ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ)
INTERNAL COMBUSTION ENGINE (VERSIONS)

Изобретение «Двигатель внутреннего сгорания» относится к автомобилестроению.
Двигатель внутреннего сгорания, как правило, имеет кривошипно-шатунный механизм, служащий для преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала, генератор, аккумуляторную батарею, электродвигатель, в качестве трансмиссии используют вариатор или планетарную передачу, электроника управляет работой двигателя внутреннего сгорания, регулирует напряжение генератора, питает электродвигатели, бортовую систему автомобиля и заряжает аккумуляторную батарею.
Коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания имеет высокую стоимость, сложную форму, большой вес, требуется дорогостоящее кузнечно-прессовое оборудование для его изготовления, точная механическая обработка с финишной доводкой шеек коленчатого вала.
Частота вращения коленчатого вала достигает шесть тысяч и более оборотов в минуту, при этом возникают большие центробежные силы, действующие на шатунные шейки, щеки и нижние головки шатунов, воздействующие на коренные подшипники, вызывая их ускоренный износ, а также боковые силы, действующие со стороны поршня на стенки цилиндра, вызывая износ в цилиндропоршневой группе. Кроме того, максимальный крутящий момент в кривошипно-шатунном механизме возникает, когда поршень находится на середине расстояния хода поршня, убывая при приближении к верхней и нижней мертвым точкам.
Фирма «GF Отомотив» разрабатывает новую технологию изготовления полого коленчатого вала, методом литья из дорогостоящего сплава «Sibodur», с последующим упрочнением его поверхности обкатыванием роликами. Однако данный способ изготовления сложен, трудоемок и требует дорогостоящего оборудования (1).
Известен двигатель внутреннего сгорания VCR (Variable Compression Ratio), разработанный Французской фирмой МСЕ-5 Development для концерна «Пежо-Ситроен», в котором поршни связаны с шатуном через зубчатый сектор. Опорный зубчатый ролик обеспечивает строго возвратно-поступательное движение поршня. Благодаря этому отсутствуют боковые силы, действующие со стороны поршня на стенки цилиндра, характерные для обычного двигателя внутреннего сгорания. Заметно снижаются трение и износ в цилиндропоршневой группе (2).
Однако это достигнуто за счет очень сложной кинематики кривошипно-шатунного механизма, в данном двигателе поршень связан с кривошипно-шатунным механизмом через зубчатый сектор, кроме того, строго возвратно-поступательное движение поршня обеспечивается за счет дополнительного опорного зубчатого ролика.
Наиболее близким техническим решением является двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндры со съемными головками, поршни с поршневыми кольцами, газораспределительный механизм, систему охлаждения, систему смазки, систему питания, систему зажигания, попарно соединенные поршни через штанги с рамкой с зубчатыми рейками таким образом, если один поршень находится в верхней мертвой точке, то другой поршень в нижней мертвой точке, а преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала происходит за счет перемещения рамок с зубчатыми рейками, которые входят в зацепление с зубчатыми секторами колес, установленных на выходном валу, причем рамки выполнены с верхней и нижней зубчатыми рейками, продольные оси верхней и нижней зубчатых реек смещены относительно друг друга и относительно оси поршней, а на выходном валу установлено второе колесо с зубчатым сектором (3).
Данный двигатель внутреннего сгорания выбран в качестве прототипа.
Недостатком этого двигателя внутреннего сгорания является то, что боковые силы, действующие со стороны поршня на стенки цилиндра, имеются, так как оси верхней и нижней реек не совпадают с осью поршней.
Технический результат заявленного двигателя внутреннего сгорания состоит в том, что поршни, попарно соединенные через штанги с рамкой с зубчатыми рейками таким образом, что если один поршень находится в верхней мертвой точке, то другой поршень - в нижней мертвой точке, преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала происходит за счет перемещения рамок с зубчатыми рейками, которые входят в зацепление с зубчатыми секторами колес, установленных на выходном валу, рамки выполнены с верхними и нижними зубчатыми рейками, верхние и нижние зубчатые рейки смещены относительно друг друга, причем верхняя часть рамки выполнена с одной зубчатой рейкой, а нижняя часть рамки выполнена с двумя зубчатыми рейками, продольные оси которых симметрично смещены относительно оси поршней (возможна установка в верхней части рамки двух зубчатых реек, а в нижней - одной зубчатой рейки, или смешанная установка зубчатых реек в разных поршневых группах) для подачи свежей порции воздушной смеси в рабочую полость цилиндра, дополнительно введены трубопровод и ресивер, соединяющие нижнюю и верхнюю части цилиндра, рамки с зубчатыми рейками и выходной вал с установленными на нем колесами с зубчатыми секторами обладают намагниченностью, в двигателе с противоположных сторон зубчатых реек установлены индукционные катушки, выполняющие функцию обмоток статора генератора, функцию якоря генератора выполняет выходной вал с колесами с зубчатыми секторами, установленными на выходном валу, на колесах с противоположной стороны зубчатых секторов установлены индукционные катушки, выполняющие функцию обмоток якоря генератора.
Данные технические решения функционально связаны и положительный эффект достигается от единства данного решения.
Преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение выходного вала происходит за счет перемещения рамок с зубчатыми рейками, входящими в зацепление с зубчатыми секторами колес, установленных на выходном валу, подача свежей порции воздушной смеси в рабочую полость цилиндра, за счет установки трубопровода и ресивера, соединяющих нижнюю и верхнюю части цилиндра, позволило двигателю внутреннего сгорания работать в двухтактном режиме, намагниченность зубчатых реек и выходного вала с установленными на нем колесами с зубчатыми секторами и установка катушек индуктивности, внутри которых перемещаются рамки с рейками, позволило катушкам индуктивности выполнять функцию статора генератора, а выходному валу с установленными на нем колесами с зубчатыми секторами выполнять функцию якоря генератора.
Представлены варианты четырехтактного и двухтактного двигателя внутреннего сгорания.
В первом варианте, технический результат достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндры со съемными головками, поршни с поршневыми кольцами, газораспределительный механизм, систему охлаждения, систему смазки, систему питания, систему зажигания, поршни, попарно соединенные через штанги с рамкой с зубчатыми рейками таким образом, что если один поршень находится в верхней мертвой точке, то другой поршень - в нижней мертвой точке, преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала происходит за счет перемещения рамок с зубчатыми рейками, которые входят в зацепление с зубчатыми секторами колес, установленных на выходном валу, рамки выполнены с верхними и нижними зубчатыми рейками, верхние и нижние зубчатые рейки смещены относительно друг друга, верхняя часть рамки выполнена с одной зубчатой рейкой, а нижняя часть рамки выполнена с двумя зубчатыми рейками, продольные оси которых симметрично смещены относительно оси поршней.
