ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Заявленное техническое решение относится к изделиям машиностроения и, в частности, к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), снабженным устройствами наддува.
В новейших разработках ДВС превалируют двигатели, оснащенные системами наддува, сжимающими воздух, подающийся в камеры сгорания, что позволяет повысить мощность двигателя без изменения его рабочего объема и частоты вращения выходного вала, а также улучшить экологические показатели. Для ДВС применяются компрессоры нескольких видов: резонансный, при котором используется кинетическая энергия воздуха во впускных коллекторах; с механическим приводом, при котором компрессор приводится ремнем или валом от двигателя; электрический; газотурбинный, использующий энергию отработавших газов.
Каждое из этих устройств имеет свои особенности и недостатки. Резонансный наддув дает малый прирост давления всасываемого в камеры сгорания воздуха, работает неравномерно при разных частотах вращения выходного вала, поэтому применяется редко. Положительными качествами механических компрессоров являются способность эффективно работать уже при малых оборотах и без задержки увеличивать давление нагнетаемого воздуха пропорционально оборотам мотора. К их недостаткам относятся: заметное снижение механического кпд двигателя, большие габаритные размеры, сложность конструкций, повышенная шумность работы. Практика показала, что нагнетатели с электрическим приводом сложны, дороги, существенно снижают экономические показатели ДВС, поэтому чаще используются в качестве дополнительного компрессора, используемого при малых оборотах двигателя. Наиболее распространенными для работы в ДВС стали турбокомпрессоры. В их конструкциях используются две связанные валом крыльчатки, одна из которых раскручивается под действием струи выхлопных газов, а вторая сжимает подаваемый в цилиндры двигателя воздух. Турбокомпрессоры сложны и дороги, т.к. работают в тяжелых условиях высоких температур и на высоких оборотах. Кроме того, при малых оборотах двигателя турбокомпрессор бесполезен, а выход на эффективный режим происходит с временной задержкой («турбоямой»). Для устранения этих эффектов конструкторы вынуждены использовать комбинированные (двухтурбинные) схемы, что ведет к значительному усложнению и удорожанию двигателя. Одно из направлений работ по оптимизации систем наддува - применение импульсных и парциально-импульсных турбин, т.к. условия работы обычной турбины в сочетании с машиной периодического действия (коей является ДВС) неблагоприятны. Энергия отработавших газов для получения механической работы используется не полностью, в том числе и потому, что ее часть идет на нагрев газа. Для оптимизации используют импульсные системы наддува со специально сконструированными впускными коллекторами. Все эти устройства значительно усложняют и удорожают ДВС с наддувом.
Известен ДВС по патенту RU 2327885 C1. Согласно этому патенту двигатель включает, по меньшей мере, четыре цилиндра, в двух из которых осуществляются термодинамические циклы при сжигании топлива (рабочие цилиндры двигателя), а другие два цилиндра служат компрессорами. При этом первый цилиндр компрессора выполнен для сжатия и подачи воздуха, а второй - топливовоздушной смеси. Все цилиндры двигателя связаны общим коленчатым валом. Сжатый свежий заряд из компрессоров подают в ресивер, из которого заряд попадает в один из рабочих цилиндров, а во второй рабочий цилиндр свежий рабочий заряд подают через 360 градусов поворота коленвала.
Описанному двигателю присущи недостатки, которые относятся к двигателям с кривошипно-шатунными механизмами. Кроме того, работоспособность в описанном режиме возможна при наличии не менее четырех цилиндров с четырьмя поршнями.
Известен ДВС по Заявке №2012144313/20(071163), являющийся прототипом заявляемого изобретения.
Согласно этой заявке, двигатель содержит рабочие камеры, выполненные в виде угловых секторов полого кольца с торцевыми перегородками, два бипоршня, каждый из которых образован путем попарного объединения поршней, выполненных в виде лопастей, так что бипоршень содержит межпоршневую полость, при этом в пределах одного углового сектора полого кольца располагаются две рабочие камеры, причем межпоршневая полость также располагается в пределах указанного углового сектора, а ее угловые размеры превышают диапазон углового перемещения бипоршней. Бипоршни взаимодействуют своими уплотнительными контурами с боковыми и радиальными стенками камер и жестко закреплены на общем промежуточном валу, соосном с общей осью угловых секторов. Двигатель также содержит выходной вал и сферический механизм преобразования качательного (вращательно-возвратного) движения бипоршней в однонаправленное вращение выходного вала. При этом сферический механизм содержит жестко закрепленный на выходном валу кривошип и поводок, шарнирно взаимодействующий с промежуточным валом и кривошипом. Причем, ось шарнирного соединения поводка с кривошипом проходит через точку пересечения осей обоих валов и образует с осью выходного вала острый угол, равный половине углового диапазона перемещения бипоршней, а ось шарнирного соединения поводка с промежуточным валом ортогональна к оси последнего и к оси шарнирного соединения поводка с кривошипом и также проходит через точку пересечения осей обоих валов. Двигатель содержит также впускной и выпускной воздуховоды и маховик, жестко соединенный с выходным валом.
