ДВИГАТЕЛЬ С ПРОТИВОПОЛОЖНО ДВИЖУЩИМИСЯ ПОРШНЯМИ
OPPOSED-PISTON ENGINES

Изобретение относится к двухтактным двигателям с противоположно движущимися поршнями и прямоточной продувкой цилиндров.
Известен двигатель, содержащий соосные оппозитные цилиндры и противоположно движущиеся поршни, связанные кривошипно-шатунными механизмами с тремя кривошипами коленвала (Кн. «Автомобильные двигатели с воздушным охлаждением», Ю.Мацкерле. Москва, 1959 г., стр.153, 157). Его недостатки:
1. Наличие кривошипно-шатунных механизмов на противоположных сторонах коленвала увеличивает поперечный габарит и вес двигателя.
2. ЦПГ двигателя имеет большие механические потери (больше 50%), это уменьшает КПД, увеличивает износ поршней и цилиндров.
3. Одновременность рабочих ходов в двух цилиндрах обуславливает большую неравномерность крутящего момента двигателя.
4. Большой объем кривошипной камеры с переменным давлением.
Известен также двигатель, содержащий цилиндр с рабочей камерой, расположенной между двумя движущимися в противоположных направлениях поршнями, с механизмами, преобразующими их прямолинейные перемещения во вращательное коленвала, имеющего три расположенных через 180° кривошипа, крайние из которых взаимодействуют с одним поршнем, а средний - с другим. (Кн. «Двухтактные двигатели», А.С.Орлин, М.Г.Круглов. Москва, 1960, стр.18-20, 45-47). Данная конструкция принята за прототип. Ее недостатки:
1. Большие габариты и вес из-за наличия кривошипно-шатунных механизмов и траверсы, это увеличивает инерционные нагрузки, снижает быстроходность и мощность ДВС.
2. Детали двигателя невозможно использовать для создания поршневого нагнетателя.
3. Прямоточная продувка рабочей камеры происходит с неравномерными полями скоростей, что ухудшает качество продувки.
Целью изобретения является повышение эффективности работы двигателя. Поставленная задача достигается тем, что в двигателе, содержащем цилиндр с рабочей камерой, расположенной между двумя движущимися в противоположных направлениях поршнями, снабженными механизмами, преобразующими их прямолинейные перемещения во вращательное коленвала, имеющего три расположенных через 180° кривошипа, крайние из которых взаимодействуют с одним поршнем, а средний - с другим поршнем, согласно изобретению ближний поршень выполнен с центральным отверстием, применены три кривошипно-кулисных механизма, крайние кулисы которых выполнены в ближнем поршне и через сухари взаимодействуют с крайними кривошипами коленвала, средняя кулиса выполнена в скользящем по зеркалу цилиндра рамочном ползуне, который жестко связан с дальним поршнем штоком, проходящим через отверстие в ближнем поршне, а через сухарь взаимодействует со средним кривошипом коленвала, между дальним поршнем и днищем цилиндра образована нагнетательная камера с впускными и нагнетательными каналами.
Поставленная задача достигается также тем, что двигатель снабжен соосным расположенным по другую сторону коленвала дополнительным цилиндром с дополнительными ближним и дальним поршнями, расположенными симметрично первым и подобно связанными с кривошипами коленвала.
Поставленная задача достигается также тем, что каждая рабочая камера снабжена двумя рядами продувочных окон, управляемых дальним поршнем, ряд окон, расположенный ближе к коленвалу, сообщается с турбонагнетателем чистого воздуха, а ряд окон, расположенный дальше от коленвала, сообщается с прилегающим поршневым нагнетателем топливовоздушной смеси.
Поставленная задача достигается также тем, что в каждом поршневом нагнетателе окна нагнетательных каналов с обратными клапанами примыкают к днищу цилиндра, а окна впускных каналов примыкают к торцу дальнего поршня при максимальной высоте нагнетательной камеры.
Поставленная задача достигается также тем, что электроды свечей расположены в глубине свечных отверстий, свободные витки резьбы которых покрыты каталитическим слоем.
Новыми отличительными признаками по сравнению с прототипом являются:
1. Ближний поршень выполнен с центральным отверстием, применены три кривошипно-кулисных механизма, крайние кулисы которых выполнены в ближнем поршне и через сухари взаимодействуют с крайними кривошипами коленвала, средняя кулиса выполнена в скользящем по зеркалу цилиндра рамочном ползуне, который жестко связан с дальним поршнем при помощи штока, проходящим через центральное отверстие в ближнем поршне, а через сухарь взаимодействует со средним кривошипом коленвала, между дальним поршнем и днищем цилиндра образована нагнетательная камера с впускными и нагнетательными каналами.