Во втором варианте, технический результат достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндры со съемными головками, поршни с поршневыми кольцами, газораспределительный механизм, систему охлаждения, систему смазки, систему питания, систему зажигания, поршни, попарно соединенные через штанги с рамкой с зубчатыми рейками таким образом, что если один поршень находится в верхней мертвой точке, то другой поршень - в нижней мертвой точке, преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала происходит за счет перемещения рамок с зубчатыми рейками, которые входят в зацепление с зубчатыми секторами колес, установленных на выходном валу, рамки выполнены с верхними и нижними зубчатыми рейками, верхние и нижние зубчатые рейки смещены относительно друг друга, верхняя часть рамки выполнена с одной зубчатой рейкой, а нижняя часть рамки выполнена с двумя зубчатыми рейками, продольные оси которых симметрично смещены относительно оси поршней, для подачи свежей порции воздушной смеси в рабочую полость цилиндра, дополнительно введены трубопровод и ресивер, соединяющие нижнюю и верхнюю части цилиндра.
В третьем варианте, технический результат отличается от второго варианта тем, что в ресивере установлен патрубок для дополнительного заполнения ресивера воздушной или газовоздушной смесью от дополнительного автономного источника.
В четвертом варианте, технический результат отличается от второго варианта тем, что рамки с зубчатыми рейками и выходной вал с зубчатыми секторами колес, установленными на выходном валу, обладают намагниченностью.
В пятом варианте, технический результат отличается от второго варианта тем, что рамки с зубчатыми рейками и выходной вал с зубчатыми секторами колес, установленными на нем, обладают намагниченностью, в двигателе с противоположных сторон зубчатых реек установлены индукционные катушки, выполняющие функцию обмоток статора генератора, функцию якоря генератора выполняет выходной вал с установленными на нем колесами с зубчатыми секторами.
В шестом варианте, технический результат отличается от второго варианта тем, что рамки с зубчатыми рейками и выходной вал с зубчатыми секторами колес, установленными на нем, обладают намагниченностью, в двигателе с противоположных сторон зубчатых реек установлены индукционные катушки, выполняющие функцию обмоток статора генератора, функцию якоря генератора выполняет выходной вал с установленными на нем колесами с зубчатыми секторами, на колесах с противоположной стороны зубчатых секторов установлены индукционные катушки, выполняющие функцию обмоток якоря генератора.
Запуск двигателя внутреннего сгорания производится следующим образом.
При намагниченности рамок с зубчатыми рейками и выходного вала с зубчатыми секторами колес, установленных на нем, при выключении зажигания, выходной вал двигателя стремится занять определенное положение, например, перед вхождением в зацепление зубчатых реек рамки с зубчатыми секторами колес, при однополярной намагниченности, или притяжением зубчатой рейки рамки к зубчатому сектору колеса, при разнополярной намагниченности или, например, занимать определенное положение поршня, при подачи импульса напряжения на индукционную катушку, установленную в двигателе, через которую проходит рамка с зубчатыми рейками.
Для благоприятного условия запуска двигателя нужно, чтобы поршень в одном из цилиндров находился в положении чуть раньше верхней мертвой точки, в этот момент происходит впрыск топлива с одновременной подачей воздушной смеси из ресивера через трубопровод в камеру сгорания цилиндра, подается импульс напряжения на свечу зажигания и на одну из катушек индуктивности, в результате чего происходит вспышка горючей смеси и перемещение рамки с зубчатыми рейками, которые повернут выходной вал, это позволит сжать воздух в соседнем цилиндре. Если в определенный момент топливо впрыскивается в него, подается импульс напряжения на свечу зажигания, вспышка горючей смеси получается значительно мощнее и двигатель запускается.
Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом (см. фиг. 1, 6, рассматриваются первая и вторая поршневые группы, в которых верхние рамки с одной, а нижние с двумя зубчатыми рейками).
Предположим, что поршень в первом цилиндре перемещается от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, клапана закрыты. Давление в цилиндре и температура рабочей смеси повышаются. В конце такта сжатия подается импульс напряжения на свечу зажигания, между электродами свечи зажигания проскакивает искра (свечи зажигания и клапана на фигурах не показаны), рабочая смесь в первом цилиндре воспламеняется, происходит быстрое сгорание горючей смеси. Давление и температура в цилиндре повышаются. Давление газов передается на поршень, поршень перемещается к нижней мертвой точке, перемещая рамку с зубчатыми рейками, верхняя зубчатая рейка входит в зацепление с зубчатым сектором колеса, установленного на выходном валу, заставляя колесо и выходной вал вращаться. Поршень во втором цилиндре перемещается от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, впускные клапаны закрыты, выпускные клапаны открыты. Отработанные газы из второго цилиндра поступают в выпускной трубопровод и далее через глушитель в атмосферу. На выходном валу установлено четвертое колесо, зубчатый сектор которого при вращении входит в зацепление с верхней зубчатой рейкой, перемещая рамку и поршень в третьем цилиндре из нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, клапана закрыты. В конце такта сжатия подается импульс напряжения на свечу зажигания, между электродами свечи проскакивает искра, рабочая смесь в третьем цилиндре воспламеняется, происходит быстрое сгорание горючей смеси, давление и температура в цилиндре повышаются, давление газов передается на поршень, поршень перемещается к нижней мертвой точке, перемещая рамку с зубчатыми рейками, нижние зубчатые рейки входят в зацепление с зубчатыми секторами колес, установленных на выходном валу, заставляя колеса и выходной вал вращаться. Поршень в четвертом цилиндре перемещается из нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, впускные клапана закрыты, выпускные клапана открыты. Отработанные газы из четвертого цилиндра поступают в выпускной трубопровод и далее через глушитель в атмосферу. Выходной вал, вращаясь, вводит зубчатый сектор четвертого колеса в зацепление с верхней рейкой, перемещая рамку и поршень в четвертом цилиндре от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, клапана закрыты. Давление и температура рабочей смеси в четвертом цилиндре повышаются. В конце такта сжатия подается импульс напряжения на свечу зажигания, между электродами свечи зажигания проскакивает искра, рабочая смесь в четвертом цилиндре воспламеняется, происходит быстрое сгорание горючей смеси в цилиндре. Давление и температура в цилиндре повышаются, давление газов передается на поршень, поршень перемещается к нижней мертвой точке, перемещая рамку с зубчатыми рейками, нижние зубчатые рейки входят в зацепление с зубчатыми секторами колес, установленных на выходном валу, заставляя колеса и выходной вал вращаться. Одновременно, поршень в первом цилиндре перемещается от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, впускные клапана закрыты, выпускные клапана открыты. Отработанные газы из первого цилиндра поступают в выпускной трубопровод и далее через глушитель в атмосферу. Установленный на выходном валу зубчатый сектор второго колеса, вращаясь, входит в зацепление с верхней зубчатой рейкой, перемещая рамку с зубчатым сектором и поршень во втором цилиндре из нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, клапана закрыты. В конце такта сжатия подается импульс напряжения на свечу зажигания, между электродами свечи зажигания проскакивает искра, рабочая смесь во втором цилиндре воспламеняется, происходит быстрое сгорание горючей смеси, давление и температура в цилиндре повышаются. Давление газов передается на поршень, поршень перемещается к нижней мертвой точке, перемещая рамку с зубчатыми рейками, нижние зубчатые рейки входят в зацепление с зубчатыми секторами колес, установленных на выходном валу, заставляя колеса и выходной вал вращаться.
