ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания для использования их:
- в промышленности это силовые агрегаты в экскаваторах, подъемных кранах, компрессорах, насосах, индивидуальных электростанциях и других установках;
- в сельском хозяйстве это моторы комбайнов, молотилок, сенокосилок, тракторов, транспортных средств и других машин и механизмов;
- в авиастроении (малая авиация) это моторы самолетов, дельтапланов и других летательных аппаратов;
- в судостроении это судовые силовые агрегаты, подвесные и стационарные моторы малых судов;
- в автостроении это моторы легковых и грузовых машин.
Существующие двигатели внутреннего сгорания при высокой степени их технологичности для массового производства и получившие широкое распространение в различных областях имеют существенные недостатки. К главным из них относятся сравнительно низкий коэффициент полезного действия (КПД) как по механической части, так и по топливу. Низкое использование энергии топлива приводит к повышенной токсичности выхлопных газов, загрязнению окружающей среды, потере мощности. В значительной степени указанные недостатки имеют место и в двигателях внутреннего сгорания, предложенных ранее с оппозитно расположенными цилиндрами (например, патенты: RU №2084664, 2079683, 2042040, 2078227).
Однако указанные двигатели не только не решают основных задач, но имеют свои недостатки, такие как односторонняя связь подвижные элементы двигателя-маховик, и не имеют обратной связи маховик-подвижные элементы двигателя, что приводит к отсутствию возможности пуска двигателя через маховик стартером и двигатель теряет управляемость при ускорении маховика, т.е. теряется возможность использовать двигатель в режиме торможения.
Наиболее близким прототипом, лишенным этого недостатка, является двигатель по патенту DE 19715499. Такой двигатель содержит корпус, на котором оппозитно расположены два цилиндра с поршнями в виде плоских дисков (с одним компрессорным кольцом), разделяющих полости цилиндров на камеры сгорания и компрессорные. Поршни связаны между собой штоком, получившимся в результате объединения двух через опоры вращения на цапфе кривошипов, на валу которого установлена шестерня с внешними зубьями, находящаяся в постоянном зацеплении с венцом с внутренними зубьями, установленным неподвижно. Диски поршней имеют по одному сквозному отверстию с клапаном, позволяющим газам перемещаться в сторону камер сгорания, последние соединены с элементами для выпуска выхлопных газов. Шток, совершая прямолинейные возвратно-поступательные движения, действует на кривошип, цапфа, вращаясь в опорах штока, заставляет вращаться шестерню с внешними зубьями, которая в свою очередь, обегая неподвижный венец с зубьями, заставляет вращаться выходной вал с маховиком. Недостатком двигателя является то, что в линейном приводе нагрузки на элементы узла распределены не рационально, что увеличивает трение в перегруженных опорах, снижает КПД.
Поршень, не отдающий тепла, недолговечен. Струя воздуха, проходящая через клапан в поршне, не способствует равномерному и полному вытеснению продуктов сгорания из камеры сгорания, что препятствует полному сгоранию топлива, увеличивая токсичность выхлопных газов.
Ввиду наличия кривошипов процессы, протекающие в двигателе, идентичны процессам в двигателе с коленчатым валом и, как следствие, имеют аналогичные недостатки и низкий КПД.
Прирост мощности двигателя при испытаниях произошел за счет увеличения рабочего объема двухтактного движения при двойном расходе топлива.
Сравнивать объемы обычного четырехцилиндрового четырехтактного двигателя, который мы заменяем на двухтактный, не допустимо. Необходимо, чтобы объемы каждого из цилиндров двигателей были равны. Отсюда ложное представление об увеличении мощности предлагаемого двигателя.
Таким образом, прототип не решает основных задач по повышению КПД, по снижению токсичности выхлопных газов, не увеличивает мощности, не снижает расход топлива.
Задачей и техническим результатом изобретения является создание экономичного двигателя с повышенным КПД и повышенным крутящим моментом, а также создание прямой и обратной кинематических связей между подвижными элементами двигателя и маховиком.
