ДВС С РЫЧАЖНЫМ КРИВОШИПНО-ШАТУННЫМИ МЕХАНИЗМАМИ И ВСТРЕЧНО ДВИЖУЩИМИСЯ ПОРШНЯМИ
ICE WITH LEVER CRANK MECHANISMS AND COUNTER-MOVING PISTONS

Область применения двигателя - тракторы, автомобили, водный транспорт, компрессоры и другая техника, работающая за счет сжигания углеводородного топлива.
Основные задачи разработчиков двигателей - создание надежных устройств с максимально возможным КПД. Данные задачи решаются различными способами.
Из уровня техники известны разные конструкции двигателей внутреннего сгорания (далее по тексту - ДВС) с кривошипно-шатунным механизмом (далее по тексту - КШМ) и с рычажно-кривошипно-шатунным механизмом(далее по тексту РКШМ), как разновидность КШМ.
Из уровня техники известен танковый двигатель 5ТДФ с двумя встречно-движущимися поршнямив одном общем цилиндре, которые соединены со своими КШМи (смотри Приложение 1 и 2 - скриншот с сайта: http://naucaitechnika.ru/blog/43984724157/Tankovyiv-dvigatel-5TDF).
Данный двухтактный ДВС имеет один общий цилиндр, в котором встречно расположены два поршня, каждый из которых соединен со своим кривошипно-шатунным механизмом, состоящим из шатуна и кривошипа, где КШМ связаны между собой кинематически и работают синхронно. Цилиндр выполнен с впускным и продувочным (выпускным) окнами. Также в ДВС использованы турбина и нагнетатель воздуха.
Недостатком двухтактного двигателя 5ТДФ является недостаточно высокий КПД за счет использования традиционного КШМ, преобразующего энергию поступательного движения поршня во вращательную энергию коленвала и прикрепленного к нему маховика.
Известен ДВС с РКШМ (см. патент US 5448970), имеющий в своем составе один цилиндр с установленным в нем одним поршнем, соединенным с РКШМ, который содержит рычаг, шатун кривошипа и кривошип, в котором конец кривошипа, закрепленный на шатуне кривошипа, при движении поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) поворачивается на угол больший, чем при прохождении от НМТ к ВМТ (см. Fig. 3 в описании патента). При этом ДВС, заявленный в этом патенте, имеет большой недостаток - такой РКШМ очень сложно уравновесить и сбалансировать, так как балансировочные грузы на кривошипе не будут работать в качестве уравновешивающих масс, потому что ось перемещения поршня и его шатуна и их центр инерционной массы лежит далеко за пределами оси кривошипа.
В патенте US 4917066 предложена конструкция ДВС, в котором два поршня приводят в движение одним РКШМ (см. Fig. 2 в описании патента US 4917066). Применение ДВС с одним РКШМ для перемещения двух встречно-движущихся поршней, предложенных в этом патенте, не может быть реализовано на практике, так как такая, показанная, кинематическая схема требует двух кривошипов, находящихся на одной оси, но вращающихся в разных плоскостях. Соответственно и рычаги, перемещающие поршни, будут установлены и двигаться в разных плоскостях, что, в свою очередь, делает невозможным перемещение двух встречно-движущихся поршней, перемещающихся на одной оси или такая кинематическая схема потребует применения для привода поршней дополнительных приспособлений, которые такую конструкцию ДВС сделают нетехнологичной и теряющей все преимущества такого двигателя. Технический результат получаемого изобретения
В заявляемом ДВС использованы преимущества ДВС с РКШМ и исключены недостатки, выявленные в известных технических решениях ДВС с РКШМ и в ДВС с КШМ.
Основным техническим результатом заявляемого технического решения ДВС является повышение КПД, дополнительным - обеспечение уравновешивания инерционных масс поршней и их шатунов.
Основным техническим результатом заявляемого технического решения ДВС является повышение КПД, дополнительным - обеспечение уравновешивания инерционных масс поршней и их шатунов.
