ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, в частности созданию двигателей внутреннего сгорания (в дальнейшем ДВС) для автомобилей, сельхозмашин, легкомоторной авиации и других машин, требующих автономного привода небольшого веса.
Широко известны способы работы ДВС, в которых для преобразования поступательного движения поршней во вращательное движение вала отбора мощности применяются кривошипно-шатунные механизмы. Известен двигатель по патенту России №2032820 (приоритет от 21.07.92 г.), содержащий оппозитно расположенные цилиндры, в которых расположены поршни, соединенные общим полым штоком, оснащенным двумя приливами, связанными шатунами с кривошипами вала отбора мощности, а открытие-закрытие впускных и выпускных отверстий в полости цилиндра осуществляется за счет перемещения поршня относительно штока и гильзы цилиндра относительно его головки.
Общими недостатками вышеупомянутых способов и устройств работы ДВС, использующих кривошипно-шатунные механизмы для перевода поступательного движения поршней во вращательное движение вала отбора мощности, является наличие значительных боковых нагрузок от кривошипно-шатунного механизма на поршне, требующее оснащения поршня развитой юбкой для предотвращения заклинивания его в цилиндре, что приводит к большим потерям энергии на трение поршня о стенки цилиндра и несимметричному износу внутренней поверхности цилиндра и контактирующей с ней юбки поршня. Кроме этого для уменьшения потерь на трение требуется оснащение ДВС системой принудительной смазки подшипников скольжения пары коленвал-шатун и внутренней поверхности цилиндра, а так же снабжения поршня специальным маслосъемным кольцом, что требует дополнительных затрат энергии, уменьшая КПД двигателя.
В двигателе по патенту №2032820 для устранения вышеупомянутых недостатков штоки, связывающие поршни, перемещающиеся в оппозитно расположенных цилиндрах, оснащены парой шатунов, сочлененных с кривошипами вала отбора мощности, а сам шток перемещается в рольгангах. Однако, такое конструктивное решение по устранению упомянутых недостатков не снимает нагрузки нормальные к оси штока от шатунов, а переносит их с поршней на рольганги, заменяя трение скольжения трением качения, что является существенным шагом в направлении снижения энергетических потерь. В то же время появление люфта штока в рольгангах за счет износа, приведет к поперечным колебаниям штока в плоскости нормальной оси шатунов и появлению боковых нагрузок на обоих поршнях.
Цель изобретения - устранение вредных нагрузок нормальных к оси штока за счет отказа от применения кривошипно-шатунного механизма, увеличение эффективности пульсирующей системы охлаждения и уменьшение сопротивления впускного трубопровода.
Это достигается тем, что шток в известном устройстве выполняется диаметром равным диаметру поршня и оснащается на внешней поверхности центральной части по обе стороны от продолговатого отверстия, имеющего зазор относительно, проходящего сквозь него впускного трубопровода, равный ходу штока в любом из крайних положений последнего с противоположной стороны трубопровода, парой (или несколькими параллельными парами) идентичных, замкнутых, зигзагообразных, симметричных относительно плоскости нормальной оси штока канавок полукруглого поперечного сечения, удвоенная амплитуда зигзагов которых равна ходу штока (см. фиг.2). Концентрично отверстиям для прохода штока через корпус двигателя из легкого сплава, во внутренних приливах противоположных стенок смонтирована на подшипниках качения пара конических шестерен, обращенных зубьями друг к другу, с образованными в ступицах полусферическими гнездами для размещения шариков (например, в радиальных отверстиях ступицы, закрытых заглушками с вогнутыми полусферическими торцами со стороны шариков), взаимодействующих с зигзагообразными канавками штока так, что при движении штока, шестерни вращаются в противоположных направлениях, а центры поперечных сечений канавок, шариков и полусферических гнезд находятся при любом положении штока на одной прямой нормальной оси штока, причем количество шариков в ступице каждой шестерни равно количеству максимальных отклонений криволинейных канавок по одну сторону от плоскости симметрии, а шестерни сочленены друг с другом третьей сопрягающей конической шестерней, соединенной с валом отбора мощности, ось которой лежит в плоскости нормальной оси штока. При выбранной форме канавок (см. фиг.2) конические шестерни совершают один оборот за четыре хода штока (поршня) (см. фиг.3), что упрощает конструкцию механизма открытия выпускной щели цилиндра. Для этого на противоположной стороне обоих конических шестерен образованы кольцевые выступы, в определенном по технологическому циклу месте заданной окружной протяженности с плавным увеличением высоты по заданному закону в начале и уменьшением в конце, с которыми начинают взаимодействовать ролики толкателей механизмов перемещения гильз цилиндров на открытие в начале хода выхлопа, а при прекращении этого взаимодействия в конце хода выхлопа пружинный механизм возвращает каждую гильзу в положение закрытия выпускной щели. Гильзы цилиндров подвешены коаксиально оси штока на двух пружинных диафрагмах герметично соединенных с гильзами в их донной части и на противоположных концах около конических фасок, контактирующих с седлами в головках, а внешняя сторона диафрагм герметично зажата между корпусом, рубашкой охлаждения, теплозащитным экраном и головкой цилиндра.