Заявленный технический результат достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания содержит корпус, два оппозитно расположенных цилиндра с поршнями, которые полости цилиндров делят на компрессорную камеру и камеру сгорания, системы подачи воздуха и топлива, воспламенения топлива, системы смазки, запуска двигателя и выходной вал с маховиком, кинематически связанный с поршнями, причем двигатель снабжен зубчатыми рейками, связанными с поршнями, валами-шестернями, контактной двусторонней муфтой, датчиками включения и выключения электромагнита муфты, зубчатые рейки выполнены с возможностью нахождения в постоянном зацеплении с валами-шестернями, на концах которых расположены шестерни, входящие в зацепление с шестернями, расположенными на свободно вращающихся дисках двусторонней муфты, средняя часть муфты установлена жестко на выходном валу с маховиком и через внутреннее зацепление связана с подвижной частью муфты, которая торцевыми зубьями подключает то один диск муфты, то другой.
Компрессорная камера выполнена большей по объему, чем камера сгорания.
В камеру сгорания подается воздух объемом, по крайней мере, не меньшим, чем объем камеры сгорания.
Все клапаны, кроме выпускных, работают от перепада давления, а выпускные имеют привод.
Клапаны выполнены дисковыми и имеют стойки с пружинами, обеспечивающие прилегание притертых поверхностей клапанов.
Предлагаемый двигатель двухтактный, что снижает количество ходов поршней по сравнению с четырехтактным, уменьшает габариты, массу при сохранении мощности.
Прямоточная продувка камеры сгорания осуществляется повышенным давлением воздуха, по крайней мере, не меньшим объема камеры сгорания, что обеспечивает более полную и быструю очистку камеры от продуктов сгорания. С помощью реечного механизма и двухсторонней муфты осуществлена прямая и обратная кинематическая связь подвижных элементов двигателя-маховика.
В связи с тем, что в предложенном двигателе для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательные применена двухсторонняя магнитная зубчатая муфта и реечные механизмы, рабочими элементами которых являются шестерни (валы-шестерни), радиус которых есть постоянная величина, плечо векторной силы, прилагаемой рейками, то максимальный крутящий момент возникает в начале рабочего цикла при максимальном давлении газов, при этом дальнейшая величина крутящего момента зависит от изменения давления газов по мере их расширения в камере сгорания и не зависит от расстояния от точки приложения силы до оси вращения кривошипа, то отдача энергии (КПД двигателя) при реечном механизме преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное значительно выше кривошипно-шатунного преобразования.
Поршни имеют отверстия, перекрываемые клапанами в виде кольцевых дисков, притертых к основанию со стороны камер сгорания, обеспечивающих равномерное вытеснение продуктов сгорания из камер.
Цилиндры с одной стороны имеют жестко установленные перегородки с отверстиями, перекрываемыми клапанами, обращенными в сторону компрессорных камер. Клапаны идентичны клапанам в поршнях.
С другой стороны цилиндра в камерах сгорания имеются клапаны для выпуска продуктов сгорания, выполненные по «классической схеме», например с электромагнитным приводом.
Шток, жестко соединенный с поршнями, несет по центру оси корзинку с зубчатыми рейками, которые расположены по бокам с внешней стороны.
Внутри корзинки находится втулка, закрепленная на цапфах в корпусе двигателя и скользящая по распорной втулке. Масло поступает через отверстие одной цапфы к поршням, а через отверстие другой сливается в корпус двигателя.
Рейки находятся в постоянном зацеплении с валами-шестернями, по краям которых находятся опоры качения.
Опоры контактируют с дорожками, расположенными на рейках, сохраняя гарантированный зазор в зубчатом зацеплении, снимают боковое давление в узлах уплотнения штока и у поршней на цилиндры. На концах валов-шестерен с одной стороны установлены датчики включения муфты, подачи топлива, искры зажигания, выпускных клапанов.
На противоположных концах валов-шестерен установлены шестерни, находящиеся в зацеплении с шестернями, расположенными на свободно вращающихся дисках двусторонней муфты, при этом одна с шестерней, расположенной на одном диске, другая с шестерней противоположного диска.
Средняя часть муфты установлена жестко на выходном валу и через внутреннее зацепление связана с подвижной частью муфты, которая торцевыми зубьями за счет пружин или электромагнита подключает то один диск, то другой.
Зубчатый венец маховика периодически, во время пуска, входит в зацепление с шестерней стартера.