Повышение КПД ДВС достигается за счет суммирования КПД, полученного вследствие:
1. наличия в ДВС двух одинаковых РКШМ (L-левого и R-правого) и кинематической связи 11 между их кривошипами (6L и 6R), на которой суммируется их крутящий момент;
2. увеличения инерционных сил каждого поршня 2 и его шатуна 3 в НМТ по сравнению с их инерционными силами в ВМТ (увеличение инерционной силы поршня 2 и его шатуна 3 создаст больший крутящий момент на кривошипе 6);
3. увеличения скорости движения поршней 2L и 2R при перемещении их от ВМТ к НМТ при одной и той же скорости вращения кривошипов, за счет того, что применение РКШМ в конструкции ДВС с цилиндром одинакового объема позволяет применять различное, ограниченное только размерами корпуса ДВС, соотношение  за счет выбора в РКШМ(ах) соотношений плеч рычагов 4L и 4R между точками крепления к ним шарниров рычажно-шатунно-кривошипных 9L и 9R;
4. увеличения скорости движения поршней 2L и 2R при перемещении их от ВМТ к НМТ до 2-х раз по сравнению с их скоростью от НМТ к ВМТ за счет возможности вращения кривошипов 6L и 6R навстречу друг другу вокруг своих осей 10L и 10R соответственно, и за счет соотношения длин шатуна кривошипа 5L и 5R и кривошипа 6L и 6R в пределах  (чем ближе это соотношение к единице, тем на меньший угол поворачиваются кривошипы 6L и 6R, при прохождении поршней от ВМТ к НМТ и тем больше скорость движения поршней).
5. снижения сил трения в каждой цилиндро-поршневой группе (далее по тексту ЦПГ) за счет того, что при движении от НМТ к ВМТ скорость поршней 2L и 2R может быть в 2 раза меньше, чем при движении от ВМТ к НМТ, значит потери энергии на трение в ЦПГ при движении от НМТ к ВМТ будут в 2 раза ниже, чем при движении от ВМТ к НМТ,
6. за счет снятия ограничения в выборе соотношений диаметр/длина цилиндра, что позволяет выбрать оптимальный режим для сгорания рабочего газа.
В зависимости от того, какие пропорции выбраны между длинами шатуна поршня, кривошипа, рычага и шатуна кривошипа, проектировщики ДВС обеспечивают компромисс между нагрузками на детали ДВС и КПД ДВС.
Описание заявляемого устройства
На Фиг. 1 показана кинематическая схема заявляемого четырехтактного ДВС с минимальным расстоянием между поршнями и Фиг. 2 показана кинематическая схема заявляемого четырехтактного ДВС с максимальным расстоянием между поршнями, где:
1 - цилиндр,
2L - левый поршень,
3L - шатун левого поршня,
4L - рычаг левого РКШМ,
5L - шатун кривошипа левого РКШМ,
6L - кривошип левого РКШМ,
2R - правый поршень,
3R - шатун правого поршня,
4R - рычаг правого РКШМ,
5R - шатун кривошипа правого РКШМ,
6R - кривошип правого РКШМ,
7L - шарнир рычажно-поршневой левого РКШМ
7R - шарнир рычажно-поршневой правого РКШМ
8L - шарнир рычажно-корпусной левого РКШМ,
8R - шарнир рычажно-корпусной правого РКШМ,
9L - шарнир рычажно-шатунно-кривошипный левого РКШМ,
9R - шарнир рычажно-шатунно-кривошипный правого РКШМ,
10L - ось вращения кривошипа левого РКШМ,
10R - ось вращения кривошипа правого РКШМ,
11 - кинематическая связь,
13 - выпускной клапан,
14 - форсунка для впрыска топлива,
15 - форсунка для впрыска воды,
16 - выпускной коллектор,
17 - впускной коллектор,
18 - турбина,
19 - нагнетатель,
20 - отработанные газы или парогазовая смесь,
21 - нагнетаемый воздух,
22 - впускной клапан.
