ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к военной технике и преимущественно может быть использовано для приведения в движение роботизированных самоходных шасси.
Прототипом является поршневой двигатель внутреннего сгорания двойного действия, содержащий рабочий цилиндр с окнами в верхней и нижней части стенки цилиндра, поршень, разделяющий рабочий цилиндр на двигательную и компрессионную камеры и закрепленный на штоке, проходящем через плотное отверстие в крышке компрессионной камеры, при этом снаружи боковой стенки цилиндра расположено седло золотникового ротора, в диаметрально противоположные края которого выходят окна рабочего цилиндра, золотниковый ротор выполнен в виде зубчатого колеса, в венце которого с боковой стороны в диаметрально противоположных краях выполнены два сквозных окна и две камеры сгорания в форме углублений, причем окна и камеры расположены по окружности с промежутками шириной не менее чем ширина окон в седле золотникового ротора [патент РФ 2235897, МПК F02G 3/02, 2004].
Недостатками прототипа являются:
- сложная конструкция двигателя, обусловленная наличием большого числа деталей и узлов;
- ограниченные функциональные возможности, связанные с отсутствием реверса и самопуска;
- относительно большие массогабаритные характеристики.
Задачей изобретения является упрощение конструкции, расширение функциональных возможностей и улучшение эксплуатационных характеристик.
Задача решается тем, что двигатель внутреннего сгорания, содержащий клапаны впуска, цилиндр с окном и поршнем, кинематически связанным с валом отбора мощности, снабжен другим цилиндром с поршнем, который кинематически связан с валом отбора мощности, причем кинематические связи выполнены кривошипно-ползунными механизмами, кривошипы которых закреплены на валу со смещением 90° относительно друг друга, а ползуны выполнены в виде штоков поршней, при этом концы полостей второго цилиндра соединены соответственно каналами с клапанами впуска, размещенными на противоположных концах полости первого цилиндра, окно которого размещено в центре полости и сообщено с атмосферой.
Каналы присоединены к полости второго цилиндра от ее конца на расстоянии не более 0,1 хода поршня. Часть крышки второго цилиндра выполнена в виде накопителя воздуха. Продольные оси цилиндров размещены перпендикулярно друг к другу.
Указанные отличительные признаки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.
Снабжение двигателя другим цилиндром с поршнем, который кинематически связан с валом отбора мощности, выполнение кинематических связей кривошипно-ползунными механизмами, кривошипы которых закреплены на валу со смещением 90° относительно друг друга, а ползуны выполнены в виде штоков поршней, при этом концы полостей второго цилиндра соединены соответственно каналами с клапанами впуска, размещенными на противоположных концах полости первого цилиндра, окно которого размещено в центре полости и сообщено с атмосферой, позволяет уменьшить массогабаритные характеристики двигателя за счет уменьшения числа деталей и узлов, расширить функциональные характеристики посредством появления возможности осуществлять реверс, самопуск и подачу дополнительного воздуха или смеси в цилиндр.
Присоединение каналов к полости второго цилиндра от ее конца на расстоянии не более 0,1 хода поршня расширяет функциональные возможности за счет автоматического в случае необходимости перекрывания поршнем поступающего во второй цилиндр воздуха и наполнения последним ресивера. Выполнение части крышки цилиндра в виде накопителя воздуха улучшает эксплуатационные характеристики посредством обеспечения возможности самопуска двигателя. Размещение продольных осей цилиндров перпендикулярно друг к другу эквивалентно закреплению кривошипов на валу со смещением 90° относительно друг друга, так как в этом случае оси кривошипов совпадают. Это позволяет вместо коленчатого вала использовать обычный вал с одним кривошипом, что еще больше упрощает конструкцию двигателя.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен двигатель внутреннего сгорания в момент поворота вала на угол 30°;
На фиг. 2 изображен двигатель в момент поворота вала на угол 70°;
На фиг. 3 изображен двигатель в момент поворота вала на угол 110°;
На фиг. 4 изображен двигатель в момент поворота вала на угол 180°;
На фиг. 5 изображен двигатель в момент поворота вала на угол 250°;
На фиг. 6 изображен двигатель в момент поворота вала на угол 290°;
На фиг. 7 изображен цилиндр двигателя с проточкой для смазывающего материала;
На фиг. 8 изображен цилиндр двигателя с подключенным к нему ресивером;
На фиг. 9 изображен цилиндр двигателя с каналами, присоединенными к его полости на расстоянии 0,1 хода поршня;
На фиг. 10 изображено положение цилиндров двигателя с взаимно перпендикулярным расположением продольных осей.