На фиг.1 представлена в разрезе общая компоновка двигателя;
на фиг.2 показана конструкция корзинки;
на фиг.3 показан вид сверху корзинки с шестернями, контактирующими с муфтой;
на фиг.4 показан разрез поршня;
на фиг.5 показано расположение основных элементов поршня,
на фиг.6 показаны основные потоки масла;
на фиг.7 показан разрез зубчатой двусторонней магнитной муфты;
на фиг.8 показана диаграмма крутящих моментов, при этом одна кривая выведена по точкам этапного движения поршня при кривошипно-шатунном преобразовании возвратно-поступательного движения во вращательное, другая при реечном механизме в тех же точках.
Двигатель содержит корпус 1 с установленными на нем оппозитно расположенными двумя одинаковыми цилиндрами 2 и 2', в которых находятся поршни 3 и 3', разделяющие полости цилиндров на компрессорные камеры 4 и 4' и камеры сгорания 5 и 5'.
Поршни 3 и 3' соединены штоком 6, на котором в средней части установлена корзинка 7. Внутри корзинки имеется втулка 8, удерживаемая цапфами 9 в корпусе 1 и скользящая по распорной втулке 10. Корзинка 7 на боках несет зубчатые рейки 11, по краям которых имеются дорожки 12. Рейки находятся в постоянном зацеплении с валами-шестернями 13 и 14, несущими опоры качения 15, контактирующие с дорожками 12.
Цилиндры 2 и 2' имеют всасывающие патрубки 16 и 16' и жестко установленные перегородки 17 и 17' со сквозными отверстиями 18 и 18' и клапанами со стороны компрессорных камер 4 и 4' в виде кольцевых дисков 19 и 19'.
С противоположной стороны цилиндров имеются выпускные клапаны с приводом 20 и 20' и уплотнение штока 21 и 21'.
Шток закреплен в поршнях 3 и 3', состоит из двух полых стержней, которые соединены в целое распорной втулкой 10 корзинки 7.
Внутри штока установлены трубки 22 и 22', по которым через отверстия в цапфе 9, втулке 8 и втулке 10 поступает масло в поршни 3 и 3' и по полости штока 6 сливается в корпус 1.
На концах валов-шестерен 13 и 14 установлены шестерни 23 и 24, находящиеся в зацеплении с шестернями на дисках 25 и 26 двухсторонней муфты 27 за счет пружин 29, через торцевые мелкие зубья подключает диск 25 или, преодолевая усилия пружин 29 электромагнитом 30, диск 26. Через внутреннее зацепление подвижная часть муфты 28 передает крутящий момент средней части муфты 31 далее на выходной вал 32 с маховиком 33.
Шестерня 34 стартера 35 входит в зацепление с зубчатым венцом маховика 33 во время пуска двигателя.
Поршни 3 и 3' состоят из двух частей, стянутых в одно целое резьбовой втулкой 36 и крышкой 37, имеют группы сквозных отверстий 38 и клапаны 39, 39' со стороны камер сгорания 5 и 5' в виде кольцевых дисков (клапаны 19 и 19' идентичны клапанам 39). Диск клапана 39 притерт к кольцу - основанию 40, при этом прилегание притертых поверхностей обеспечивается пружинами 41 через стойки 42, которые скользят во втулках 43.
Поршни имеют полости 44 с вставками 45, через которые подается масло к масляным кольцам 46, и полости 47 для сбора масла с маслосъемных колец 48. Поршень несет на себе компрессионные кольца 49. На противоположных от шестерен 23 и 24 концах валов-шестерен 13 и 14 установлены датчики 50, которые обеспечивают включение и выключение электромагнита 30 муфты 27, выпускных клапанов 20 и 20', подачу топлива в камеры сгорания 5 и 5', подачу искры.
Двигатель действует следующим образом.
При включении зажигания датчики 50 дают сигнал подвижной части 28 муфты 27, при котором подключается тот диск, 25 или 26, подключение которого позволяет завершить движение поршней 3 и 3' в направлении, в котором они двигались до остановки двигателя. При включении стартер 35, введя шестерню 34 в зацепление с зубьями венца маховика 33, вращает его по часовой стрелке, доводя поршни 3 и 3' до мертвой точки.
Такое рабочее состояние двигателя представлено на фиг.1 (форсунки и свечи зажигания на фиг.1 не показаны).