Далее процессы, происходящие в цилиндрах, повторяются в указанной выше последовательности.
γ - угол поворота выходного вала за ход поршня, выражается отношением
где S - ход поршня; ρ - шаг торцовый; z - число зубьев колеса.
Пример чередования тактов в четырехцилиндровом четырехтактном двигателе внутреннего сгорания указан в таблице 1.
Таблица 1
Номер цилиндра
Такты в цилиндрах
1
2
3
4
Первый
Рабочий ход
Выпуск
Впуск
Сжатие
Второй
Выпуск
Впуск
Сжатие
Рабочий ход
Третий
Сжатие
Рабочий ход
Выпуск
Впуск
Четвертый
Впуск
Сжатие
Рабочий ход
Выпуск
Четырехцилиндровый двухтактный двигатель внутреннего сгорания имеет два такта, такт сжатия, совмещенный с циклом впрыска топлива, подачей импульса напряжения на свечу зажигания, запасом свежей порции воздушной смеси и рабочий ход совмещен с выпуском отработанных газов в конце такта, продувкой цилиндров и подачей свежей порции воздушной смеси в рабочую полость цилиндра. Преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение выходного вала происходит за счет перемещения рамок с зубчатыми рейками, которые входят в зацепление с зубчатыми секторами колес, установленных на выходном валу. Верхние и нижние зубчатые рейки, установленные на рамке, смещены относительно друг друга, верхняя часть рамки выполнена с одной зубчатой рейкой, а нижняя часть рамки выполнена с двумя зубчатыми рейками, продольные оси которых симметрично смещены относительно оси поршней, на выходном валу установлены колеса с зубчатыми секторами, зубчатые сектора колес, входящие в зацепление с верхними и нижними зубчатыми рейками, сдвинуты и повернуты относительно друг друга.
В четырехцилиндровом двухтактном двигателе внутреннего сгорания два поршня всегда совершают рабочий ход, например, в первом и четвертом цилиндрах, тогда в первой группе попарно соединенных поршней верхняя рамка с одной зубчатой рейкой входит в зацепление с зубчатым сектором колеса, установленного на выходном валу, а во второй группе попарно соединенных поршней нижняя рамка с двумя зубчатыми рейками входит в зацепление с двумя зубчатыми секторами колес, установленных на выходном валу, в результате чего три зубчатые рейки вращают колеса и выходной вал двигателя, при следующем цикле во второй группе попарно соединенных поршней верхняя рамка с одной зубчатой рейкой входит в зацепление с зубчатым сектором колеса, установленном на выходном валу, а в первой группе попарно соединенных поршней нижняя рамка с двумя зубчатыми рейками, симметрично смещенными относительно оси поршней, входит в зацепление с зубчатыми секторами колес, установленных на выходном валу, в результате чего три зубчатые рейки вращают колеса и выходной вал двигателя внутреннего сгорания.
Таким образом, в любой момент времени три зубчатые рейки приводят во вращение зубчатые сектора колес и выходной вал двигателя внутреннего сгорания. В результате чего более чем в два раза повышается мощность крутящего момента выходного вала двигателя, так как крутящий момент прикладывается одновременно с двух сторон, сверху и снизу. Кроме того, повышается надежность двигателя, так как три пары, зубчатые рейки - колеса, находятся в зацеплении, вращая выходной вал двигателя внутреннего сгорания. Возможна установка, например, двух верхних и трех нижних зубчатых реек, одна из которых совпадает, а остальные симметрично смещены относительно оси поршней, тогда пять зубчатых реек одновременно приводят во вращение зубчатые сектора колес и выходной вал двигателя внутреннего сгорания.
кр
M - крутящий момент выходного вала, в четырехцилиндровом двухтактном двигателе внутреннего сгорания, выражается отношением:
где P - сила, развиваемая поршнем; R - радиус делительной окружности зубчатого сектора колеса.
Реечная зубчатая передача может быть выполнена с прямыми или косыми зубьями, иметь шевронное, роликовое (шариковое) зацепление.
Зубья реек рамки и сектора зубчатых колес, установленных на выходном валу, могут изготовляться из лигированной стали, например 40 XH или 30 XMA, или намагниченной лигированной стали.
Выходной вал и рамки с верхними и нижними зубчатыми рейками могут быть выполнены с каналами, тогда в полости вала и рамок устанавливаются постоянные магниты из спекаемого порошкового материала высокой коэрцитивной силы (ферромагнитные сердечники), например стержни из магнита NdFeB на основе неодима (неодим - железо - бор) или магнита SmCo на основе самария (самарий - кобальт), с уникальным сочетанием высокотемпературных и магнитных свойств, изготовленные методом порошковой металлургии с большой удельной магнитной энергией, тогда выходной вал, колеса с зубчатыми секторами и зубчатые рейки рамок могут быть выполнены из «традиционных» сталей, в этом случае выходной вал, сектора зубчатых колес и зубчатые рейки рамок будут обладать большой магнитной энергией, это позволит получать генераторы большой мощности, возбуждаемые постоянными магнитами.