Двигатель внутреннего сгорания содержит кривошипно-ползунные механизмы, кривошипы 1, 2 которых жестко закреплены на валу 3 со смещением 90° относительно друг друга и соответственно соединены через шатуны 4, 5 со штоками 6, 7 поршней 8, 9, размещенных с возможностью перемещения соответственно в нагнетательном цилиндре 10 и в цилиндре сгорания 11, при этом полости цилиндра 10 соединены соответственно каналами 12, 13 с клапанами 14, 15 впуска, размещенными на противоположных полостях цилиндра 11, в центре которого выполнено окно 16, соединяющее цилиндр 11 с атмосферой. Цилиндр 10 имеет впускные клапаны 17, 18, на крышках цилиндра 11 размещено устройство 19 впрыска топлива. Цилиндр 11 в середине может иметь проточку 20 для смазывающего материала и обратные клапаны 21, 22, соединенные соответственно воздуховодами 23, 24 с ресивером 25. Каналы 12, 13 могут быть присоединены к полости цилиндра 10 от ее конца на расстоянии 0,1 хода поршня 8.
Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.
Предположим, что двигатель запускают известным способом путем вращения вала 3, например, по часовой стрелке, и отсчет угла поворота осуществляется от горизонтали. Для определенности будем полагать, что в начальный момент (в момент пуска) вал 3 занимает положение, например, соответствующее углу его поворота α=30° (фиг. 1). В это время поршень 8 находится на расстоянии 0,05 хода, а поршень 9 - на расстоянии 0,7 хода. При этом в образовавшуюся у левого края полость между поршнем 8 и крышкой цилиндра 10 через впускной клапан 17 будет засасываться воздух, например, из атмосферы, а в правой части полости цилиндра 11 воздух будет сжиматься поршнем 9. Поскольку давление в правой части полости цилиндра 11 больше давления воздуха в левой части полости цилиндра 10, то клапан 15 впуска закрыт и давление воздуха по мере приближения поршня 9 к мертвой точке возрастает. При достижении валом 3 угла α=70° поршень 9 окажется на расстоянии 0,96 хода, при этом окно 16 начнет освобождаться от прилегающей цилиндрической поверхности поршня (открываться), в результате чего воздух (или продукты горения) из левой части полсти цилиндра 11 будет истекать наружу (в атмосферу), при этом давление в этой части полости упадет и сжимаемый поршнем 8 (находящимся на расстоянии ~0,3 хода) воздух по каналу 13 через клапан 14 впуска устремится в левую часть полости цилиндра 11, осуществляя ее продувку (фиг. 2).
Затем производят впрыск через устройство 19 (форсунку) топлива, которое, соприкасаясь с горячим сжатым воздухом, воспламеняется и начинает гореть. Поршень 9 по инерции продолжает двигаться к мертвой точке, еще больше освобождая окно 16. Образующиеся продукты сгорания давят на указанный поршень, заставляя его двигаться после прохождения мертвой точки в противоположном направлении. При прохождении валом 3 угла 110° поршень 9 снова окажется на отметке 0,96 хода, двигаясь уже в обратную сторону, а поршень 8 - на отметке 0,61 и будет продолжать движение в прежнем направлении (фиг. 3). Причем окно 16 начнет окончательно закрываться, а продувка - заканчиваться.
