов 20 и 20', подачу топлива в камеры сгорания 5 и 5', подачу искры.
Двигатель действует следующим образом.
При включении зажигания датчики 50 дают сигнал электромагниту 29 той муфты 23, включение которой позволит завершить движение поршней 3 и 3' в направлении, в котором они двигались до остановки двигателя. При включении стартер вводит шестерню 35 в зацепление с зубьями венца маховика 34, вращает его по часовой стрелке, доводя поршни 3 и 3' до мертвых точек.
Такое рабочее положение двигателя представлено на фиг.1 (магниты муфт, форсунка и свеча зажигания не показаны).
Рассмотрим процесс, когда в камере 5' поршень 3' доведен до мертвой точки, воздух сжат и его достаточно для воспламенения топлива. Высокую температуру и максимальное давление в камере сгорания удерживают клапаны 20' и 39' и уплотнение 21' штока.
Датчик 50 дает сигнал на выключение электромагнита 29 муфты 23, установленной на ведущий вал-шестерню 13. Пружины 28 выводят из зацепления торцевые зубья, муфта отключена.
Поршень 3' начинает движение, осуществляя рабочий ход, при этом сжимает воздух в камере 4', раскручивая часть муфты 23, установленной на ведущий вал-шестерню 14.
Датчики 50 дают сигнал на включение электромагнита 29 этой муфты только в том случае, когда потенциалы датчиков 30 угловой скорости совпадают. Это обозначает, что ведущий и ведомый валы-шестерни данной муфты вращаются с одинаковой скоростью.
Рейка 11, перемещаясь со штоком 6, вращает против часовой стрелки вал-шестерню 14, который по кинематической связи раскручивает маховик 34 по часовой стрелке.
Клапан 19' перегородки 17' прижат притертыми поверхностями повышенным давлением в камере 4'. В конце рабочего цикла давление в камере 5' падает до уровня давления в компрессорной камере 4'. Клапан 39' в поршне 3' оказывается во взвешенном состоянии и открывается при открытии выпускного клапана 20' из-за превышающего давления в компрессорной камере 4' относительно камеры сгорания 5'.
Происходит сквозная продувка камеры сгорания 5' воздухом, сжатым в компрессорной камере 4'. Воздух, проходя через отверстия в поршне 3' и клапан 39', охлаждает их. Клапан 20' закрывается.
При рабочем ходе поршень 3' в цилиндре 2' двигает за собой через шток 6 поршень 3 в цилиндре 2.
Поршень 3 сжимает в камере 5 воздух, при этом в компрессорной камере 4 образуется разрежение, куда устремляется воздух под атмосферным давлением через фильтр, всасывающий патрубок (штуцер 16), отверстия 18. открывая клапан 19 перегородки 17.
Ввиду того, что давление при сжатии рабочей смеси выше, чем в конце рабочего хода поршня 3', то доведение до мертвой точки поршней 3 и 3' обеспечивает энергия инерции маховика 34.
При достижении мертвой точки поршнем 3 датчики 50 дают сигнал на отключение электромагнита 29 муфты 23, в результате чего за счет пружин 28 подвижная часть 25 отключается от ведущего диска 24 муфты 23, установленной на валу-шестерне 14. При воспламенении топлива в камере 5 происходит рабочий ход поршня 3, повторяя все фазы цикла в обратном порядке, при этом маховик 34 получает энергию для вращения при каждом рабочем ходе двигателя. Торможение маховика 34 возможно уменьшением подачи топлива, заставляя двигатель работать в режиме компрессора.
Повышение кпд двигателя достигается применением для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное реечным механизмом и муфтами.
На фиг.8 кривая I построена путем наложения индикаторной диаграммы работы бензинового двигателя на сетку периодов поворота коленчатого вала через 10°. Точки пересечения есть поэтапные изменения величины крутящего момента в зависимости от давления газов и расстояния от оси вращения до точки приложения силы, образованного при вращении коленчатого вала. При максимальном давлении газов на поршень крутящий момент мал в связи с противостоянием (поршень, шатун, кривошип, коренные подшипники). Давление на поршень воспринимается в итоге корпусом двигателя. Максимальный крутящий момент возникает при повороте коленчатого вала на 85°, но при этом давление газов в камере сгорания составляет около 35% от максимального.
Кривая II графика, изображенного на фиг.8, построена при исследовании реечного механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.
При реечном механизме расстояние от оси вращения шестерни до точки приложения силы постоянно, а с целью сравнимых результатов в данном случае приравнено к величине кривошипа.
Крутящие моменты определены с той же периодичностью, при которой построена кривая I.
В результате применения реечного механизма с муфтами мы имеем максимальный крутящий момент при максимальном давлении газа в начале рабочего цикла.
Снижение величины крутящего момента происходит только от потери давления газа в камере сгорания при его расширении.
Графики кривых показывают, что отдача энергии при реечном механизме с муфтами, служащими для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, значительно выше кривошипно-шатунного преобразователя при одинаковом расходе топлива.
В двигателе могут быть использованы механические приводы выпускных клапанов, но это снизит скорость срабатывания механизмов, что ограничит скорость вращения выходного вала.
Кроме того, можно установить несколько выпускных клапанов на каждый цилиндр для лучшей продувки камер сгорания.