ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано на транспортных средствах: автомобилях, речных судах, летательных аппаратах, а также в качестве энергетических установок.
Известен двигатель внутреннего сгорания (патент РФ №2157897, МПК F02B 33/16, 75/30, опубл. 20.11.2000), содержащий два оппозитно-соосных цилиндра, разделенных корпусами, оснащенных направляющими для соосных штоков 4-х поршней: 2-х внешних рабочих, закрепленных на концах рабочего штока, имеющего центральную опору присоединения к планетарным шатунам, и 2-х внутренних наддувочных, закрепленных на концах расположенного концентрично рабочему штоку наддувочного штока, имеющего в корпусе вид рамки, к шипам которой шарнирно присоединены два наддувочных шатуна, шарнирно присоединенных к шейкам соосных и встречно вращающихся кривошипов. К двум другим, диаметрально-противоположно расположенным шейкам кривошипов шарнирно присоединены планетарные шатуны, другим шарниром соединенные с центральной опорой рабочего штока, имеющие равные радиусам "е" кривошипов межцентровые расстояния "е", чем образуются ромбические механизмы, удваивающие ход рабочих поршней и обеспечивающие планетарным шатунам вращение в центральной опоре рабочего штока встречно своим кривошипам с равной им скоростью. Вращение одного кривошипа тремя шестернями передается выходному валу, а вращение другого кривошипа на этот вал передается с таким же передаточным отношением двумя шестернями, что синхронизирует встречное вращение кривошипов. Наддувочные поршни оснащены концентричными их штокам кольцевыми подпружиненными обратными клапанами, а цилиндры оснащены выхлопными, перепускными и впускными каналами.
Двигатель работает по двухтактному циклу с наддувом из межпоршневых наддувочных полостей, имеющих за счет противонаправленного движения рабочих и наддувочных поршней существенно большие объемы, чем у рабочих камер. За счет применения двух рабочих цилиндров за один оборот кривошипов совершается два рабочих такта, что увеличивает мощность и плавность работы двигателя.
Недостатком двигателя является невозможность его запуска стартером непосредственным вращением его кривошипов, так как в срединном положении рабочих поршней, когда центральный шарнир рабочего штока становится соосным приводным кривошипам, а компрессия в наддувочной полости препятствует дальнейшему движению рабочего штока, то кривошипы и планетарные шатуны начинают вращаться совместно и рабочий шток останавливается. Для преодоления этого недостатка в систему стартерного запуска двигателя необходимо вводить в последствии отключаемый кулисный механизм, что усложняет двигатель.
Недостатком также является применение скоростных высоконагруженных пар скольжения, требующих введения в конструкцию двигателя системы смазки под давлением, предусматривающей сепарацию от воздуха циркулирующего масла и его охлаждения, что удорожает двигатель.
Наиболее близким аналогом является (патент РФ №2237175, F02B 75/32, 75/28, опубл. 27.09.2004). Двигатель внутреннего сгорания содержит корпус, к которому оппозитно присоединены несколько оснащенных впускными обратными подпружиненными клапанами, перепускными и выхлопными каналами, соосных цилиндров, из которых прилегающие к корпусу являются наддувочными для расположенных по их торцам рабочих цилиндров, рабочие поршни которых закреплены на концах оснащенных центральными опорными шарнирами рабочих штоков, пропущенных сквозь корпус и расположенных внутри наддувочных штоков, оснащенных опорными цапфами и имеющих на концах наддувочные поршни, что образует между наддувочными и рабочими поршнями компрессорные камеры, а между наружными торцами рабочих цилиндров и рабочими поршнями - рабочие камеры, переменность объемов всех камер обеспечивает планетарный прямолинейно-преобразующий механизм, соединенный с опорными шарнирами и цапфами рабочих и наддувочных штоков и у которого отношение веса наддувочной компоновки к весу рабочей компоновки обратно пропорционально их противонаправленным и прямолинейным ходам. В прототипе к центральным опорным шарнирам рабочих штоков двигателя присоединены кулисы ведущими плечами, опорные шарниры которых выполнены на ползунах, скользящих по неподвижным направляющим, а ведомые плечи кулис шарнирно соединены с ползунами, скользящими по закрепленным на тягах направляющим, посредством чего ходы рабочих штоков кулисами преобразовываются в противонаправленные им ходы тяг, оснащенных на одном конце катящимися по направляющим катками, а другим концом шарнирно присоединенных к прямолинейно перемещающимся шипам сателлитов планетарных зубчатых механизмов, водила которых зубчатыми передачами соединены с выходным валом и имеют межцентровые расстояния «е», равные радиусам «е» делительных окружностей сателлитов, входящих во внутреннее зацепление с центральными неподвижно закрепленными зубчатыми колесами, радиусы делительных окружностей которых равно «2е», что обеспечивает прямолинейную траекторию движения осей шипов сателлитов с ходом «4е», диаметрально зубчатым колесам. Причем между опорными и ведомыми шарнирами кулис расположены шарниры привода наддувочных штоков, которые закреплены на ползунах, скользящих по закрепленным на них направляющим, и настроены таким образом, чтобы мертвое положение одного планетарного механизма (и соответствующих рабочих поршней) совпадало со срединным положением другого планетарного механизма.