Четырехцилиндровый двухтактный двигатель внутреннего сгорания (см. фиг. 12…19) работает следующим образом: поршень в цилиндре движется от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, впускной и выпускной клапаны коллекторов закрыты, происходит сжатие рабочей смеси в цилиндре. Одновременно движущийся к верхней мертвой точке поршень создает разряженное пространство под поршнем в нижней части цилиндра. Под действием этого разряжения открывается клапан впускного коллектора и свежая порция воздушной смеси засасывается под поршень в нижнюю часть цилиндра. Впрыск топлива происходит на такте сжатия, бортовой компьютер в нужные моменты времени, в зависимости от режима сгорания смеси, подает команды и импульсы тока открывают форсунку и топливо под давлением распыляется непосредственно в камеру сгорания, в районе свечи зажигания. Длительность импульса определяется количеством впрыскиваемого топлива. По команде бортового компьютера подается импульс напряжения на свечу зажигания, между электродами свечи зажигания проскакивает искра, рабочая смесь воспламеняется, происходит быстрое сгорание горючей смеси, давление и температура в цилиндре повышаются. Давление газов передается на поршень, поршень перемещается к нижней мертвой точке. При движении поршня к нижней мертвой точке, клапан выпускного коллектора и клапан впускного коллектора закрыты, открывается клапан трубопровода и поршень выталкивает свежую воздушную смесь под поршнем из нижней части цилиндра в трубопровод и ресивер, впускной клапан цилиндра закрыт. В конце рабочего хода поршня открывается клапан выпускного коллектора и отработанные газы из цилиндра поступают в выпускной коллектор и далее через глушитель в атмосферу, одновременно открываются клапаны ресивера и впускной клапан цилиндра и свежая воздушная смесь из ресивера, через трубопровод, поступает в рабочий объем цилиндра, где смешивается с остатками горячих отработанных выхлопных газов, в результате чего в цилиндре образуется сбалансированная однородная топливовоздушная смесь с предельно низким содержанием топлива. Отработанные газы разогревают топливовоздушную смесь, облегчая ее перемешивание внутри камеры сгорания, а подача порции свежей воздушной смеси из ресивера через трубопровод в камеру сгорания цилиндра распыляет топливовоздушную смесь до состояния тумана. При движении поршня в цилиндре к верхней мертвой точке поршень сжимает топливовоздушную смесь в цилиндре до определенного объема, температура в цилиндре повышается до точки самовоспламенения, и смесь в цилиндре сгорает. Такое сгорание смеси HCCI (Homogeneous charge compression ignition) характеризуется отсутствием открытого пламени и более низкой, чем у дизельных двигателей, температурой. В результате чего доля сгоревшего топлива возрастает, уменьшается образование вредных оксидов в отработанных газах. Далее циклы работы двигателя повторяются. Все цилиндры двухтактного двигателя внутреннего сгорания работают аналогичным образом.
Предложен вариант двигателя внутреннего сгорания с дополнительным заполнением ресиверов воздушной или горючей газовоздушной смесью от автономного источника. В двигателе устанавливается емкость, в которой под давлением находится воздушная или горючая газовоздушная смесь с малой концентрацией горючего газа (например, пропана), которая трубопроводами связана с ресиверами (на фигурах не показано). Бортовой компьютер следит за давлением воздушной или газовоздушной смеси, концентрацией горючего газа и их подачей через патрубки в ресиверы.
Работа двухтактного двигателя внутреннего сгорания, с дополнительно установленной емкостью, не отличается от описанной выше. В конце рабочего хода поршня открывается клапан выпускного коллектора и отработанные газы из цилиндра поступают в выпускной коллектор и далее через глушитель в атмосферу, открываются клапаны ресивера и впускной клапан цилиндра и газовоздушная смесь из ресивера через трубопровод поступает в рабочий объем цилиндра, где смешивается с остатками горячих отработанных выхлопных газов, в результате чего в цилиндре образуется распыленная сбалансированная однородная топливогазовоздушная смесь с предельно низким содержанием топлива и газа. При движении поршня в цилиндре к верхней мертвой точке, поршень сжимает топливогазовоздушную смесь в цилиндре до определенного объема, температура в цилиндре поднимается до точки самовоспламенения и смесь в цилиндре сгорает. Бортовой компьютер анализирует топливогазовоздушную смесь и периодически отключает систему впрыска топлива через форсунки, в результате чего происходит экономия топлива, уменьшается образование вредных оксидов в отработанных газах.
Бортовой компьютер управляет работой клапанов впускных и выпускных цилиндров, трубопроводов, ресиверов, в зависимости от режима движения. При торможении двигателем и управлении клапанами впускных, выпускных цилиндров, а также клапанами трубопроводов и ресиверов, можно подкачивать воздух в ресиверы, пока давление не достигнет максимального значения. При запуске и разгоне двигателя можно воспользоваться запасенной газовоздушной смесью из ресивера. Возможны комбинированные варианты, когда для наполнения цилиндра используется как запасенный, так и закачиваемый воздух, кроме того заполнение ресиверов можно пополнять и от дополнительного автономного воздушного или газовоздушного источника.
При перемещении рамок, зубчатые рейки входят в зацепление с зубчатыми секторами колес, установленных на выходном валу, при зацеплении происходит трение и износ зубчатой пары. Смазка снижает потери на трение и тем самым уменьшает износ деталей. При вхождении в зацепление зубчатых реек с зубчатыми секторами колес с однополярной намагниченностью, зубья реек и зубья секторов колес отталкиваются, получается воздушный магнитный зазор, который выполняет роль дополнительной смазки, в результате чего снижаются потери на трение и тем самым уменьшается износ зубчатых секторов колес и зубчатых реек.
Представлен вариант двигателя внутреннего сгорания с установленными катушками индуктивности, выполняющими функции обмоток статора генератора.
При работе двигателя, рамки совершают возвратно-поступательное движение внутри индукционных катушек статора, магнитный поток, проходящий через рамку, меняется по величине и направлению. Переменный магнитный поток пересекает витки индукционных катушек статора и создает в них электродвижущую силу (ЭДС).
При вращении выходного вала над (под) индукционными катушками статора проходят северный N и южный S полюса колес с зубчатыми секторами, магнитный поток, проходящий вокруг полюсов колес, меняется по величине и направлению, переменный магнитный поток пересекает витки индукционных катушек статора и создает в них электродвижущую силу.
Представлен вариант двигателя внутреннего сгорания, когда на выходном валу на колесах с противоположной стороны зубчатых секторов установлены индукционные катушки, выполняющие функцию обмоток возбуждения якоря генератора.
На обмотку якоря генератора подается напряжение и по ней протекает ток, который создает вокруг полюсов колес с зубчатыми секторами дополнительный магнитный поток. При вращении выходного вала над (под) индукционными катушками статора проходят северный N и южный S полюса колес с зубчатыми секторами и магнитный поток, проходящий вокруг полюсов колес, меняется по величине и направлению. Этот переменный магнитный поток пересекает витки индукционных катушек статора и создает в них электродвижущую силу.
В обмотках статора генератора наводится электродвижущая сила, от возвратно-поступательного движения рамок, от вращения выходного вала с зубчатыми секторами, от воздействия обмоток возбуждения якоря генератора.
В двигателе с четырехцилиндровым четырехтактным двигателем внутреннего сгорания, если в первой поршневой группе один попарно соединенный поршень находится в верхней мертвой точке, то другой поршень - в нижней мертвой точке, а во второй поршневой группе поршни находятся на равном удалении от верхней и нижней мертвых точек, то в этом случае зубчатые сектора колес на выходном валу первой группы поршней повернуты относительно зубчатых секторов колес второй группы поршней на 90°.