Далее свежий воздух в левой части полости цилиндра 11 начнет сжиматься поршнем 9. Одновременно поршнем 8 сжимается воздух в правой части полости цилиндра 10. Поскольку поршень 8 находится ближе к середине цилиндра, то его скорость перемещения будет выше, чем у поршня 9, находящегося у края цилиндра 11. Поэтому давление перед поршнем 8 будет расти быстрее и воздух по каналу 13 через клапан 14 впуска будет поступать в левую часть полости цилиндра 11, увеличивая количество воздуха в последней (эффект надува). При достижении поршнем 8 мертвой точки нагнетание воздуха в правую часть полости цилиндра 11 закончится, при этом его поршень окажется на отметке ~0,4 хода и будет продолжать движение, сжимая перед собой воздух (фиг. 4). Далее поршень 8 начнет движение в обратную сторону (влево), сжимая в левой части полости цилиндра 10 засосанный ранее воздух и всасывая за собой свежий воздух через впускной клапан 18. Поскольку давление продуктов сгорания в правой части полости цилиндра 11 велико, то клапан 15 впуска закрыт и давление перед поршнем 8 растет. Как только поршень 8 окажется около отметки ~0,6 (а поршень 9 ~0,03), окно 16 начнет приоткрываться, выпуская продукты горения из правой части полости цилиндра 11, давление в ней упадет и сжатый поршнем 8 воздух устремится через клапан 15 впуска, начнется продувка (фиг. 5). Одновременно левой форсункой 19 производят впрыск топлива, которое воспламеняется и начинает гореть. После прохождения валом угла 290° поршень 8 окажется на отметке 0,3 хода, а поршень 9 - около 0,03 хода. Окно 16 начнет окончательно закрываться, поршень станет сжимать воздух в правой части полости цилиндра 11, а поршень 8 - нагнетать в последнюю воздух и всасывать за собой свежий воздух через впускной клапан 18 (фиг. 6). При подходе поршня 8 к левой мертвой точке процесс нагнетания воздуха завершится, поршень 9 окажется около отметки 0,4 и продолжит сжатие воздуха. Заметим, что при данном расположении окна 16 и клапанов впуска на продувку правой части полости цилиндра 11 расходуется 0,7 объема воздуха цилиндра 10 и 0,3 этого объема идет на нагнетание (в качестве добавки) в цилиндр 11, в то время как для левой части полости указанного цилиндра эти показатели соответственно равны ~0,6 и 0,4. Следует иметь в виду, что вследствие наличия штока 7 объем левой части полости цилиндра меньше правой, поэтому для нее требуется меньший объем для продувки. При повороте вала 3 на 390° описанный цикл повторится.
Для смазки поршня 9 и цилиндра 11 в нем может быть сделана проточка 20 для смазывающего материала (не сообщающаяся с окном 16) (фиг. 7). При движении поршня 9 смазка будет перемещаться маслосъемными кольцами (не показаны) по боковой поверхности цилиндра 11, обеспечивая низкий коэффициент трения между поршнем и цилиндром. Поскольку работа поршня 8 в цилиндре 10 происходит в менее тяжелых условиях (нет высокой температуры, возникающей при горении, и большого давления) по сравнению с поршнем 9 и цилиндром 11, то детали этой цилиндропоршневой группы могут быть изготовлены из более легких материалов, а боковая поверхность цилиндра покрыта антифрикционным материалом, что снизит массогабаритные характеристики.
В случае работы двигателя в режиме неполного отбора мощности в цилиндр 11 посредством поршня 8 можно нагнетать меньше воздуха (или не нагнетать вовсе), направив при этом последний через обратные клапаны 21, 22, соединенные соответственно воздуховодами 23, 24, в ресивер 25 (фиг. 8). Для этого предварительно необходимо перекрывать каналы 12, 13. Находящийся в ресивере воздух можно использовать по различному направлению. Во-первых, если соединить ресивер 25 с впускными клапанами 17,18, то при засасывании поршнем 8 воздуха в полость цилиндра 10 попадет больше воздуха по сравнению с засасыванием непосредственно из атмосферы. Следовательно, потом больше воздуха будет использовано для продувки цилиндра 11 и при сжатии (приготовлении смеси). В результате качественная продувка может быть обеспечена при меньшем объеме цилиндра 10, а двигатель сможет работать в форсированном режиме. Во-вторых, сжатый воздух из ресивера может применяться для работы других устройств, например рулевого управления.