2. Двигатель снабжен соосным, расположенным по другую сторону коленвала дополнительным цилиндром с дополнительными ближним и дальним поршнями, расположенными симметрично первым поршням и подобно связанными с кривошипами коленвала.
3. Каждая рабочая камера снабжена двумя рядами продувочных окон, управляемых дальним поршнем, ряд окон, расположенных ближе к коленвалу, сообщается с турбонагнетателем чистого воздуха, а ряд окон, расположенных дальше от коленвала, сообщается с прилегающим поршневым нагнетателем, служащим для нагнетания топливо-воздушной смеси, находящейся в газообразном состоянии.
4. В каждом поршневом нагнетателе окна нагнетательных каналов с обратными клапанами примыкают к днищу цилиндра, а окна впускных каналов примыкают к торцу дальнего поршня при максимальной высоте нагнетательной камеры.
5. Электроды свечей расположены в глубине свечных отверстий, свободные витки резьбы которых покрыты каталитическим слоем.
Изобретение поясняется при помощи чертежей.
На Фиг.1 - продольный разрез двигателя при нахождении дальних поршней в крайнем верхнем положении, а ближних поршней - в крайнем нижнем.
На Фиг.2 - поперечный разрез двигателя на Фиг.1.
На Фиг.3 - горизонтальный разрез двигателя с кривошипами, расположенными в горизонтальной плоскости.
На Фиг.4 - разрез по А-А на Фиг.2.
На Фиг.5 - поперечный разрез двигателя при рабочем ходе в нижнем цилиндре и такте сжатия в верхнем цилиндре.
Двигатель содержит оппозитные цилиндры 1, 2 с ближними к коленвалу 3 поршнями 4, 5 и дальними поршнями 6, 7. Между ближними 4, 5 и дальними 6, 7 поршнями расположены кольцевые рабочие камеры 8, 9 с выпускными окнами 10 и двумя рядами продувочных окон 11, 12. Коленвал 3 имеет три расположенных через 180° кривошипа 13, 14, 15. Крайние кривошипы 13, 15 взаимодействуют через сухари 16, 17 с кулисами 18, 19, выполненными в перемычках 20, 21 соединяющих ближние поршни 4, 5. Средний кривошип 14 взаимодействует через сухарь 22 с кулисой 23, выполненной в скользящем по зеркалу цилиндров 1, 2 рамочном ползуне 24, который жестко связан с дальними поршнями 6, 7 штоками 25, 26, проходящими через центральные отверстия 27, 28 в ближних поршнях 4, 5. Ближние 4, 5 и дальние 6, 7 поршни имеют сопловые камеры 29, 30. Между дальними поршнями 6, 7 и днищами 31, 32 цилиндров 1, 2 образованы поршневые нагнетатели 33, 34 топливовоздушной смеси с впускными 35, 36 и нагнетательными 37, 38 каналами с обратными пластинчатыми клапанами 39, 40.
На Фиг.1, 2 дальние поршни 6, 7, жестко связанные штоками 25, 26, находятся в самом верхнем положении, ближние поршни 4, 5, жестко связанные перемычками 20, 21, находятся в самом нижнем положении. В верхней рабочей камере 8 идет выпуск отработавших газов через окна 10 выпускных каналов 41, управляемых ближним поршнем 4, и идет продувка через два ряда продувочных окон 11, 12, управляемых дальним поршнем 6. В верхнем поршневом нагнетателе 33 конец такта сжатия топливовоздушной смеси, которая через нагнетательный канал 37 с открытым пластинчатым клапаном 39 поступает в напорную камеру 43 и через продувочные каналы 45 и дальний ряд продувочных окон 11 поступает в верхнюю рабочую камеру 8. А через нижний ряд продувочных окон 12 идет продувка сжатым воздухом, поступающим от турбонагнетателя 47 через окружную камеру 48 и продувочные каналы 50.
В нижней рабочей камере 9 конец такта сжатия топливного заряда было осуществлено его воспламенение и начинается рабочий ход. Воспламенение осуществляется тремя свечами, расположенными через 120°, части топливного заряда под воздействием увеличивающегося давления (сжатие + повышение температуры начала горения) продолжают интенсивно мигрировать в сопловые камеры 29, 30.