Задачей заявленного изобретения является увеличение удельной мощности двигателя, улучшение экологических параметров, увеличение ресурса, упрощение и удешевление конструкции.
Технический результат от использования заявленного изобретения заключается в создании на базе предложенных решений широкой гаммы двигателей внутреннего сгорания различного назначения с более высокими техническими характеристиками и потребительскими качествами, а именно:
- упрощение сборочных операций при производстве двигателей, при их техническом обслуживании и ремонте;
- упрощение системы смазки двигателя и увеличение интервалов смены масла;
- конструктивная и технологическая простота устройства наддува;
- увеличение удельной мощности и максимального крутящего момента в широком диапазоне оборотов выходного вала;
- уменьшение количества вредных выбросов, за счет более полного сгорания топлива;
- отсутствие т.н. «турбоямы», характерной для двигателей с турбонаддувом.
Следствием является значительное удешевление предлагаемого двигателя по сравнению с существующими ДВС с аналогичными техническими характеристиками.
Заявленное изобретение поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 изображен вид сбоку на двигатель в варианте с межпоршневой полостью, сообщающейся с картером;
- на фиг. 2 изображен вид сбоку на двигатель в варианте лопастей с щелевыми (лабиринтными) уплотнениями и с дополнительным воздуховодом, содержащим управляемую заслонку;
- на фиг. 3 изображена аксонометрическая проекция двигателя.
Сущность заявленного изобретения заключается в том, что предлагаемый двигатель содержит «рабочие камеры двигателя» (включающие камеры сгорания) и «рабочие камеры компрессора». Причем каждая пара «рабочая камера двигателя - рабочая камера компрессора», расположена в пределах общего углового сектора полого кольца с концевыми перегородками. Поршни рабочих камер компрессора и двигателя попарно объединены в одной детали (бипоршне), взаимодействующей со стенками углового сектора и жестко закрепленной на промежуточном валу, соосном с угловыми секторами камер. Впускной воздуховод взаимодействует с рабочими камерами компрессора посредством их впускных клапанов. Двигатель также содержит ресивер, взаимодействующий с рабочими камерами компрессора посредством их выпускных клапанов, кроме того, ресивер взаимодействует с рабочими камерами двигателя через их впускные клапаны.
Предлагаемый двигатель может иметь несколько конструктивных вариантов. В частности:
- Двигатель может содержать дополнительный воздуховод, снабженный управляемой заслонкой и соединяющий ресивер и впускной воздуховод компрессора;
- Лопасти могут быть снабжены уплотнительными элементами (аналогами поршневых колец в традиционном ДВС), взаимодействующими со стенками камер, для обеспечения смазки которых угловые секторы выполнены сообщающимися посредством перепускных отверстий с картером двигателя, а бипоршни, выполненные в виде попарно объединенных лопастей, содержат между своими рабочими поверхностями угловые полости, постоянно сообщающиеся с этими перепускными отверстиями;
- Зазоры между стенками камер и бипоршнями могут быть выполнены минимально возможными, что позволит им играть роль щелевых (а при наличии на стенках камер специальных бороздок - лабиринтных) уплотнений. В этом случае отпадает необходимость в смазывании стенок камер;
- Впускные и выпускные клапаны компрессора могут быть выполнены в виде перепускных устройств, работающих от перепада давления.