Кроме того, сжатым воздухом можно обеспечить самопуск двигателя. Предположим, поршень 9 находится около среднего положения (фиг. 4). Подают сжатый воздух из ресивера 25 через обратный клапан 21 в цилиндр 10, в результате чего поршень 9 начинает двигаться и сжимать воздух, находящийся в левой части его полости. При приближении к мертвой точке через форсунку 19 впрыскивают топливо (в данном случае можно через калильное тело), производя горение смеси и запуск двигателя.
Сжатый воздух можно нагнетать в ресивер 25 и принудительно, не перекрывая предварительно каналы 12, 13. Для этого присоединение (конструктивное) каналов 12, 13 к цилиндру 10 осуществляют на расстоянии 0,1 хода поршня (фиг. 9). Тогда при движении поршня 8 воздух сначала будет нагнетаться в полость цилиндра 11, а затем, когда поршень 8 достигнет отметки 0,1, он перекроет своей боковой поверхностью вход в канал и оставшийся воздух будет закачан в ресивер 25. В результате после каждого хода поршня 8 в ресивер будет попадать примерно 0,1 объема цилиндра 10 сжатого воздуха.
Расположение продольных осей цилиндров перпендикулярно друг другу позволяет закрепить их шатуны на одном кривошипе, упростив конструкцию, изменить компоновку двигателя необходимым для рационального и компактного размещения других узлов транспортного средства, на котором этот двигатель устанавливается, а главное - обеспечить хорошее (со всех сторон) охлаждение цилиндра 11 (фиг. 10). Работа может осуществляться и в режиме бензинового двигателя. Для этого в крышках цилиндра 11 устанавливаются свечи зажигания, при этом впрыск топлива из форсунки осуществляется в момент закрывания поршнем 9 окна 16, что приводит к последующему сжатию горючей смеси и последующему ее воспламенению свечой зажигания.
Еще более простой по конструкции получается двигатель, если в качестве горючей смеси использовать сжатую (сжиженную) газовую смесь, посредством которой можно производить самопуск двигателя и продувку, при этом отпадает надобность в системе питания двигателя. По существу он состоит из двух цилиндропоршневых групп с кривошипно-ползунными механизмами и кривошипа с валом отбора мощности.
Для запуска двигателя этого варианта предварительно устанавливают поршень 9 в крайнее положение, при котором окно 16 оказывается открытым, и подают через впускные клапаны 17, 18 сжатую газовую горючую смесь (фиг. 5). Правые и левые части цилиндров 10, 11 начинают заполняться указанной смесью, однако поскольку окно 16 открыто, то давление в правой части цилиндра 11 и левой цилиндра 10 окажется низким, поэтому поршень 8 начнет двигаться влево, перемещая через вал 3 влево и поршень 9. После того как поршень 8 дойдет до мертвой точки, поршень 9, миновав мертвую точку и двигаясь вправо, окажется около отметки ~0,4 хода, имея при этом за собой достаточно много смеси, которую воспламеняют свечой зажигания. Поршень 9 продолжает движение вправо уже под действием продуктов горения. Далее двигатель функционирует аналогично работе бензинового мотора.
Заметим, что поскольку двигатель не имеет классического газораспределительного механизма, то он может вращаться в ту и другую стороны. Для включения реверса необходимо сначала выключить (остановить) его, а затем запустить в другом направлении путем вращения вала 3 от стартера или соответствующей подачей сжатого воздуха (газа) из ресивера или баллона. Наличие реверса значительно упрощает коробку передач, если таковая имеется на транспортном средстве. Отметим также, что к цилиндру 10 может быть подключен еще один, аналогичный цилиндру 11, поршень которого должен двигаться синхронно с последним, что при незначительном увеличении габаритов приведет к существенному увеличению мощности двигателя.
Внедрение изобретения позволит создать дешевый, простой по конструкции двигатель, обладающий большой удельной мощностью, реверсом, самопуском, который может изготавливаться в различных вариантах компоновки.