В нижнем поршневом нагнетателе 34 дальний поршень 7 находится в самом верхнем положении, объем нагнетательной камеры 53 наибольший. Благодаря закрытым клапанам 40 в камере 53 максимальное разрежение и через открывшиеся окна впускных каналов 36 с большой скоростью врывается топливовоздушная смесь.
На Фиг.3 - осевой разрез двигателя при горизонтальном положении кривошипов 13, 14, 15. Благодаря короткоходности поршней 4, 5, 6, 7 поперечные размеры кривошипов 13, 14, 15 меньше диаметра зеркала цилиндров 1, 2. Кривошипы 13, 14, 15 взаимодействуют с деталями 20, 21, 24, которые жестко связаны с ближними 4, 5, дальними 6, 7 поршнями и контактируют с зеркалом цилиндров 1, 2, образуя кривошипно-кулисно-ползунные механизмы, преобразующие прямолинейные перемещения поршней 4, 5, 6, 7 во вращательное коленвала 3.
На Фиг.4 - разрез А-А на Фиг.2, разрез по ближайшему коленвалу 3 ряду продувочных окон 12 чистым воздухом, поступающим от турбонагнетателя 47 в окружную камеру 48 с продувочными каналами 50, расположенными под углом к радиусу цилиндра 1 для тангенциального направления потоков и обеспечения осевого вращения топливного заряда в рабочей камере 8. Удаленный от коленвала 3 ряд окон 11 обеспечивает продувку топливовоздушной смесью, поступающей от прилегающего поршневого нагнетателя 33 с напорной камерой 43 по продувочным каналам 45, расположенным также под некоторым углом к радиусу цилиндра 1.
На Фиг.5 - поперечный разрез двигателя при такте сжатия в верхней рабочей камере 8 и рабочем ходе в нижней рабочей камере 9.
В камере 8 сходящие поршни 4, 6 быстро уменьшают объем камеры 8, быстро повышается давление, что снижает утечки рабочего тела и тепловые потери.
В камере 9 при рабочем ходе поршней 5, 7 под воздействием двух противоположно направленных потоков из сопловых камер 29, 30 образован торовый вихрь 54 с горящим внутренним кольцом. Его зарождению и протеканию способствуют круговая сегментная канавка 55 на дальнем поршне 7 и круговой выступ 56 на днище ближнего поршня 5.
Двигатель двухцилиндровый, оппозитный с соосными цилиндрами 1, 2, с парой жестко связанных между собой ближайших к коленвалу 3 поршней 4, 5 и парой жестко связанных между собой удаленных от коленвала 3 поршней 6, 7. Двигаясь при работе в противоположных направления с одинаковой скоростью и массой, блоки поршней 4, 5 и 6, 7 обеспечивают полную уравновешенность двигателя, одинаковую последовательность рабочих циклов в каждом цилиндре 1, 2, но в противоположных фазах.
В конце сжатия, перед ВМТ (НМТ) в нижней рабочей камере 9 (Фиг.1, 2) производится воспламенение топливного заряда тремя свечами. Из свечных камер 57 воспламененные части заряда врываются тремя очагами пламени в рабочую камеру 9, осуществляется ее поджог. Из-за продолжающегося уменьшения объема камеры 9 (поршни 5, 7 сближаются) и повышения температуры (начало горения заряда) в камере 9 повышается давление, под воздействием которого часть топливного заряда мигрирует в сопловые камеры 29, 30, проходя через узкие устья (доли миллиметра), по плавно расширяющимся каналам сопловых камер 29, 30, она охлаждается, отдавая тепло стенкам, не воспламеняя и не перемешиваясь с находящимися там частями заряда, осуществляя их поджатие.
При нахождении поршней 5, 7 в мертвых точках и после их прохождения горение охватывает почти всю камеру сгорания, давление повышается и миграция в сопловые камеры 29, 30 продолжается, происходит их максимальная подзарядка.
При дальнейших рабочих ходах поршней 5, 7 объем рабочей камеры 9 увеличивается, давление уменьшается и части топливного заряда из сопловых камер 29, 30 в обратном порядке (сначала самые горячие) с большой скоростью (благодаря эффекту сопла) устремляются в рабочую камеру 9, охватывая с противоположных сторон находящуюся там горящую часть топливного заряда, образуя торовый вихрь 54 (Фиг.5). Его зарождению и протеканию способствует наличие сегментной круговой канавки 55 на дальнем поршне 7 и кругового выступа 56 на ближнем поршне 5.