На Фиг. 3 показана кинематическая схема двухтактного ДВС с минимальным расстоянием между поршнями, на Фиг. 4 показана кинематическая схема двухтактного ДВС с максимальным расстоянием между поршнями, где:
1 - цилиндр,
2L - левый поршень,
3L - шатун левого поршня,
4L - рычаг левого РКШМ,
5L - шатун кривошипа левого РКШМ,
6L - кривошип левого РКШМ,
2R - правый поршень,
3R - шатун правого поршня,
4R - рычаг правого РКШМ,
5R - шатун кривошипаправого РКШМ,
6R - кривошип правого РКШМ,
7L - шарнир рычажно-поршневой левого РКШМ,
7R - шарнир рычажно-поршневой правого РКШМ,
8L - шарнир рычажно-корпусной левого РКШМ,
8R - шарнир рычажно-корпусной правого РКШМ,
9L - шарнир рычажно-шатунно-кривошипный левого РКШМ,
9R - шарнир рычажно-шатунно-кривошипный правого РКШМ,
10L - ось вращения кривошипа левого РКШМ,
10R - ось вращения кривошипа правого РКШМ,
11 - кинематическая связь,
12L - впускное окно левое,
12R - впускное окно правое,
13 - выпускной клапан,
14 - форсунка для впрыска топлива,
15 - форсунка для впрыска воды,
16 - выпускной коллектор,
17 - впускной коллектор,
18 - турбина,
19 - нагнетатель,
20 - отработанные газы или парогазовая смесь,
21 - нагнетаемый воздух.
ДВС, имеющий в своем составе как минимум один цилиндр 1 с двумя встречно движущимися поршнями 2 (соответственно - 2L и 2R) с двумя одинаковыми шатунами поршней 3 (соответственно - 3L и 3R) с двумя одинаковыми кривошипно-шатунными механизмами L - левым и R-правым. Соответственно левый PKUIML состоит из рычага 4L, шатуна кривошипа 5L, кривошипа 6L, шарнира рычажно-поршневого 7L, шарнира рычажно-корпусного 8L, шарнира рычажно-шатунно-кривошипного 9L, оси вращения кривошипа 10L, а правый РКШМ R, соответственно - из рычага 4R, из шатуна кривошипа 5R, кривошипа 6R, шарнира рычажно-поршневого 7R, шарнира рычажно-корпусного 8R, шарнира рычажно-шатунно-кривошипного 9R, оси вращения кривошипа 10R.
Оба кривошипа (6L и 6R) соединены между собой кинематической связью 11.
Кинематическая связь 11 может быть выполнена в виде: цепной передачи с зубчатыми колесами, с зубчато-ременной передачи с зубчатыми колесами, цилиндрических шестерен, конических шестерен.
Поршни (2L, 2R) выполнены с возможностью перемещения в цилиндре 1, при этом между донышками поршней образована камера сгорания.
Каждый из РКШМ соединен с шатуном своего поршня. (Левый РКШМ 2L с шатуном левого поршня 3L, а правый РКШМ 2R с шатуном правого поршня 3R).
Кривошипы (6L и 6R) выполнены с возможностью вращения вокруг своих осей (10L и 10R) навстречу друг другу при прохождении в это время цилиндра от ВМТ к НМТ.
Соотношение длины шатуна кривошипа (5L или 5R) к длине кривошипа (6L или 6R) составляет не меньше одного, предпочтительно приближаясь к единице, но при этом обеспечивается условие вращения шатунов кривошипов 5L или 5R и кривошипов 6L или 6R без заклинивания.
Длина и диаметр цилиндра ограничены размерами корпуса ДВС и зависят от соотношения длин плеч рычагов 4L и 4R между точками крепления к ним шарниров рычажно-шатунно-кривошипных 9L и 9R.
Примем за крайние положения поршней (2L и 2R) - их положения в ВМТ и в НМТ.
При соотношении длины шатуна кривошипа (5L или 5R) и длины кривошипа (6L или 6R) большем или равном двум, при перемещении поршней (2L и 2R) от ВМТ к НМТ кривошипы (6L и 6R) будут поворачиваться навстречу друг другу за 180 град.