При работе четырехцилиндрового четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, обмотки индукционных катушек статора сдвинуты по фазе на 90° и их можно соединить различным образом, например четырехфазную звезду с нейтралью.
В четырехцилиндровом двухтактном двигателе внутреннего сгорания, если в первой поршневой группе один попарно соединенный поршень находится в верхней мертвой точке, то другой поршень - в нижней мертвой точке, а во второй поршневой группе поршни находятся в противофазе поршням первой группы, то в этом случае зубчатые сектора колес на выходном валу также находятся в противофазе, то есть сдвинуты и повернуты относительно друг друга на 180°.
При работе четырехцилиндрового двухтактного двигателя внутреннего сгорания, обмотки индукционных катушек статора сдвинуты по фазе на 180° и их можно соединить различным образом, например в двухфазную звезду с нейтралью, двухфазную звезду с нейтралью и обмоткой возбуждения. В этом случае, у каждой попарно соединенной группы поршней свой генератор, которые могут работать автономно или совместно на общую нагрузку.
Напряжение, снимаемое с индукционных обмоток статора, формируют и подают питание потребителям.
На фиг. 1 показан разрез поршневой группы (цилиндр 1 и цилиндр 2), правый поршень находится в верхней мертвой точке. На фиг. 2 показано сечение рамки, верхняя часть рамки выполнена с одной зубчатой рейкой, а нижняя часть рамки выполнена с двумя зубчатыми рейками. На фиг. 3 показано сечение выходного вала, нижняя зубчатая рейка входит в зацепление с зубчатым сектором колеса. На фиг. 4 показано сечение выходного вала, верхняя зубчатая рейка входит в зацепление с зубчатым сектором колеса. На фиг. 5 показан разрез поршневой группы (цилиндр 3 и цилиндр 4), левый поршень находится в верхней мертвой точке. На фиг. 6 показан разрез четырехцилиндрового четырехтактного двигателя, где (1к и 1′к, 3к и 3′к) разнесенные на выходном валу колеса с зубчатыми секторами. На фиг. 7 показан разрез четырехцилиндрового двухтактного двигателя с цельнолитыми цилиндрами с головками (моноблоками) и ресиверами. На фиг. 8 показан разрез поршневой группы двухтактного двигателя с трубопроводом, соединяющим нижнюю и верхнюю части цилиндров, и индукционными статорными катушками. На фиг. 9 показан разрез поршневой группы двухтактного двигателя внутреннего сгорания с трубопроводом и ресивером, индукционными статорными катушками, в выходном валу установлен стержень с ферромагнитным сердечником. На фиг. 10 показан разрез поршневой группы двухтактного двигателя внутреннего сгорания с трубопроводом и ресивером, индукционными статорными катушками, в выходном валу установлен стержень с ферромагнитным сердечником, а на колесах с противоположной стороны зубчатых секторов установлены индукционные катушки, выполняющие функцию обмоток возбуждения якоря генератора.
На фиг. 11 показан разрез поршневой группы двухтактного двигателя внутреннего сгорания с трубопроводом и ресивером с патрубком для дополнительного заполнения ресивера воздушной или газовоздушной смесью от автономного воздушного или газовоздушного источника, индукционными статорными катушками, в выходном валу установлен стержень с ферромагнитным сердечником, а на колесах с противоположной стороны зубчатых секторов установлены индукционные катушки, выполняющие функцию обмоток возбуждения якоря генератора. На фиг. 12 показан разрез поршневой группы двухтактного двигателя внутреннего сгорания, в правом цилиндре положение перед началом рабочего хода, стрелками показано заполнение свежей воздушной смесью нижней части цилиндра, в левом цилиндре показан конец рабочего хода поршня, стрелками показано движение отработанных газов и заполнение рабочей полости цилиндра свежей воздушной смесью. На фиг. 13 показано сечение рамки с зубчатыми рейками, верхняя часть рамки с двумя зубчатыми рейками, а нижняя часть рамки с одной зубчатой рейкой, в рамке установлены стержни с ферромагнитными сердечниками, а с противоположных сторон верхних и нижней зубчатых реек установлены индукционные катушки статора, проходящие через рамку. На фиг. 14 показано сечение рамки с зубчатыми рейками, верхняя часть рамки с одной зубчатой рейкой, а нижняя часть рамки с двумя зубчатыми рейками, в которых установлены стержни с ферромагнитными сердечниками, а с противоположных сторон верхней и нижних зубчатых реек установлены индукционные катушки статора, проходящие через рамку. На фиг. 15 показано сечение выходного вала, когда нижние реечные передачи находятся в зацеплении с зубчатыми секторами колес, а верхняя часть рамки проходит через индукционную катушку статора, в выходном валу установлен стержень с ферромагнитным сердечником, а на колесах с противоположной стороны зубчатых секторов установлены индукционные катушки. На фиг. 16 показано сечение выходного вала, зубчатый сектор колеса находится над индукционной катушкой, а нижняя часть рамки проходит через индукционную катушку статора, в выходном валу установлен стержень с ферромагнитным сердечником. На фиг. 17 показан разрез поршневой группы четырехцилиндрового двухтактного двигателя внутреннего сгорания, с цельнолитыми цилиндрами с головками, где один ресивер работает на два цилиндра. На фиг. 18, 19 показаны сечения выходного вала, индукционные катушки установлены на магнитном сердечнике в верхней части рамки, внутри индукционных катушек проходят рамки, в которых установлены стержни с ферромагнитными сердечниками. На фиг. 18 верхняя реечная передача находится в зацеплении с зубчатым сектором колеса. На фиг. 19 нижняя часть рамки с двумя зубчатыми рейками находится в зацеплении с зубчатыми секторами колес.
Четырехцилиндровый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания (см. фиг. 1…5) содержит: цилиндры 1, 11 и 19, 31, со съемными головками (съемные головки не показаны), поршни 2, 10 и 20, 30 с поршневыми кольцами, соединенные через штанги 3, 9 и 21, 29, подшипники скольжения 4, 8 и 22, 28, рамки 5 и 23 с зубчатыми рейками, соответственно 6, 6a 7 и 24, 25, 25a между зубчатыми рейками 6, 6a 7 и 24, 25, 25a расположен выходной вал 12, на выходном валу 12 установлены колеса 13, 13a, 14, с зубчатыми секторами 15, 15a, 16 и колеса 17, 17a, 18, с зубчатыми секторами 26, 26a, 27.