Рассмотрим вариант, когда в камере 5' сжат воздух и его достаточно для воспламенения топлива. Высокую температуру и максимальное давление в камере сгорания удерживают клапаны 20' и 39' и уплотнение штока 21'.
Датчики 50 дают сигнал на включение электромагнита 30 муфты 27, при этом подвижная часть муфты 28 освобождает диск 25 и входит в контакт с диском 26. Поршень 3' начинает движение, осуществляя рабочий ход, при этом сжимая воздух в камере 4'.
Рейка 11, перемещаясь со штоком 6, вращает против часовой стрелки вал-шестерню 14, который по кинематической связи раскручивает маховик 33 по часовой стрелке.
Клапан 19' перегородки 17' прижат притертыми поверхностями повышенным давлением в камере 4'. В конце рабочего цикла давление в камере 5' падает до уровня давления в компрессорной камере 4'. Клапан 39' в поршне 3' оказывается во взвешенном состоянии и открывается при открытии выпускного клапана 20' из-за превышающего давления в компрессорной камере 4' относительно камеры сгорания 5'.
Происходит сквозная продувка камеры сгорания 5'. Сжатый воздух, проходя через отверстия в поршне 3' и клапан 39', охлаждает их. Клапан 20' закрывается.
При рабочем ходе поршень 3' в цилиндре 2' двигает за собой через шток 6 поршень 3 в цилиндре 2.
Поршень 3 сжимает в камере 5 воздух, при этом в компрессорной камере 4 образуется разрежение, куда устремляется воздух под атмосферным давлением через фильтр, всасывающий патрубок (штуцер) 16, отверстия 18, открывая клапан 19 перегородки 17.
Ввиду того, что давление при сжатии рабочей смеси выше, чем в конце рабочего хода поршня 3', то доведение до мертвой точки поршней 3 и 3' обеспечивает энергия инерции маховика 33.
При достижении мертвой точки поршнем 3 датчики 50 дают сигнал на отключение электромагнита 30 муфты 27, в результате чего за счет пружины 29 подвижная часть 28 муфты отключается от диска 26 и подключается к диску 25. При воспламенении топлива в камере 5 происходит рабочий ход поршня 3, повторяя все фазы цикла в обратном порядке, при этом маховик 33 получает энергию для вращения при каждом рабочем ходе двигателя. Торможение маховика 33 возможно уменьшением подачи топлива, заставляя двигатель работать в режиме компрессора.
Повышение КПД двигателя достигается за счет применения для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательные реечного механизма и муфты, например, двухсторонней зубчатой.
На фиг.8 кривая I построена путем наложения индикаторной диаграммы работы бензинового двигателя на сетку периодов поворота коленчатого вала через 10°. Точки пересечения есть поэтапные изменения величины крутящего момента в зависимости от давления газов и расстояния от оси вращения до точки приложения силы, образованного при вращении коленчатым валом. При максимальном давлении газов на поршень крутящий момент мал в связи противостояния; поршень, шатун, кривошип, коренные опоры. Давление на поршень воспринимается в итоге корпусом двигателя. Максимальный крутящий момент возникает при повороте коленчатого вала на 85°, но при этом давление газов в камере сгорания составляет около 35% от максимального.
Кривая II графика, изображенного на фиг.8, построена при исследовании реечного механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.
При реечном механизме расстояние от оси вращения шестерни до точки приложения силы постоянно, а с целью сравнимых результатов в данном случае приравнено к величине кривошипа.
Крутящие моменты определены с той же периодичностью, при которой построена кривая I.
В результате применения реечного механизма с двухсторонней муфтой мы имеем максимальный крутящий момент при максимальном давлении газа в начале рабочего цикла.
Снижение величины крутящего момента происходит только от потери давления в камере сгорания при его расширении.
Графики кривых показывают, что отдача энергии (КПД двигателя) при реечном механизме и двусторонней муфте, служащих для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, значительно выше кривошипно-шатунного преобразователя при одинаковом расходе топлива.
В двигателе могут быть использованы механические приводы выпускных клапанов и двухсторонней муфты, это снизит энергозатраты двигателя, но и снизит скорость срабатывание механизмов, что ограничит скорость вращения выходного вала.
Кроме того, выпускных клапанов можно установить несколько на каждый цилиндр для лучшей продувки камер сгорания.