Если соотношение длины шатуна кривошипа (5L или 5R) и длины кривошипа (6L или 6R) от двух- до единицы, то при перемещении поршней (2L и 2R) от ВМТ к НМТ кривошипы (6L и 6R) будут поворачиваться навстречу друг другу на угол от 180 до 90 град. Поворот кривошипов (6L и 6R) достигнет 90 град, при соотношении длин шатунов кривошипа (5L и 5R) и кривошипа (6L и 6R), близкого к единице.
Для обеспечения вращения шатунов кривошипов 5L или 5R и кривошипов 6L или 6R без заклинивания длина шатуна кривошипа (5L или 5R) должна быть больше длины кривошипа (6L или 6R).
Данное техническое решение может быть использовано как в двухтактных, так и в четырехтактных двигателях.
И в двухтактном (см. Фиг. 3 и Фиг. 4) и в четырехтактном ДВС (см. Фиг. 1 и Фиг. 2) дополнительно могут быть установлены: турбина 18 и нагнетатель 19, при этом между турбиной 18 нагнетателем 19 и кривошипами правого 6R и левого 6L РКШМ имеется кинематическая связь 11.
В четырехтактном ДВС в цилиндре 1 установлен впускной клапан 22, выпускной клапан 13, форсунка для впрыска топлива 14, форсунка для впрыска воды 15, выпускной коллектор 16 и впускной коллектор 17.
В двухтактном ДВС цилиндр 1 выполнен с впускными окнами 12L и 12R и как минимум - одним выпускным клапаном 13. На цилиндре 1 также установлены выпускной коллектор 16 и впускной коллектор 17.
В камере сгорания как двухтактного, так и четырехтактного ДВС имеются как минимум одна форсунка для впрыска топлива 14, а в выпускном коллекторе 16 имеется как минимум одна форсунка для впрыска воды 15.
На Фиг. 5 и Фиг. 6 - изображение кинематической схемы одной из симметричных частей ДВС со встречно движущимися поршнями, на которой показан поворот кривошипа (6L или 6R) на угол 180 град, при перемещении поршня (2L или 2R) от ВМТ к НМТ при соотношении длин шатуна кривошипа (5L или 5R) и кривошипа (6L и 6R) близкого к 2.
На Фиг. 7, Фиг. 8, Фиг. 9 - изображение кинематической схемы одной из симметричных частей ДВС со встречно движущимися поршнями, на которой показан поворот кривошипа (6L или 6R) на угол 180 град при перемещении поршня (2L или 2R) от ВМТ к НМТ при соотношении длин шатуна кривошипа (5L или 5R) и кривошипа (6L и 6R) близкого к 2.
Где на Фиг. 7 показано, что поршень 2 не имеет перемещения при повороте кривошипа 6 на угол приблизительно 60 градусов.
Где на Фиг. 8 показано, что поршень 2 перемещается от ВМТ к НМТ при повороте кривошипа 6 на угол приблизительно 90 градусов.
Где на Фиг. 9 показано, что поршень 2 не имеет перемещения при повороте кривошипа 6 на угол приблизительно 30 градусов.
На Фиг. 10 - изображение кинематической схемы одной из симметричных частей ДВС со встречно движущимися поршнями, на которой показан поворот кривошипа 6L или 6R на угол ~180 град, при перемещении поршня (2L и 2R) от НМТ к ВМТ при соотношении длин шатунов кривошипов (5L и 5R) и кривошипов (6L и 6R), близкого к 1.
ОПИСАНИЕ РАБОТЫ
Четырехтактный ДВС (см. Фиг. 1 и Фиг. 2) работает следующим образом 1. Такт рабочий - сгорание и расширение рабочего заряда
Оба клапана 12 и 13 закрыты, оба поршня 2L и 2R находятся в ВМТ (см. Фиг. 1), в сжатый и разогретый в предыдущем такте сжатия воздух через форсунку 14 впрыскивается топливо, которое загорается и сгорает при неизменяемом объеме камеры сгорания(в адиабатном режиме), так как поршни в ВМТ делают остановку, длительность которой зависит от соотношений деталей РКШМ и скорости вращения кривошипов 6L и 6R.