Предлагаемый ДВС (см. фигуры 1-3) содержит рабочие камеры компрессора 1 и рабочие камеры двигателя 2, включающие камеры сгорания 3. Камеры расположены в пределах угловых секторов полых колец, в которые помещены поршни, выполненные в виде лопастей, объединенных попарно в бипоршни 4. Бипоршни 4 жестко закреплены на промежуточном валу 5 и взаимодействуют своими контурами, содержащими элементы уплотнений 6, со стенками рабочих камер. Промежуточный вал 5 установлен соосно с осью угловых секторов рабочих камер. Двигатель содержит картер 7, сообщающийся посредством отверстий 8 с межпоршневыми полостями 9 (при их наличии) бипоршней 4. Ось промежуточного вала 5 пересекается под прямым углом с осью выходного вала 10, который содержит жестко закрепленные на нем кривошип 11 и маховик 12. На промежуточном валу 5 и кривошипе 11 шарнирно установлен поводок 13 таким образом, что ось шарнирного соединения кривошипа 11 с поводком 13 образует острый угол, а с осью выходного вала 10 - угол, равный половине диапазона углового перемещения лопастей 4, и проходит через точку пересечения осей промежуточного вала 5 и выходного вала 10. Ось шарнирного соединения промежуточного вала 5 и поводка 13 ортогональна оси промежуточного вала 5 и оси шарнирного соединения кривошипа 11 с поводком 13.
Впускной воздуховод 14 компрессора через впускные клапаны 15 и выпускные клапаны 17 компрессора соединен с ресивером 16. Ресивер 16 может иметь устройство, изменяющее его объем для регулирования давления наддува. Впускные 18, выпускные 19 клапаны рабочих камер двигателя и выпускной воздуховод 20 рабочих камер 2 двигателя выполняют роли аналогичных устройств традиционных ДВС. Предлагаемый двигатель может быть снабжен дополнительным воздуховодом 21 с управляемой заслонкой 22 для возможности регулирования давления наддува.
Работа предлагаемого двигателя в установившемся режиме происходит следующим образом. Каждый из двух бипоршней (объединенная деталь из двух лопастей) выполняет как функцию поршня рабочей камеры двигателя, так и функцию поршня рабочей камеры компрессора, а каждый из двух угловых секторов при этом разделяется бипоршнями на две функциональные зоны: рабочую камеру двигателя и рабочую камеру компрессора. При движении бипоршней от верхней мертвой точки (ВМТ) компрессора производится открытие впускных клапанов рабочих камер компрессора, через которые из впускного воздуховода поступает атмосферный воздух. При этом те же бипоршни осуществляют в одной из рабочих камер двигателя такт выпуска, а во второй - такт сжатия. При обратном движении бипоршней осуществляется закрытие впускных клапанов рабочих камер компрессора и открытие их выпускных клапанов, через которые воздух из рабочих камер компрессора вытесняется в ресивер. Синхронно с вытеснением воздуха в ресивер открывается впускной клапан одной из рабочих камер двигателя, через который из ресивера поступает свежий заряд воздуха, масса которого равна массе воздуха, вытесненного из двух камер компрессора. Топливо может поступать в камеры сгорания традиционными способами (например, распределенный впрыск, непосредственный впрыск) и воспламеняться как от внешнего источника, так и от сжатия рабочей смеси. В это же время во второй рабочей камере двигателя происходит такт рабочего хода. В работающем двигателе цикличность повторяется, причем, при объеме ресивера, не превышающем объем одной камеры компрессора, в рабочие камеры двигателя поступает рабочая смесь, давление которой близко к 2 бар. Давление наддувного воздуха может регулироваться в пределах от величины, близкой к 2 бар до 1 бар при помощи управляемой заслонки, расположенной в дополнительном воздуховоде, соединяющем ресивер и впускной воздуховод компрессора и/или с помощью устройства, изменяющего объем ресивера.
При работе двигателя движение бипоршней приводит к вращательно-возвратному движению промежуточного вала, на котором бипоршни жестко закреплены. Это вращательно-возвратное движение промежуточного вала преобразовывается в однонаправленное вращение выходного вала сферическим механизмом, который содержит жестко закрепленный на выходном валу кривошип и поводок, шарнирно взаимодействующий с промежуточным валом и кривошипом. Предлагаемый двигатель содержит также маховик, жестко соединенный с выходным валом.
Помимо вышеописанных конструктивных вариантов предлагаемого двигателя, возможны также следующие его исполнения:
- с водяным, воздушным, масляным и комбинированным охлаждением стенок рабочих камер, бипоршней, трущихся пар и выпускных коллекторов;
- с использованием как легких, так и тяжелых топлив в качестве рабочей смеси и, соответственно, с воспламенением рабочей смеси от внешнего устройства или от ее сжатия;
- с подачей топлива в рабочие камеры двигателя посредством карбюратора, впрыска (в том числе, непосредственного);
- с различной формой поперечного сечения рабочих камер.
При разработке и производстве предлагаемого двигателя могут быть использованы конструкторские и технологические заделы разработок и производства двигателей с кривошипно-шатунными механизмами, а также использованы существующие системы и устройства оптимизации их работы.