Недостатками двигателя являются:
- сложность конструкции из-за выноса преобразователя линейных движений поршней во вращательное коленвала, при этом явно возрастают габариты и вес;
- сложность организации движений взаимосвязанных поршней наддува и рабочих поршней (много промежуточных звеньев);
- усложненная конструкция цилиндров в связи с расположением в них по два поршня - наддува и рабочего, причем разных диаметров;
- невозможность размещения преобразователя движений непосредственно в картере приводит к усложнению организации смазки зубчатых передач.
В итоге можно сделать заключение, что организация наддува воздуха дополнительными поршнями и обеспечение движений поршней по осям цилиндров механизмом, расположенным вне картера двигателя, значительно усложняет конструкцию двигателя, а поэтому, возможно, целесообразность в этом обосновывается недостаточно.
В основу изобретения поставлена задача - упростить конструкцию двигателя, уменьшать его габариты и вес, и повысить компактность, а также снизить стоимость его изготовления и увеличить долговечность и сроки эксплуатации.
Данная задача достигается за счет того, что двигатель внутреннего сгорания, содержащий картер, к которому оппозитно присоединены несколько оснащенных впускными обратными подпружиненными клапанами, перепускными и выхлопными каналами, соосных цилиндров, рабочие поршни которых закреплены на концах штоков, установленных на рабочих шейках коленвала, образуемые между их внешними торцами и головками цилиндров - рабочие камеры, переменность объемов которых регулируется планетарным прямолинейно-преобразующим механизмом, связывающим поршни через промежуточные звенья с выходным валом, отличается тем, что планетарный прямолинейно-преобразующий механизм размещается непосредственно внутри картера, включающий планетарные зубчатые передачи, состоящие из сателлитов с радиусом делительной окружности, равным r, входящих во внутреннее зацепление с неподвижными шестернями с радиусами делительных окружностей, равными 2r, при этом сателлитные шестерни закреплены на концах опорных шеек коленвала с плечом, равным радиусу делительной окружности сателлитов r, опирающегося, в свою очередь, на подшипники, размещенные в водилах, установленных на опорные соответствующие подшипники, при этом расстояние между осями опорных шеек коленвала и осью вращения водил, и выходных валов равно r - величине радиуса делительной окружности сателлита, причем на концах штоков попарно закреплены поршни оппозитных цилиндров, с возможностью движения с ходом, равным 4r по осям цилиндров, приводимые в движение от коленвала.
Кроме того, соотношения величин делительных окружностей сателлитов и неподвижных шестерен составляет 1:2.
В предлагаемом двигателе реактивный момент двигателя передается на раму через картер и неподвижные шестерни, минуя цилиндропоршневую группу, тем самым максимально ее разгружая ввиду отсутствия боковой силы на цилиндры, что обеспечивает максимальный механический КПД, а синхронизация работы цилиндров обеспечивается соответствующей настройкой зубчатых планетарных передач (механизмов), обеспечивая тем самым исключение возможности работы двигателя в так называемых мертвых зонах.