Двухтактный двигатель внутреннего сгорания (см. фиг.12…16, показана одна пара поршней, в четырехцилиндровом двигателе, вторая пара аналогична первой) дополнительно содержит: головки цилиндров 32, 33, коллекторы впуска 34 с клапанами 40, коллекторы выпуска 35 с клапанами 41, трубопроводы 36, 37 с клапанами впуска 42, клапанами впуска цилиндров 43, ресиверы 38, 39 с клапанами 44, инжекторные форсунки 45, свечи зажигания 46, выходной вал 12 с ферромагнитным сердечником 47, зубчатые рейки 6, 6a, 7 с ферромагнитными сердечниками 48, рамка 5 с ферромагнитными сердечниками 49, индукционные катушки обмоток статора 50, 51, 51a, индукционные катушки обмоток возбуждения якоря генератора 52, установленные на колесах 13, 13a, 14 и 17, 17a, 18.
Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом (см. фиг. 1…5, система впрыска, свечи зажигания, впускные, выпускные клапаны не показаны).
При намагниченности рамок 5, 23, зубчатых реек 6, 6a 7 и 24, 25, 25a, вала 12 и зубчатых секторов 15, 15a, 16 и 26, 26a, 27 колес 13, 13a, 14 и 17, 17a, 18, установленных на выходном валу 12 двигателя, при выключении зажигания выходной вал 12 двигателя стремится занять определенное положение, например, перед вхождением в зацепление зубчатой рейки 7 рамки 5 с зубчатым сектором 16 колеса 14, при однополярном намагничивании, или притяжением зубчатой рейки 7 рамки 5 к зубчатому сектору 16 колеса 14 при разнополярной намагниченности.
Для благоприятного условия запуска четырехцилиндрового четырехтактного двигателя внутреннего сгорания нужно, чтобы, например, поршень 2 в цилиндре 1 находился в положении чуть раньше верхней мертвой точки, в этот момент происходит впрыск топлива в цилиндр 1, подается импульс напряжения на свечу зажигания и первая вспышка повернет выходной вал 12, это позволит сжать воздух в цилиндре 3. Если в определенный момент топливо впрыскивается в цилиндр 3, подается импульс напряжения на свечу зажигания, то вспышка получается значительно мощнее и двигатель запускается.
Предположим, что поршень 2 в цилиндре 1 перемещается от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, клапана закрыты. Давление в цилиндре 1 и температура рабочей смеси повышаются. В конце такта сжатия подается импульс напряжения на свечу зажигания, между электродами свечи зажигания проскакивает искра, рабочая смесь в цилиндре 1 воспламеняется, происходит быстрое сгорание горючей смеси. Давление и температура в цилиндре 1 повышаются. Давление газов передается на поршень 2, поршень 2 перемещается к нижней мертвой точке, перемещая рамку 5 с зубчатыми рейками 6, 6a и 7 верхняя зубчатая рейка 7 входит в зацепление с зубчатым сектором 16 колеса 14, установленного на выходном валу 12, заставляя колесо 14 и вал 12 вращаться. Поршень 10 в цилиндре 11 перемещается от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, впускные клапаны закрыты, выпускные клапаны открыты. Отработанные газы из цилиндра 11 поступают в выпускной трубопровод и далее, через глушитель в атмосферу. На выходном валу 12 установлены колеса 18, 18a, зубчатые сектора 27, 27a которых при вращении входят в зацепление с зубчатыми рейками 24, 24a перемещая рамку 23 и поршень 20 в цилиндре 19 из нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, клапана закрыты. В конце такта сжатия подается импульс напряжения на свечу зажигания, между электродами свечи зажигания проскакивает искра, рабочая смесь в цилиндре 19 воспламеняется, происходит быстрое сгорание горючей смеси. Давление и температура в цилиндре 19 повышаются, давление газов передается на поршень 20, поршень 20 перемещается к нижней мертвой точке, перемещая рамку 23, верхняя зубчатая рейка 24 входит в зацепление с зубчатым сектором 26 колеса 17, установленного на выходном валу 12, заставляя колесо 17 и выходной вал 12 вращаться. Поршень 30 в цилиндре 31 перемещается из нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, впускные клапана закрыты, выпускные клапана открыты. Отработанные газы из цилиндра 31 поступают в выпускной трубопровод и далее через глушитель в атмосферу. Выходной вал 12, вращаясь, вводит сектора 27 и 27a колес 18 и 18a в зацепление с рейками 25 25a, перемещая рамку 23 и поршень 30 в цилиндре 31 от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, клапана закрыты. Давление в цилиндре 31 и температура рабочей смеси повышаются. В конце такта сжатия подается импульс напряжения на свечу зажигания, между электродами свечи зажигания проскакивает искра, рабочая смесь воспламеняется, происходит быстрое сгорание горючей смеси в цилиндре 31. Давление и температура в цилиндре 31 повышаются, давление газов передается на поршень 30, поршень 30 перемещается к нижней мертвой точке перемещая рамку 23 с зубчатой рейкой 24, зубчатая рейка 24 входит в зацепление с зубчатым сектором 26 колеса 17, установленного на выходном валу 12, заставляя колесо 17 и выходной вал 12 вращаться. Одновременно поршень 2 в цилиндре 1 перемещается от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, впускные клапана закрыты, выпускные клапана открыты. Отработанные газы из цилиндра 1 поступают в выпускной трубопровод и далее, через глушитель в атмосферу. Установленный на выходном валу 12 зубчатый сектор 16 колеса 14, вращаясь, входит в зацепление с зубчатой рейкой 7, перемещая рамку 5 с зубчатой рейкой 7 и поршень 10 в цилиндре 11 из нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, клапана закрыты. В конце такта сжатия подается импульс напряжения на свечу зажигания, между электродами свечи зажигания проскакивает искра, рабочая смесь в цилиндре 11 воспламеняется, происходит быстрое сгорание горючей смеси в цилиндре 11. Давление и температура в цилиндре 11 повышаются. Давление газов передается на поршень 10, поршень 10 перемещается к нижней мертвой точке, перемещая рамку 5 с зубчатыми рейками 6, 6a, зубчатая рейка 7 входит в зацепление с зубчатым сектором 16 колеса 14, установленного на выходном валу 12, заставляя колесо 14 и вал 12 вращаться. Далее процессы, происходящие в цилиндрах, повторяются в указанной выше последовательности.
Двухтактный двигатель внутреннего сгорания имеет два такта, такт сжатия, совмещенный с циклом впрыска топлива, подачей импульса напряжения на свечу зажигания, запасом свежей порции воздушной смеси, и рабочий ход совмещен с выпуском части отработанных газов в конце такта, продувкой цилиндра и подачей свежей порции воздушной смеси в рабочую полость цилиндра.
