ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С ДВУМЯ СОВМЕСТНО РАБОТАЮЩИМИ ЦИЛИНДРАМИ
PISTON ENGINE WITH TWO CYLINDERS WORKING TOGETHER

Изобретение относится к машиностроению, в частности, к двигателестроению.
Известны современные поршневые бензиновые двигатели с расслоением заряда (см. с. 72…75. Автомобильные двигатели: учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / [М.Г. Шатров, К.А. Морозов, И.В. Алексеев и др.]; под ред. М.Г. Шатрова. - 3-е изд., испр. и доп. – Москва: Издательский центр «Академия», 2013. - 464 с.), в которых с целью получения более высокого коэффициента полезного действия (КПД) двигателя осуществляется процесс сжигания достаточно бедных топливно-воздушных смесей. В таких двигателях используются два впускных канала с двумя клапанами и внутренний впрыск бензина. Разместить в головке цилиндра по меньшей мере 3 клапана (два впускных и хотя бы один выпускной), форсунку для впрыскивания бензина и свечу зажигания достаточно сложно. Кроме того, достигаемое в таких процессах обеднение смеси, недостаточно для качественного управления мощностью, необходимо дополнительно применять устройства по изменению наполнения цилиндров свежим зарядом.
Наиболее близким по техническому решению является двигатель с совместно работающими двумя цилиндрами (двигатель Кушуля), принятый за прототип (см. с. 14…142. Лернер М.О. Регулирование процесса горения в двигателях с искровым зажиганием. Москва, «Наука», 1972. - 295 с.). В этом двигателе движение поршней в параллельных цилиндрах происходит со смещением по фазе цикла и первый цилиндр наполняется топливно-воздушной смесью, а второй цилиндр - чистым воздухом. В результате обеспечивается сжигание более бедных смесей по отношению к двигателям с двумя впускными каналами и достигается более высокий КПД и антидетонационные свойства двигателя. Но и в таком двигателе невозможно достичь такого же широкого изменения состава смеси как в дизельном процессе при гетерогенном горении и получить возможность управления мощностью только за счет изменения состава смеси. Дополнительно требуется изменение наполнения, а это что понижает КПД на частичных нагрузках по сравнению с дизельным процессом с качественным управлением мощностью.
Техническим результатом предлагаемого двигателя является достижение более высокой топливной экономичности на всех нагрузочных режимах и более высоких антидетонационных качеств.
Поставленная задача достигается тем, что поршневой бензиновый двигатель, который включает два параллельных цилиндра с шатунно-поршневыми группами, по меньшей мере два впускных клапана напротив цилиндров, выпускные клапаны, общие блок-картер и головку цилиндров с камерой сгорания напротив первого цилиндра, два коленчатых вала, у которых на первом установлена неподвижно одна шестерня, а на втором установлены две шестерни, одна свободно, а вторая неподвижно, ось с промежуточной шестерней, вильчатый сектор с зубчатым венцом и блоком двух шестерен на оси, установленный шарнирно на втором коленчатом валу, при повороте которого относительно второго коленчатого вала происходит фазовое смещение коленчатых валов, причем при общем передаточном отношении между валами 1:1, передаточное отношение от неподвижной шестерни первого коленвала к свободной шестерне второго коленвала не должно быть равным 1:1.
В двигателе с двумя совместно работающими цилиндрами и раздельными коленчатыми валами наполнение первого цилиндра осуществляют топливной смесью богатого состава, а второго цилиндра - чистым воздухом, при наибольшем наполнении цилиндров движение поршней в параллельных цилиндрах осуществляют со смещением за счет поворота второго коленчатого вала относительно первого коленвала по фазе цикла на максимальный угол, получая минимальную степень сжатия, а по мере уменьшения наполнения угол фазового смещения валов уменьшают с одновременным увеличением степени сжатия  и при наименьшем наполнении поршни обоих цилиндров приходят в верхнюю мертвую точку (ВМТ) одновременно, создавая  максимальную степень сжатия. При этом отбор мощности, привод газораспределительного и других вспомогательных механизмов осуществляют от коленчатого вала первого цилиндра.
Для осуществления такого процесса предлагается поршневой двигатель, который включает два параллельных цилиндра с шатунно-поршневыми группами и по меньшей мере двумя впускными клапанами напротив цилиндров, выпускными клапанами, общие блок-картер и головку цилиндров с камерой сгорания напротив первого цилиндра, два коленчатых вала, у которых на первом установлена неподвижно одна шестерня, а на втором установлены две шестерни, одна свободно, а вторая неподвижно, ось с промежуточной шестерней, вильчатый сектор с зубчатым венцом и блоком двух шестерен на оси, установленный шарнирно на втором коленчатом валу, при повороте которого относительно второго коленчатого вала происходит фазовое смещение коленчатых валов, причем при общем передаточном отношении между валами 1:1, передаточное отношение от неподвижной шестерни первого коленвала к свободной шестерне второго коленвала не должно быть равным 1:1.