Для повышения эффективности системы пульсирующего охлаждения внутренняя поверхность рубашки охлаждения снабжена многозаходной прямоугольной резьбой, которая сопрягается с аналогичной резьбой на внешней поверхности гильзы цилиндра, выполненной так, что обеспечивается осевой люфт гильзы относительно рубашки, равный по величине ходу гильзы на открытие-закрытие выпускной щели. Одновременно за счет развитой внешней поверхности гильзы, которую создает оребрение резьбой, увеличивается интенсивность теплосъема с нагретой гильзы охлаждающей жидкостью при пульсирующем движении и ее механическая прочность, позволяющая уменьшить толщину стенки гильзы.
Кроме того, в устройстве двигателя предусмотрено герметичное соединение впускного трубопровода из легкого сплава, закрепленного на внешней поверхности корпуса ДВС, с поперечным патрубком, размещенном в полости шока и снабженного уплотнением по внутренней поверхности шока, работающим на разряжение, а поршень закреплен на цилиндрическом конце штока с помощью шариков, равномерно распределенных по окружности штока и перемещающихся вместе с поршнем по полукруглым канавкам длиной равной ходу поршня на открытие (ходу впускного клапана), в которые они закладываются при сборке через продолговатое отверстие длиной равной ходу поршня, служащее кроме этого для штифтовки поршня от несанкционированного перемещения вокруг оси после поворота поршня для закрытия канавок с шариками. В центре силового дна штока, снабженного отверстиями в виде секторов, смонтирована втулка, с многозаходной, прямоугольной резьбой на внешней поверхности, перекрываемой поршнем в закрытом положении, на наружном торце которой образовано углубление с размещенной в нем тарелкой подпружиненного клапана предварительной герметизации впускной щели и демпфирования,.
Предлагаемая кинематика ДВС позволяет устранить вредные нагрузки на шток за счет преобразования осевой силы от поршней в два равных и противоположно направленных момента на паре конических шестерен, реакции которых на штоке взаимоуничтожаются, а третья сопрягающая коническая шестерня, сочлененная с ними, передает этот момент на вал отбора мощности. Большие проходные сечения впускного трубопровода каждой пары цилиндров снижают скорости течения газа по ним, а следовательно и потери давления, поскольку они зависят от квадрата скорости течения газа.
Общая жесткость двигателя обеспечивается силовыми стяжками высокой прочности на растяжение и устойчивости на изгиб, соединяющими противоположные головки цилиндров, которые разгружают корпус и рубашки охлаждения от нестационарных, знакопеременных нагрузок вдоль оси штока, возникающих во время работы двигателя.
На фиг.1 изображен двухцилиндровый модуль двигателя внутреннего сгорания, продольный разрез (верхний цилиндр в начале хода всасывания, а нижний цилиндр в начале хода выхлопа); на фиг.2 вариант формы одной из зигзагообразных канавок на внешней поверхности штока; на фиг.3 зависимость скорости движения штока от угла поворота конической шестерни при угловой скорости ее вращения ω=const.
