Двигатель внутреннего сгорания
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания.
Известен двигатель, содержащий дугообразные цилиндры, размещенные в них встречно движущиеся поршни с образованием общей камеры сгорания, механизм газораспределения, выполненный в виде окон продувки и впрыска топлива, связанный с поршнями механизм преобразования движения, выполненный в виде кривошипно-шатунного механизма (см. патент World Intellectual Property Organization № WO 2007/ 145881, 2007 г.).
Недостаток этого двигателя заключается в использовании в конструкции двух коленчатых валов, сложности конструкции торидных рабочих объемов и высоких габаритах.
Известен двигатель, содержащий дугообразный цилиндр, поршень, перемещающийся вдоль стенок цилиндра, шток, соединенный шарнирно с шатуном коленчатого вала (см. патент РФ №2042038, опубл. 1995).
Данный двигатель не может достаточно эффективно использовать энергию сгоревшего топлива, т.к. сила давления газов сгоревшего топлива действует на один поршень, в связи с чем, крутящий момент от силы давления газов будет ниже.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбран двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, по меньшей мере один рабочий цилиндр, два оппозитно расположенных и встречно движущихся поршня, размещенных в цилиндре с образованием общей камеры сгорания и соединенных с маятниками, оси маятников; тяги; шатуны; коленчатый вал; механизм газораспределения, выполненный в виде окон продувки и выпуска, форсунки впрыска топлива, цилиндр двигателя имеет изогнутую форму и выполнен в виде двух торообразных участков противоположной направленности, оси которых лежат в одной плоскости; противолежащие шатуны коленчатого вала шарнирно связанны с тягами, соединенными с осями маятников, причем при положении одного из шатунов в положении внешней или внутренней мертвой точки связанного с ним поршня, другой шатун находится в положении, отличном от внешней или внутренней мертвой точки связанного с ним поршня; зазор между поршнями и стенкой цилиндра неизменен при любом положении коленчатого вала, (см. патент РФ №2484270, опубл. 10.06.2013).
Недостатком его является относительно большие габариты, материалоемкость и удельная масса, а также сложность изготовления рабочего цилиндра.
Из анализа известных технических решений выявлено, что технической проблемой в данной области является необходимость расширения арсенала двигателей внутреннего сгорания с низкой материалоемкостью.
Технический результат предлагаемого решения заключается в снижении материалоемкости устройства при увеличении ресурса работы двигателя.
Для решения технической проблемы и достижения заявленного технического результата в двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус, рабочий объем, два оппозитно расположенных и встречно движущихся поршня, размещенных в рабочем объеме с образованием общей камеры сгорания и соединенных с маятниками, рычаги, шатунные тяги, выходной вал, механизм газораспределения, выполненный в виде окон продувки и выпуска, форсунки впрыска топлива, согласно изобретению, рабочий объем выполнен в виде двух ограничивающих плоскостей и двух закругленных поверхностей между ними, имеющим прямоугольное сечение, поршни соединены с маятниками, соосными втулками, соединенных с рычагами, шарнирно связанными с шатунными тягами противолежащих приводных валов с эксцентриками, соединенных посредством шестерен с выходным валом, причем при положении одной из шатунных тяг в положении внешней или внутренней мертвой точки связанного с ним поршня, другая шатунная тяга находится в положении, отличном от внешней или внутренней мертвой точки связанного с ним поршня.
Двигатель внутреннего сгорания снабжен дополнительным рабочим объемом, причем поршни дополнительного рабочего объема связаны с теми же маятниками, что и поршни основного рабочего объема таким образом, что, когда основной рабочий объем увеличивается, дополнительный рабочий объем уменьшается.
Двигатель внутреннего сгорания проиллюстрирован на чертежах.
На фиг. 1 - представлена общая схема двигателя внутреннего сгорания;
на фиг. 2 - сечение рабочего объема по А-А, отражающее, что оно прямоугольное;
на фиг. 3 - представлено сечение рабочего объема по Б-Б, отражающее, его дугообразную форму;
на фиг. 4 - рабочий объем 2 двигателя внутреннего сгорания максимальный;
на фиг. 5 - рабочий объем 2 двигателя внутреннего сгорания минимальный;
на фиг. 6 - схема двигателя внутреннего сгорания, вид сбоку.
Двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 1, рабочий объем прямоугольного сечения 2 (фиг. 1); размещенные в нем с образованием общей камеры сгорания два оппозитно расположенных и встречно движущихся поршня 3 и 4, соединенные с маятниками 5, 6 по числу поршней, связанными с осями маятников 7 и 8; рычаги 9 и 10, шатунные тяги 11 и 12, два ведущих вала с эксцентриками 13 и 14; шестерни связи с выходным валом 15 и 16, шестерня выходного вала 17, выходной вал 18, дополнительный рабочий объем 19, образованный поршнями 20 и 21, механизм газораспределения, выполненный в виде окон продувки и выпуска; форсунки впрыска топлива (не показаны). Две противолежащих шатунных тяги 11 и 12 ведущих валов 13 и 14 расположены таким образом, что при положении шатунной тяги 11 в положении внешней или внутренней мертвой точки связанного с ней поршня 3, другая шатунная тяга 12 находится в положении, отличном от внешней или внутренней мертвой точки связанного с ней поршня 4.
Работа двигателя внутреннего сгорания осуществляется следующим образом:
1. При запуске двигателя внутреннего сгорания, происходит вращение выходного вала 18 (фиг.1), посредством шестерни выходного вала 17 вращение передается шестерням 15 и 16 привода ведущих валов с эксцентриками 13 и 14, которые приводят в движение соответствующие шатунные тяги 11 и 12, которые через рычаги 9 и 10 и соосные втулки 7 и 8 приводят в движение маятники 5 и 6 и связанные с ними поршни 3, 4, 20 и 21. При движении поршней 3 и 4 к середине рабочего объема 2, поршни 20 и 21 совершают движение в противоположное друг от друга направление. При достижении поршнем 4 внутренней мертвой, поршень 3 еще не дошел до внутренней мертвой точки, но объем цилиндра между поршнями 3 и 4 уже стал минимальным, согласно тепловым расчетам (так называемый объем камеры сгорания). В этот момент в рабочем объеме 2 максимальная температура сжатого воздуха, а в рабочем объеме 19 максимальное разряжение для впуска порции свежего воздуха.
2. При дальнейшем повороте выходного вала 18 поршень 4 отходит от своей внутренней мертвой точки, а поршень 3 еще не подошел к своей внутренней мертвой точке. Рабочий объем 2 между поршнями 3 и 4 и рабочий объем 19 между поршнями 20 и 21 в этом положении выходного вала 18 остаются приблизительно равными рабочим объемам 2 и 19, рассмотренных в п. 1.
3. При дальнейшем повороте выходного вала 18 поршень 3 подходит к своей внутренней мертвой точке, а поршень 4 отходит от своей внутренней мертвой точки еще дальше. Рабочий объем 2 между поршнями 3 и 4 и рабочий объем 19 между поршнями 20 и 21 в этом положении выходного вала 18 остаются приблизительно равными рабочим объемам 2 и 19, рассмотренным в предыдущих пп. 1 и 2.
Впуск топлива происходит между положениями выходного вала 18, рассмотренными в 1 и 3 пунктах, и к моменту, когда выходной вал 18 находится в положении, описанном в 3 пункте, топливо в основной своей массе в первом рабочем объеме воспламеняется, что приводит к резкому повышению давления газов на поршни 3 и 4. Так как поршень 4 в это время уже находится в состоянии, отличном от внутренней мертвой точки, сила давления газов на этот поршень дает тангенциальную составляющую, приложенную к эксцентрику ведущего вала 14, эта сила, в свою очередь, развивает крутящий момент на приводном валу 14 двигателя внутреннего сгорания, который посредством шестерен 16 и 17 передается на выходной вал 18. Аналогично, но с некоторой задержкой, сила от давления газов через поршень 3 передается на приводной вал 13 и далее на выходной вал двигателя внутреннего сгорания 18. В дальнейшем поршни 3 и 4 совершают движение в противоположном направлении, а поршни 20 и 21 двигаются навстречу друг другу до достижения соответствующих им положений «мертвых точек».
Механизм преобразования движения поршней в движение выходного вала обеспечивает продувку цилиндра, при которой при рабочем движении поршней выпускные окна открываются раньше, чем впускные. При движении поршней в обратном направлении, выпускные окна закрываются раньше, чем впускные. Благодаря этому, возможен наддув двигателя воздухом.
В бензиновом исполнении впрыск топлива осуществляется во впускной коллектор в завершающей стадии подачи воздуха, либо непосредственно в цилиндр в межпоршневое пространство. Воспламенение топливо-воздушной смеси в этом случае осуществляется от свечи зажигания.
Возможен вариант работы двигателя внутреннего сгорания в газодизельном исполнении. В этом случае осуществляется впрыск газа во впускной коллектор в завершающей стадии подачи воздуха, либо непосредственно в цилиндр в межпоршневое пространство. Воспламенение газо-воздушной смеси в этом случае осуществляется от впрыска и воспламенения дизельного топлива в момент максимального сжатия смеси.
По сравнению с прототипом предложенный двигатель внутреннего сгорания обеспечит снижение материалоемкости устройства и удельной массы за счет уменьшения габаритов при увеличении ресурса работы двигателя.