На фиг. 1 показано положение поршней двигателя при максимальном наполнении цилиндров, когда поршень второго цилиндра находится в ВМТ. Через впускной клапан 3 в первый цилиндр поступает топливно-воздушная смесь обогащенного состава, а через впускной клапан 4 во второй цилиндр поступает чистый воздух. Обогащенную топливно-воздушную смесь в первом цилиндре можно получить и внутренним направленным впрыскиванием бензина в первый цилиндр через форсунку, установленную в головке цилиндров.
ψ
При положении поршней на фиг.1 коленчатый вал 5 первого цилиндра опережает по фазе цикла коленчатый вал 6 второго цилиндра на максимальный угол фазового смещения -  и при таком неодновременном прихода поршней в верхние мертвые точки получается наименьшая степень сжатия.
ψ=0
КС
На фиг. 2 показано положение поршней при наименьшем наполнении, когда поршни одновременно приходят в ВМТ. В данном положении поршней угол смещения по фазе цикла равен и достигается максимальная степень сжатия двигателя. Вследствие того, что первый цилиндр имеет камеру сгорания (), а второй не имеет, поршень второго цилиндра вытесняет воздух в зону горения первого цилиндра, создавая интенсивную газодинамику и высокую скорость турбулентного догорания, что способствует повышению КПД двигателя при малых наполнениях.
КС)
Поршневой двигатель (фиг. 2)  имеет общий блок-картер 7 с цилиндрами 1, 2, и коленчатыми валами 5, 6 (фиг.1), общую головку цилиндров 8 с камерой сгорания ( напротив первого цилиндра, впускные клапаны 3 и 4 (фиг.1) против соответственно первого и второго цилиндров, выпускные клапаны (не показаны), шатунно-поршневые группы 9 и 10. Кинематическая связь между коленчатыми валами осуществляется через зубчатые колеса (шестерни), делительные окружности которых показаны на фиг.2 утолщенными штрих-пунктирными линиями.
На коленчатом вале (фиг. 3) первого цилиндра закреплена неподвижно ведущая шестерня 11, от которой крутящий момент через промежуточную шестерню 12 передается на шестерню 13, свободно установленную на коленчатом вале второго цилиндра. Промежуточная шестерня установлена на оси 14, которая закреплена в блок-картере. От шестерни 13 крутящий момент передается на шестерню 15, выполненную в блоке с шестерней 16, и далее от шестерни 16 на ведомую шестерню 17, закрепленную неподвижно на втором коленчатом валу. Блок шестерен 15, 16 установлен на оси 18, которая закреплена в вильчатом секторе 19 (см. фиг. 2 и фиг. 3). Вильчатый сектор 19 установлен шарнирно на втором коленчатом вале и имеет зубчатый венец 20, который может быть изготовлен под любую зубчатую передачу, цилиндрическую, червячную, реечную и т.д.
Число зубьев ведущей шестерни 11 не должно быть равно числу зубьев свободно установленной шестерне 13 на втором вале, т.е. передаточное отношение между этими шестернями не должно быть равным 1:1. Это неравенство при общем передаточном отношении между коленчатыми валами 1:1 компенсируется последующим передаточным отношением между свободной шестерней 13 блоком шестерен 15, 16 и неподвижной ведомой шестерней 17. Поэтому шестерни 15, 16 блока шестерен должны иметь разные делительные окружности. При повороте оси блока шестерен относительно коленвала из-за неравенства их делительных окружностей происходит фазовое смещение шестерен на втором коленчатом вале, неподвижной ведомой шестерни 17 относительно свободной шестерни 13, и происходит соответствующее смещение коленчатых валов по фазе цикла.
С целью снижения нагрузок на привод поворота вильчатого сектора с зубчатым венцом можно уменьшить радиус кривошипа второго коленчатого вала, но сохранив при этом суммарную длину радиуса кривошипа с межцентровым расстоянием нижней и верхней головки шатуна.
Если расположить вдоль оси коленчатых валов попарно цилиндры, можно получить линейные двухвальные двигатели с парно работающими цилиндрами, по принципу уравновешенности подобные одновальным линейным двигателям с аналогичным расположением (заклинкой) кривошипов коленчатых валов.
Преимущества двигателя с совместно работающими двумя параллельными цилиндрами по отношению к одному цилиндру.
1. При одинаковом рабочем объеме ход поршней в двигателе с совместно работающими цилиндрами в 2 раза меньше и, соответственно, будет больше ресурс цилиндропоршневой группы.
2. В головке для двух цилиндров можно расположить больше клапанов, проще разместить свечу зажигания и топливную форсунку, что приведет к лучшей очистке цилиндров от остаточных газов, к повышению наполнения и возможности разработки фазированного впрыскивания бензина внутрь цилиндра.
3. В головке для двух цилиндров создается возможность расширить спектр геометрических форм камер сгорания и получать более разнообразную газодинамику как за счет расположения и геометрии впускных каналов, так и за счет геометрии самих камер сгорания.