Двигатель внутреннего сгорания состоит из корпуса 1, изготовленного из легкого сплава, на боковых стенках которого образованы два соосных прилива 2 с отверстиями для прохода центральной части штока, оппозитно расположенных гильз 3 цилиндров, оснащенных на внешней поверхности многозаходной, прямоугольной резьбой 4, каждая из которых герметично подвешена коаксиально штоку внутри рубашек охлаждения на двух пружинных диафрагмах 5 с теплозащитным экраном 6 со стороны выпускной щели, герметично зажатых между корпусом, рубашками охлаждения 7, оснащенными многозаходной, прямоугольной резьбой 8 на внутренней поверхности, теплозащитным экраном и головками цилиндров из легкого металла, двух конических шестерен 9, обращенных зубьями друг к другу, смонтированных во внутренних приливах 2 корпуса на подшипниках качения 10, в ступицах которых образованы гнезда полусферической формы для размещения в них шариков 11, кольцевых выступов 12 на стороне противоположной зубьям конических шестерен 9, с которыми взаимодействуют ролики толкателей 13, взаимодействующие с механизмом 14 отвода гильзы цилиндра в положение открытия, сальниковых уплотнений 15, штока 16, соединяющего противоположные поршни, на внешней поверхности центральной части которого симметрично относительно отверстия для прохода впускного трубопровода образованы пара (или несколькими параллельными пар) идентичных, замкнутых, зигзагообразных, симметричных относительно плоскости нормальной оси штока канавок 17 полукруглого поперечного сечения, удвоенная амплитуда зигзагов которых равна ходу штока, поршней 18 диаметром равным диаметру штока, подвижных вдоль оси штока и закрепленных на штоке с помощью шариков 19, перемещающихся вместе с поршнем по продольным канавкам 20 полукруглого сечения длиной равной величине хода поршня, силового дна штока 21,оснащенного отверстиями в виде секторов 22, в центре которого смонтирована втулка 23 с многозаходной, прямоугольной резьбой на внешней поверхности, снабженная на торце углублением 24 с размещенной в нем тарелкой подпружиненного клапана 25 пружиной 26 малого хода (например 1 мм.) для предварительной герметизации впускной щели и демпфирования, двухканального впускного трубопровода 27, герметично соединенного с поперечным патрубком 28, оснащенным плавным переходом 29 каждого канала в сторону соответствующего поршня и уплотнением относительно внутренней поверхности штока 30, работающим на разряжение, головок цилиндров 31 с крышками 32, оснащенными улиткообразными выпускными коллекторами 33 и впускными трубопроводами 34 рубашек охлаждения головок с впускными клапанами 36, впускного клапана 35 на входе в рубашки охлаждении, форкамерами 37, свечами 38 системы зажигания, конической шестерни 39, сопрягающейся с парой конических шестерен 9 на штоке 16, передающей крутящий момент от них через цилиндрические шестерни 40 на вал отбора мощности 41, постоянного магнита 42 и гермоконтакта 43 системы зажигания, четырех силовых стяжек 44.
Двигатель работает следующим образом.
В конце хода сжатия в гильзе 3 верхнего цилиндра (см. фиг.1) гермоконтакт 43 системы зажигания в заданный момент взаимодействует с магнитом 42 на штоке 16 и выдает сигнал электронной системе зажигания для подачи высокого напряжения на свечу 38 верхнего цилиндра, разряд которого на свече поджигает горючую смесь в форкамере 37 этого цилиндра, циркуляционный сверхзвуковой поток из кольцевого сопла форкамеры 37 воспламеняет горючую смесь в камере сгорания цилиндра от окружной границы тарелки клапана 25, образуя равномерную эпюру давления на торцевой поверхности поршня 18 от упомянутой границы к периферии, в это время поршень 18, взаимодействуя с силовым дном штока 21, с помощью зигзагообразных канавок 17 и шариков 11, размещенных в полусферических гнездах конических шестерен 9, которые уже перешли с ветви хода сжатия на ветвь рабочего хода, создает два рабочих противоположно направленных момента на шестернях 9, которые через шестерни 39 и 40 передаются на вал отбора мощности 41, при этом шарики 11 обоих шестерен 9 одновременно выполняют роль рольгангов, а сгоревшая смесь высокого давления, адиабатически расширяясь, перемещает поршень 18, который давит на силовое дно 21 взаимодействующего с ним штока 16, совершая полезную работу и подготавливая рабочий цикл в противоположном цилиндре, в котором начинается такт выхлопа, в конце рабочего хода кольцевые выступы 12 плавно перемещают через ролики толкателей 13, которые взаимодействуя с механизмом (например рычагами) 14, контактирующим с дном гильзы цилиндра 3, плавно сдвигают последнюю в положение открытия, одновременно при движении гильзы цилиндра прямоугольная резьба 4 на ее внешней поверхности выбирает нижний осевой зазор, вытесняя