ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности, к поршневым машинам, и, главным образом, к двигателям внутреннего сгорания.
В традиционных поршневых двигателях используется кривошипно-шатунный механизм, а жесткая система синхронизации работы осуществляется с помощью коленчатого и распределительного валов. В настоящее время известны линейные, свободнопоршневые двигатели [патент RU №2577425, МПК F02B 71/00], который содержит один цилиндр с секцией сгорания, впускными и выпускными каналами, поршневой узел с преобразователем кинетической энергии в электрическую.
Свободнопоршневая структура допускает большие и переменные степени расширения - сжатия, а линейное перемещение поршневого штока, позволяет свести минимуму потери на трение и износ. Для управления работой двигателя используется электронная система, которая содержит ряд датчиков (положения, давления, температуры, нагрузки двигателя и т.д.), системы преобразования сигналов, центральную ЭВМ, которая, с использованием вторичной системы преобразования сигналов, через исполнительные механизмы осуществляет управление работой двигателя.
Недостатками линейного двигателя являются значительные потери при преобразовании кинетической энергии в электрическую, в связи с чем он имеет ограниченное применение.
Известен также двигатель внутреннего сгорания свободно-поршневой с постоянным плечом силы момента на валу [патент RU №2239075, МПК F02B 75/32], содержащий корпус с цилиндрами, поршни с поршневыми штоками и системой синхронизации, а также преобразователь возвратно-поступательного движения поршневых штоков во вращательное однонаправленное движение выходного вала, причем блок преобразования движения выполнен путем размещения на двух валах шестерен и двух обгонных муфт, охваченных шестерней с внутренним зацеплением, сидящей на выходном валу, с выводом на него однонаправленного вращательного движения.
Недостатками известного двигателя являются его многозвенность, сложность изготовления и большие инерционные нагрузки, возникающие при использовании паразитных шкивов, и планетарных редукторов.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является двигатель внутреннего сгорания [патент RU №2411382, МПК F02B 75/32], содержащий цилиндры с размещенными в них поршнями, работающими в противофазе, преобразователь поступательного движения штоков во вращательное движение, включающий связанные со штоками зубчатые рейки, взаимодействующие со смонтированными на валах шестернями, которые снабжены муфтами свободного хода для однонаправленной передачи вращения на вал во время рабочего хода и механизм синхронизации движения поршней, выполненный в виде конического зубчатого зацепления, совмещенного с муфтами свободного хода.
Недостатками такого двигателя является возникновение радиальных, по отношению к шестерне, усилий, трение и интенсивный износ деталей цилиндро-поршневой группы и зубчатого зацепления, вследствие локального контакта и ударно-динамических нагрузок при изменении направления движения рейки. Следствием указанных недостатков является высокий расход топлива, низкие удельная мощность и долговечность двигателя. К недостаткам следует отнести также использование в устройствах для однонаправленной передачи крутящего момента обгонных муфт, имеющих низкую надежность и долговечность при работе в экстремальных условиях.
Техническая задача - упрощение конструкции двигателя и улучшение эксплуатационных характеристик за счет снижения динамических и инерционных нагрузок.
Техническая задача решается за счет того, что в двигателе, содержащем цилиндры с размещенными в них поршнями со штоками, преобразователь движения поршней, муфты и кинематически связанные выходные валы, преобразователь движения выполнен в виде гибкой передачи, содержащей размещенные на выходных валах шкивы, и охватывающий их гибкий элемент, концы которого прикреплены к рамкам, смонтированным на поршневых штоках, снабженные устройствами для однонаправленной передачи крутящего момента, каждое из которых выполнено в виде управляемой муфты с пневматическим или электромагнитным приводом, связанной с электронной системой управления.
Устройство двигателя поясняется чертежом, на котором представлена секция двигателя, содержащего два цилиндра.
Двигатель содержит цилиндры 1, 2 с поршнями 3, 4 штоками 5, 6. Поршни соединены с рамками 7, 8, на которых закреплены концы гибкого элемента 9. Гибкий элемент, например, эластичная лента охватывает наружные поверхности шкивов 10, 11 и натяжного ролика 12. Шкивы свободно смонтированы на параллельных выходных валах отбора мощности 13, 14 и связаны с управляемыми муфтами 15, 16 с пневматическим или электромагнитным приводом. Валы 13, 14 связаны зубчатыми шестернями 17, 18. Для запуска двигателя и коррекции его работы используются линейные двигатели 19, 20, которые могут иметь как пневматический, так и электрический привод.
Работа двигателя осуществляется следующим образом.
После запуска с помощью пусковых механизмов 19, 20, подачи и зажигания горючей смеси в цилиндре 2 (поршень 4 при этом находится в ВМТ) движение поршня, штока 6, рамки 8 и гибкого элемента 9 передается на шкивы 11, 10 и при включенной управляемой муфте 16 крутящий момент передается на вал 14. Муфта 15 отключена и шкив 10 вращается вхолостую. Движение второго конца гибкого элемента 9, вызывает перемещение рамки 7, штока 5 и поршня 3 в цилиндре 1, при этом осуществляется удаление выхлопных газов, а в конце хода подача горючего и подготовка к рабочему ходу в этом цилиндре.
Во время последующего рабочего хода в цилиндре 1 гибкий элемент 9 начинает двигаться в противоположном направлении, включается управляемая муфта 15, отключается муфта 16, крутящий момент передается на вал 13. Далее цикл повторяется и рабочие ходы в цилиндрах двигателя осуществляются попеременно. Силовой импульс во время рабочего хода каждого из поршней через одну из муфт передается на один из параллельных валов отбора мощности: от цилиндра 1 через шкив 10 и муфту 15 на вал 13, а от цилиндра 2 через шкив 11 и муфту 16 на вал 14. Так как валы 13, 14 связаны зубчатой передачей каждый из них является выходным. Равномерность вращения обеспечивается инерционными массами, в частности, маховиком (на черт, не показан). Согласованная работа систем впрыска и зажигания, включения и выключения муфт 15, 16 обеспечивается электронной системой управления (ЭСУ), которая содержит ряд датчиков (положения, давления, температуры, нагрузки двигателя и т.д.), систему преобразования сигналов и центральную ЭВМ, которая через исполнительные механизмы осуществляет управление работой двигателя.
Отсутствие жестких связей позволяет в полной мере использовать электронную систему управления и повысить эффективность работы за счет реализации оптимальных режимов и их корректировки в интерактивном режиме. Продолжительность того или иного периода работы и длина хода поршня может регулироваться без дополнительных и достаточно сложных механических систем.
Конструкция двигателя внутреннего сгорания с использованием предлагаемого изобретения в сравнении с прототипом позволяет упростить его конструкцию, увеличить ресурс и надежность работы, при уменьшении механических потерь и повышении КПД, в связи с тем, что при работе зубчатой передачи при преобразовании возвратно-поступательного движения штока в однонаправленное вращательное движение вала возникают ударные нагрузки, большое контактное давление и как следствие большие динамические нагрузки, что снижает долговечность деталей двигателя. Кроме того, выполнение гибкого элемента эластичным позволит избежать перегрузок за счет саморегулирования угловой скорости выходного вала в зависимости от нагрузок.