В четырехцилиндровом двухтактном двигателе внутреннего сгорания попарно соединенные поршни первой группы (цилиндры 1 и 2) находятся в противофазе, относительно поршней второй группы (цилиндры 3 и 4).
Для благоприятного условия запуска четырехцилиндрового двухтактного двигателя внутреннего сгорания (см. фиг. 12…19) нужно, чтобы, например, поршень 2 в цилиндре 1 находился в положении чуть раньше верхней мертвой точки, в этот момент происходит впрыск топлива из форсунки 45 в цилиндр 1, бортовой компьютер подает команду на подачу импульса напряжения на свечу зажигания 46, с одновременной подачей импульса напряжения на индукционную катушку 50, и первая вспышка и импульс напряжения переместят поршень 2 и повернут выходной вал 12, это позволит сжать воздух в цилиндре 11. Если в определенный момент происходит впрыск топлива из форсунки 45 в цилиндр 11, бортовой компьютер подает команду на подачу импульса напряжения на свечу зажигания 46, вспышка получается значительно мощнее и двигатель запускается.
Для более успешного условия запуска четырехцилиндрового двухтактного двигателя внутреннего сгорания, впрыск топлива, подачу импульса напряжения на свечи зажигания, с одновременной подачей импульса напряжения на индукционные катушки, можно произвести одновременно в двух цилиндрах в разных поршневых группах, поршни которых находятся в противофазе.
Бортовой компьютер (контроллер), на основании обрабатываемых им данных от различных датчиков: напряжения в бортовой сети, положении поршней, частоте вращения выходного вала, массового расхода воздуха, положения дроссельной заслонки, содержании кислорода в отработавших газах, температуры охлаждающей жидкости, режима детонации двигателя, скорости движения автомобиля, позволяет варьировать в широком временном диапазоне моментами включения и продолжительностью работы инжекторных форсунок 45, подачей импульса напряжения на свечи зажигания 46, открытием и закрытием клапанов 40 и 41 коллекторов впуска 34, и выпуска 35, клапанов 44, ресиверов 38, 39, клапанов 42, 43 цилиндров 1, 2.
Двухтактный двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом: поршень 2 в цилиндре 1 перемещается от нижней мертвой точки к верхней, клапаны 42 и 43 цилиндра 1 и клапан 41 выпускного коллектора 35 закрыты, происходит сжатие рабочей смеси в цилиндре 1. Одновременно движущийся к верхней мертвой точке поршень 2 создает разрежение под поршнем 2 в нижней части цилиндра 1. Под действием этого разрежения открывается клапан 40 впускного коллектора 34 и свежая порция воздушной смеси засасывается под поршень 2 в нижнюю часть цилиндра 1. Впрыск топлива происходит на такте сжатия, бортовой компьютер подает команды и в нужные моменты времени, в зависимости от режима сгорания смеси, происходит подача импульса тока и открытие форсунки 45 и топливо под давлением распыляется непосредственно в камеру сгорания, в районе свечи зажигания 46 цилиндра 1. Длительность импульса определяется количеством впрыскиваемого топлива. Подается импульс напряжения на свечу зажигания 46, между электродами свечи зажигания проскакивает искра, рабочая смесь воспламеняется, происходит сгорание и расширение рабочей смеси, давление в цилиндре 1 повышается и поршень 2 перемещается к нижней мертвой точке. При движении поршня 2 к нижней мертвой точке, клапан 41 выпускного коллектора 35 и клапан 40 впускного коллектора 34 закрыты, открывается клапан 42 цилиндра 1 и поршень 2 выталкивает свежую воздушную смесь под поршнем 2 из нижней части цилиндра 1 в трубопровод 36, клапан 44 ресивера 38 открывается и свежая воздушная смесь поступает в ресивер 38, впускной клапан 43 цилиндра 1 закрыт. В конце рабочего хода поршня 2 открывается клапан 41 выпускного коллектора 35, и основная часть отработанных газов из цилиндра 1 поступает в выпускной коллектор 35 и далее через глушитель в атмосферу, одновременно открываются клапаны 44 ресивера 38 и впускной клапан 43 цилиндра 1, и свежая воздушная смесь из ресивера 38 через трубопровод 36 поступает в рабочий объем цилиндра 1, где смешивается с остатками горячих отработанных выхлопных газов, в результате чего в цилиндре 1 образуется сбалансированная однородная топливовоздушная смесь с предельно низким содержанием топлива. Отработанные газы разогревают топливовоздушную смесь, облегчая ее перемешивание внутри камеры сгорания, а подача порции свежей воздушной смеси из ресивера 38 через клапан 44, впускной клапан 43 в камеру сгорания цилиндра 1 распыляет топливовоздушную смесь до состояния тумана. При движении поршня 2 в цилиндре 1 к верхней мертвой точке (рабочий ход поршня 10 в цилиндре 11), поршень 2 сжимает топливовоздушную смесь в цилиндре 1 до определенного объема, температура в цилиндре 1 повышается до точки самовоспламенения, и смесь в цилиндре 1 сгорает. Такое сгорание смеси (HCCI) характеризуется отсутствием открытого пламени и более низкой, чем у дизельных двигателей, температурой. В результате доля сгоревшего топлива возрастет до 95-97% в сравнении с 75% в циклах Отто и Дизеля, сократится расход топлива, уменьшится образование вредных оксидов в отработанных газах, это даст возможность обойтись без дорогостоящего катализатора.
Двухтактный двигатель внутреннего сгорания может работать, например, с использованием свечей зажигания при полной нагрузке, а при средней и малой нагрузке - в режиме сгорания HCCI.
Предложен вариант двигателя внутреннего сгорания с дополнительным заполнением ресиверов 38, 39 воздушной или горючей газовоздушной смесью от автономного источника (см. фиг. 11). В двигателе устанавливается емкость (на фигурах не показана), в которой под давлением находится воздушная или газовоздушная смесь с малой концентрацией горючего газа (например, пропана), которая трубопроводами связана с ресиверами 38, 39. Бортовой компьютер следит за давлением и концентрацией горючего газа в газовоздушной смеси в емкости и ее подачей в ресиверы 38, 39 и цилиндры 1, 11.