охлаждающую жидкость из многозаходной резьбы в боковой край нижнего бачка радиатора и одновременно засасывая из его противоположной части охлажденную жидкость в образующиеся верхний осевой зазор через впускной клапан 35, при этом впускной клапан 36 препятствует проникновению горячей жидкости из головки в этот зазор, однако, как только выступы 12 прекращают взаимодействие с толкателями 13 в конце хода выхлопа, механизм 14 плавно освобождает гильзу цилиндра 3 и пружинные диафрагмы 5 возвращают гильзу цилиндра в положение закрытия выпускной щели, одновременно прямоугольная резьба выбирает верхний осевой зазор, вытесняя холодной жидкостью через впускной клапан 36 нагретую жидкость из головки цилиндра в верхний бачек радиатора, а клапан 35 исключает возврат холодной жидкости в радиатор, при этом появляющийся нижний осевой зазор заполняется жидкостью из нижнего бачка радиатора, в этот момент шарики 11, размещенные в полусферических гнездах шестерен 9, вновь проходя по инерции свои верхние точки максимального отклонения от плоскости симметрии зигзагообразных канавок 17, переходят на ветвь обратного хода штока, а инерционные крутящие моменты на обоих конических шестернях, создают усилия на штоке, заставляющие двигаться его в обратном направлении, однако поршень 18 под действием сил инерции, трения колец о зеркало, закрывающегося цилиндра, пружины 26 клапана 25 и возникающего разряжения на его торце, продолжает двигаться в прежнем направлении, плавно уменьшая свою скорость за счет образующегося разряжения на его внутреннем дне, которое постепенно уменьшается за счет втекания газа из щели между штоком 16 и гильзой 3, до тех пор, пока шарики 19, катящиеся вместе с поршнем по канавкам 20 на штоке, не упрутся в их конец, обеспечивая полное открытие впускной щели, при этом поршень открывает вход в многозаходную прямоугольную резьбу на втулке 23, в которую начинает поступать газ через впускной трубопровод 27, поперечный патрубок 28, полость штока 16 и отверстия 22 в его силовом дне 21, проходя через многозаходную резьбу во втулке 23 горючая смесь приобретает тангенциальную составляющую скорости, что обеспечивает при движении штока вместе с поршнем постепенное и равномерное заполнение пространства, освобождающегося за поршнем, горючей смесью с ее интенсивным перемешиванием, исключающее образование жидкой фазы топлива на стенках камеры сгорания, в конце хода всасывания шток 16 под воздействием шариков 11, перешедших на возвратную ветвь зигзагообразных канавок 17, начинает обратное движение на встречу поршню 18, продолжающему двигаться в прежнем направлении по инерции до тех пор пока не соприкоснется с уплотняющей фаской тарелки клапана предварительной герметизации 25, сжимая пружину 26 и вытесняя газ из под нее, поршень безударно садится на силовое дно 21 штока, одновременно закрывая своей нижней частью вход в многозаходную резьбу втулки 23 и выход из нее своей верхней фаской, утапливая тарелку клапана 25 в углубление 24, поршень 18, продолжая движение совместно с штоком 16 начинает ход сжатия, во время которого по мере роста давления в камере сгорания уплотнение впускной и выпускной щели непрерывно усиливается, и описанный процесс повторяется.
Увеличение мощности двигателя может быть достигнуто за счет добавления идентичных модулей с соответствующей корректировкой системы зажигания и подачи горючего, при обеспечении движения штоков каждой пары модулей в разные стороны, Для улучшения весовых характеристик двигателя с числом цилиндров более двух рационально корпус, рубашки охлаждения, головки цилиндров и вал отбора мощности выполнять общими, а кроме этого шестерни 40 также могут быть общими для каждой пары модулей. Остальные детали двигателя остаются унифицированными, что очень важно для массового производства.
Использование предлагаемого способа работы двигателя и его конструкции позволяет устранить вредные нагрузки, нормальные оси штока и уменьшить потери давления во впускном трубопроводе, а также повысить коэффициент заполнения цилиндров горючей смесью и увеличить эффективность пульсирующей системы охлаждения цилиндров и их головок. Одновременно существенно снижается вес двигателя и его себестоимость, за счет счет устранения целого ряда тяжелых и трудоемких узлов из его конструкции. Кроме этого, поскольку предлагаемая кинематика ДВС аналогична зубчатой передаче, КПД которой приближается к 99%, тогда как кривошипно-шатунный механизм имеет КПД не более 70-80%, произойдет существенное увеличение механического КПД двигателя в целом.
Предварительные оценки показывают, что автомобильный двигатель с рабочим объемом цилиндров порядка 1,5 л при мощности 100-120 л.с., будет иметь вес не более 60 кгс и расход топлива 3-5 л./100 км.