На фиг.1 изображен предлагаемый двигатель во взаимосвязанных рабочих движениях всех поршней - в цилиндре 1 в положении ВМТ (начало рабочего хода), в цилиндре 2 - поршень в положении НМТ (фаза продувки), в цилиндре 3 - поршень в положении рабочего хода и в цилиндре 4 - поршень в фазе сжатия смеси.
На фиг.2 показан разрез преобразователя движений с коленвалом, выходными валами и штоком поршней (разрез А-А на фиг.1).
В предлагаемой схеме выбран шестеренчатый механизм без соединительного вала. В этом механизме на опорных шейках коленчатого вала 1 закреплены цилиндрические сателлитные шестерни 2 и 3 с радиусом начальной окружности r, равным 1/4 хода поршней 4. Шестерни 2 и 3 находятся в постоянном зацеплении с шестернями 5 и 6 внутреннего зацепления с радиусом начальной окружности 2r. Шестерни 5 и 6 установлены неподвижно в картере 7 и их оси совпадают с осью вращения выходных валов 8 и 9. Опорные шейки коленвала 1 находятся в подшипниках, расположенных в водилах 10 и 11, и при вращении описывают окружности радиусом r вокруг оси выходных валов 8, 9. Штоковые шейки каленвала 1 расположены на радиусе r и их центры лежат на начальной окружности сателлитных шестерен 2 и 3. Во избежание изгибных моментов на опорных шейках коленвала 1 и перекосов осей шестерен 2 и 3, каждая из них вращается в 2-х опорах (подшипниках), расположенных в водилах 10 и 11 на радиусе r. Поршни 4, двигаясь в цилиндрах 12, 13, 14, 15 через штоки 16 и 17, вращают коленвал 1.
Двигатель работает следующим образом.
Поршни 4, двигаясь в цилиндрах 12, 13, 14, 15 через штоки 16 и 17, вращают коленвал 1 вокруг опорных шеек, расположенных в водилах 10 и 11. При этом вращаются и закрепленные на опорных шейках шестерни 2 и 3, обкатывающиеся по зубчатым венцам неподвижных шестерен 5 и 6, имеющих в 2 раза больший диаметр, а штоковые шейки коленвала 1, центры которых лежат на начальной окружности шестерен 2 и 3, совершают прямолинейное движение через оси неподвижных шестерен 5 и 6 (и оси выходных валов 8 и 9). Реактивный момент двигателя передается на подмоторную раму через картер 7, шестерни 5 и 6, минуя цилиндропоршневую группу, тем самым максимально ее разгружая ввиду отсутствия боковой силы на цилиндры, что обеспечивает максимальный механический КПД, а синхронизация работы цилиндров обеспечивается соответствующей настройкой зубчатых планетарных передач (механизмов), обеспечивая исключение возможности работы двигателя в так называемых мертвых зонах.
Предлагаемое изобретение обладает основными достоинствами прототипа:
- работой по 2-тактному циклу;
- исключением бокового прижатия поршней к стенкам цилиндров, что позволяет уменьшить добавление масла в топливную смесь;
- разгрузкой деталей двигателя за счет создания противодавлений в цилиндрах.
Предлагаемое изобретение перед прототипом обладает следующими преимуществами:
- в преобразователе все движения являются обкатывающими, что повышает работоспособность деталей узлов;
- размещение преобразователя непосредственно в картере не требует подачи масла под давлением в шестеренчатые зацепления, так как оно осуществляется обычным разбрызгиванием масла в замкнутом объеме;
- осуществление передачи реактивного момента двигателя на подмоторную раму через картер и неподвижные шестерни, минуя цилиндропоршневую группу, повышает надежность работы двигателя и его механический КПД;
- конструкция преобразователя движений приемлема как для 2-тактного, так и 4-тактного двигателя.
Перечисленные преимущества позволяют упростить конструкцию двигателя, уменьшать его габариты и вес и повысить компактность, а также снизить стоимость его изготовления и увеличить долговечность и сроки эксплуатации.