В камере сгорания, образованной стенками цилиндра 1 и донышками поршней 2L и 2R создается давление рабочего газа, которое давит на эти поршни, которое в свою очередь, через шатуны 3L и 3R передается на рычаги РКШМ 4L и 4R, те, в свою очередь, передают давление рабочего газа через шатуны кривошипов 5L и 5R на сами кривошипы 6L и 6R, растягивая шатуны кривошипов 5L и 5R и создавая на кривошипах 6L и 6R крутящий момент. При нахождении поршня 2 в ВМТ шарнир рычажно-шатунно-кривошипный 9 максимально приближен к оси 10, а проекции кривошипа 6 и шатуна кривошипа 5 совпадают.
При перемещении поршня 2 от ВМТ к НМТ и нахождении поршня 2 в НМТ (см. Фиг. 2) проекции шатуна кривошипа 5 и кривошипа 6 вытянуты вдоль одной прямой, а шарнир рычажно-шатунно-кривошипный 9 максимально удален от оси 10.
В этом такте поршни 2L и 2R могут перемещаться из ВМТ в НМТ за поворот кривошипов 6 на угол от 90 до 180 градусов (в зависимости от пропорций деталей РКШМов (см. Фиг. 8 поворот - на 90 градусов, на Фиг. 5 поворот - на 180 градусов).
2. Такт вытеснения отработанного заряда
После того, как поршни 2L и 2R займут положение НМТ (см. Фиг. 2), открывается выпускной клапан 13, и поршни 2L и 2R под воздействием инерции маховиков (маховики не показаны) на кривошипах 6L и 6R перемещаются в ВМТ (См. Фиг. 1), вытесняя расширившийся и отработанный рабочий газ 20 из рабочего цилиндра 1 в выпускной коллектор 16.
Через форсунку для впрыска воды 15 подогретая вода впрыскивается в отработанный рабочий газ 20, имеющий высокую температуру.
Рабочий газ смешивается с частичками воды, испаряя ее и образуя парогазовую смесь, которая подается на турбину 18 и вращает ее.
Турбина 18 вращает нагнетатель 19, который, в свою очередь, создает избыточное давление свежего заряда воздуха 21 во впускном коллекторе 17. Нагнетатель 19 может также приводится в действие от кривошипов 6L и 6R благодаря кинематической связи 11 между ними.
3. Такт наполнения цилиндра свежим зарядом
После того, как поршни 2L и 2R займут ВМТ (см. Фиг. 1) и вытеснят весь отработанный заряд, выпускной клапан 13 закрывается и открывается впускной клапан 12.
Под воздействием инерции маховиков (маховики не показаны), стоящих на кривошипах 6L и 6R, поршни 2L и 2R перемещаются в НМТ (см. Фиг. 2).
В цилиндр 1 из нагнетателя 19 под избыточным давлением поступает заряд свежего воздуха 21.
4. Такт сжатия свежего заряда
После того, как поршни 2L и 2R займут НМТ (см. Фиг. 2) и цилиндр 1 наполнится свежим зарядом 21, впускной клапан 12 закрывается и под воздействием инерции маховиков (маховики не показаны), стоящих на кривошипах 6L и 6R, поршни 2L и 2R перемещаются в ВМТ (см. Фиг. 1), сжимая свежий заряд (см. Фиг. 6 или Фиг. 10). Далее цикл повторяется смотри п. 1 Такт рабочий.