Работа двухтактного двигателя внутреннего сгорания, с дополнительно установленной емкостью, не отличается от описанной выше. В конце рабочего хода поршня 2 открывается клапан 41 выпускного коллектора 35, и часть отработанных газов из цилиндра 2 поступают в выпускной коллектор 35 и далее через глушитель в атмосферу, одновременно открываются клапаны 44, впускной клапан 43 и газовоздушная смесь из ресивера 38, через трубопровод 36 поступает в рабочий объем цилиндра 1, где смешивается с остатками горячих отработанных выхлопных газов, в результате чего в цилиндре 1 образуется распыленная сбалансированная однородная топливогазовоздушная смесь с предельно низким содержанием топлива и газа. При движении поршня 2 в цилиндре 1, к верхней мертвой точке, поршень 2 сжимает топливогазовоздушную смесь в цилиндре 1 до определенного объема, температура в цилиндре 1 повышается до точки самовоспламенения и смесь в цилиндре 1 сгорает. Бортовой компьютер анализирует топливогазовоздушную смесь и периодически дает команду на отключение системы впрыска топлива через форсунки 45. В результате чего происходит экономия топлива, уменьшается образование вредных оксидов в отработанных газах.
При работе двигателя (см. фиг. 12…16), рамка 5 совершает возвратно-поступательное движение внутри индукционных катушек 50, 51, 51a, магнитный поток, проходящий через рамку 5, меняется по величине и направлению. Переменный магнитный поток пересекает витки индукционных катушек статора 50, 51, 51a и создает в них электродвижущую силу.
При вращении выходного вала 12 над (под) индукционными катушками статора 50, 51, 51a проходят северный N и южный S полюса колес 13, 13a, 14 с зубчатыми секторами 15, 15a, 16, переменный магнитный поток, проходящий вокруг полюсов колес 13, 13a, 14 меняется по величине и направлению, пересекает витки индукционных катушек 50, 51, 51a и создает в них электродвижущую силу, в индукционных катушках 50, 51, 51a наводится суммарная электродвижущая сила, от возвратно-поступательного движения рамок и вращательного движения колес с зубчатыми секторами.
Представлен вариант, когда на выходном валу 12 (рис. 15), на колесах 13, 13a, с противоположной стороны зубчатых секторов 15, 15a, установлены индукционные катушки 52, выполняющие функцию обмоток возбуждения якоря генератора. На обмотку возбуждения якоря подается напряжение и по ней протекает ток, который создает вокруг полюсов колес 13, 13a, с зубчатыми секторами 15, 15a, дополнительный магнитный поток. При вращении выходного вала 12 над (под) индукционными катушками статора 51, 51a проходят северный N и южный S полюса колес 13, 13a, с зубчатыми секторами 15, 15a и с установленными индукционными катушками 52 и переменный магнитный поток, проходящий вокруг полюсов колес, меняется по величине и направлению, пересекает витки индукционных катушек статора 51, 51a и создает в них электродвижущую силу.
При работе четырехцилиндрового двухтактного двигателя внутреннего сгорания, обмотки индукционных катушек статора 50, 51, 51a сдвинуты по фазе на 180° и их можно соединить различным образом, например две двухфазные звезды с нейтралью, две двухфазные звезды с нейтралью и обмотками возбуждения.
Представлен вариант двигателя, в котором на магнитном сердечнике установлены катушки индуктивности, внутри которых перемещаются рамки с ферромагнитными сердечниками (см. фиг. 17, 18, 19), изменяющееся магнитное поле создает индуцированное вихревое электрическое поле, наводящее электродвижущую силу (ЭДС) индукции в витках катушки. В данном случае протекают одновременно два процесса - обычное преобразование энергии и генерация электроэнергии, не связанная с магнитом. Поскольку магнитная проницаемость ферромагнетика во много раз больше воздуха, то большую часть ЭДСi в витках катушки индуктивности уже наводит не само поле магнита, а поле Bi ферромагнитного сердечника. При этом магнитное поле ферромагнитного сердечника большей частью замкнуто по воздуху вокруг сердечника и лишь частично замкнуто через магнит. Большая часть индуцированной в катушке электроэнергии не связана с электромеханическим преобразованием энергии, магнит лишь инициирует изменения магнитного поля в ферромагнитном сердечнике, а значительная часть полезной электроэнергии индуцирует в обмотке ферромагнитное поле сердечника, которое замкнуто большей частью вне магнита. Переменное магнитное поле магнита и вихревое электрическое поле вместе образуют вектор Пойнтинга S, равный
где H - напряженность магнитного поля; B - индукция; E - вихревое электрическое поле.
Преимущество четырехцилиндрового двухтактного двигателя внутреннего сгорания состоит в том, что рабочий ход одновременно совершают два поршня, несколько зубчатых реек (например, одна верхняя и две нижние) находятся в зацеплении и приводят во вращение зубчатые сектора колес и выходной вал двигателя внутреннего сгорания, в результате чего, более чем в два раза, повышается мощность двигателя внутреннего сгорания, мощность крутящего момента выходного вала двигателя, так как крутящий момент прикладывается сразу с двух сторон, сверху и снизу. Характеристика крутящего момента выходного вала становится более линейная и практически не меняется на всем пути прохождения рабочего хода поршня. Повышается коэффициент полезного действия, надежность работы двигателя. Попарно соединенные поршни обеспечивают строго возвратно-поступательное движение поршней, благодаря этому отсутствуют боковые силы, действующие на стенки цилиндров со стороны поршней. Снижаются трение и износ в цилиндропоршневой группе, упрощается конструкция поршня. Кроме того, двигатель внутреннего сгорания с попарно соединенными поршнями, рамками с зубчатыми рейками и выходным валом с колесами, имеющими зубчатые сектора, намного проще, технологичнее и дешевле двигателя внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом.
Предложенная конструкция двигателя внутреннего сгорания позволяет улучшить запуск двигателя и обойтись без стартера, сделать ход рабочего поршня больше, благодаря чему улучшится термический коэффициент полезного действия, кроме того, двигатель не имеет кулачкового распределительного вала, цепных и ременных передач, стартера, что упрощает двигатель внутреннего сгорания и одновременно повышает его надежность. За счет оппозитного расположения поршней, снижается центр тяжести двигателя, улучшается устойчивость автомобиля, его пассивная безопасность.
Двухтактный двигатель внутреннего сгорания небольшой мощности, который работает без резких разгонных нагрузок в наиболее благоприятном, равномерном режимах, в гораздо меньшей зависимости от дорожных условий, позволяет стабильно генерировать достаточное количество энергии для питания электродвигателей и зарядки аккумуляторной батареи и может использоваться в последовательной схеме гибридного двигателя (4).
Предложенный четырехцилиндровый двухтактный двигатель внутреннего сгорания может использоваться в автомобильных гибридных силовых установках последовательного, параллельного и смешенного типов.
Данный двигатель внутреннего сгорания может найти применение также в качестве автономной бензиногенераторной установки.
Источники информации
1. За рулем №7 2007 г., рубрика «новинки, исследования, изобретения».
2. За рулем №1 2006 г., рубрика «новинки, исследования, изобретения».
3. Патент РФ на изобретение №2423615, «Двигатель внутреннего сгорания».
4. Гибридные двигатели. Интернет.