Двухтактный ДВС (см. Фиг. 3 и Фиг. 4) работает следующим образом:
1-ый Такт. Такт рабочий - сгорание и расширение рабочего заряда
Выпускной клапан 13 закрыт, оба поршня 2L и 2R находятся в ВМТ (см. Фиг. 3). В сжатый и разогретый в предыдущем такте сжатия воздух впрыскивается топливо через форсунку 14. Топливо загорается от высокой температуры сжатого воздуха и сгорает в адиабатном режиме при неизменяемом объеме камеры сгорания. В камере сгорания, образованной стенками цилиндра 1 и донышками поршней 2L и 2R создается высокое давления рабочего газа, которое давит на эти поршни 2L и 2R, которые в свою очередь, через свои шатуны 3L и 3R передают давление газов на рычаги РКШМ 4L и 4R. Те, в свою очередь, силу давления рабочего газа через шатуны кривошипов 5L и 5R передают на сами кривошипы 6L и 6R, растягивая шатуны 5L и 5R и создавая на кривошипах 6L и 6R крутящий момент. В этом такте поршни 2L и 2R могут перемещаться из ВМТ в НМТ в зависимости от соотношения длин шатуна кривошипа и самого кривошипа на угол поворота кривошипов от 90 до 180 градусов (см. на Фиг. 8 поворот - на 90 градусов, а на Фиг. 5 поворот - на 180 градусов).
2-ой Такт. Такт продувки, заполнения камеры сгорания свежим зарядом и сжатия поршней
По окончании такта расширения рабочего газа и подходе поршней 2L и 2R к НМТ (см. Фиг. 4) (до открытия впускных окон), открывается выпускной клапан 13. Не расширившийся до конца рабочий заряд под оставшимся давлением попадает в выпускной коллектор 16, где смешивается с парами воды, впрыснутой через форсунку 15. При этом получается парогазовая смесь 20, которая расширяясь, попадает на турбину 18 и вращает ее. Турбина 18, в свою очередь, вращает нагнетатель 19, который через впускные коллекторы 17 под давлением подает свежий заряд 21 к впускным окнам 12L и 12R. После того, как поршни 2L и 2R приоткроют впускные окна 12L и 12R, свежий заряд 21 вытеснит оставшиеся в цилиндре 1 отработанные газы в выпускной коллектор 16. После этого закрывается выпускной клапан 13, впускные окна 12L и 12R полностью откроются и рабочий цилиндр 1 заполнит свежий заряд, имеющий давление, созданное нагнетателем 19. Далее, под воздействием инерции маховиков (маховики не показаны), стоящих на кривошипах 6L и 6R, поршни 2L и 2R перемещаются в ВМТ (См. Фиг. 3), сжимая свежий заряд (см. Фиг. 6 или Фиг. 10). Далее цикл повторяется (смотри п. 1 - 1-ый Такт).
В данном ДВС нагнетатель 19 может приводиться в действие от кривошипов 6L и 6R с помощью кинематической связи 11 между ними.
Доказательством повышения КПД заявленного ДВС с применением РКШМ будет являться повышение скорости в рабочем цикле от ВМТ к НМТ до двух раз по сравнению с его скоростью в ходе от НМТ к ВМТ, что дает увеличение ускорения поршня в ВМТ и НМТ до 4-х раз, так как ускорение поршня имеет квадратичную зависимость от его скорости, соответственно и инерция поршня, создающая крутящий момент на кривошипе 5, будет до 4-х раз выше.
Смотрим нижеприведенные формулы: Скорость и ускорение поршня:
Силы инерции: F=ma
где:
m - масса поршня,
а - ускорение поршня,
v - скорость поршня,
s – расстояние, пройденное поршнем,
t - время за которое поршень проходит расстояние s.
Таким образом, мы получаем повышение крутящего момента на кривошипах РКШМ до 4-х раз больше, чем на кривошипах взятого за аналог ДВС - 5ТДФ и, соответственно, мы можем получить необходимую суммарную мощность заявляемого двигателя при номинальных оборотах в два раза меньших, чем у взятого за аналог ДВС, тогда и количество рабочих тактов в заявляемом ДВС будет в два раза меньше. Таким образом мы получим такую же мощность двигателя, как и в ДВС взятом за аналог, но при сжигании количества топлива в заявляемом ДВС в два раза меньше, чем в аналоге. Соответственно получаем КПД в два раза выше, чем в ДВС, взятом за аналог.