Поступающие из сопловых камер 29, 30 потоки сначала смеси, а потом воздуха окружают, изолируют горящую центральную часть огненного кольца от стенок рабочей камеры 9. Слои внешних потоков нагреваются и слои, прилегающие к центру очага, включаются в горение. Входящие последними сравнительно холодные слои потоков воздуха обеспечивают дожигание топливного заряда и его изоляцию от стенок камеры 9. Сжигание основного топливного заряда в торовом вихре 54 интенсифицирует процесс горения, повышается температура горения и давление, обеспечивается внутренняя адиабатизация процесса. Уменьшается токсичность ОГ.
В конце рабочего хода (см. Фиг.1, 2 цилиндр 1) ближним поршнем 4 открываются окна 10 выпускных каналов 41 и начинается выпуск отработавших газов, которые направляются в коллектор 58 турбонагнетателя 47. Затем дальним поршнем 6 открывается ряд продувочных окон 12 чистым воздухом, поступающим от турбонагнетателя 47, и начинается продувка. При дальнейшем ходе поршней 4, 6 дальним поршнем 6 открывается ряд продувочных окон 11 и добавляется продувка топливовоздушной смесью из поршневого нагнетателя 33.
Расположенные под углом к радиусу цилиндра 1 продувочные каналы 45, 50 обеспечивают осевое вращение топливного заряда в рабочей камере 8. Наличие в камере 8 штока 25 улучшает стабильность вращения заряда и качество продувки.
Продувка начинается чистым воздухом, продолжается совместно воздухом и богатой смесью. После окончания рабочего хода поршни 4, 6 движутся навстречу друг другу. Дальним поршнем 6 перекрываются окна 11 поступления смеси, в рабочую камеру 8 поступает только воздух из окон 12. Затем перекрываются и продувочные окна 12. До закрытия ближним поршнем 4 выпускных окон 10 через них теряется воздух из прилегающего к поршню 4 воздушного слоя (первым вошедшим в рабочую камеру 8 при продувке).
После закрытия всех окон 10, 11, 12 в камере 8 вращающийся топливный заряд располагается тремя слоями. К ближнему 4 и дальнему 6 поршням прилегают слои воздуха, в средней части - топливовоздушная смесь, близкая по составу к нормальной. Из-за осевого вращения слои на границе перемешиваются минимально.
При сжатии скорость осевого вращения заряда в камере 8 замедляется из-за внутреннего трения и трения о стенки рабочей камеры 8. Начинается заполнение сопловых камер 29, 30 чистым воздухом из прилегающих к поршням 4, 6 слоев воздуха, а продолжается и заканчивается топливовоздушной смесью среднего слоя. Замедлению осевого вращения заряда, особенно в конце такта сжатия способствует наличие радиальных ребер 59 в сегментной канавке 55 на торце дальнего поршня 6, повышается стабильность зажигания.
Электроды свечей зажигания расположены в глубине свечных камер 57, длина которых в пределах диаметра резьбы, свободные витки резьбы покрыты каталитическим слоем, например слоем платины толщиной 20 мкм. При повышении давления и температуры у части заряда, прилегающего к виткам резьбы, повышается энергия активации и на некоторых режимах работы двигателя инициируется воспламенение. Для стабильности зажигания на всех режимах работы устанавливаются свечи зажигания или накаливания.
Каждый поршневой нагнетатель 33, 34 имеет окна впускных 35, 36 и нагнетательных 37, 38 каналов, расположенных на противоположных сторонах нагнетательных камер 52, 53. Нагнетательные каналы 37, 38 имеют примыкающие к зеркалу цилиндра пластинчатые клапана 39, 40 и сообщаются с напорной камерой 43, 44, имеющей продувочные каналы 45, 46. При ходе дальнего поршня 6 вниз (Фиг.1, 2), при увеличении объема нагнетательной камеры 52 обратные клапана 39 закрываются и в камере 52 создается вакуум, увеличивающийся по мере хода поршня 6 вниз и увеличения объема камеры 52. При достижении максимального вакуума, при открытии поршнем 6 окон впускных каналов 35 в камеру 52 с большой скоростью врывается топливовоздушная смесь. При любом ее составе смесь переходит в газовое состояние. При обратном ходе поршня 6 газифицированная смесь сжимается и через открытый клапан 39 поступает в напорную камеру 43, а при продувке цилиндра 1 через продувочные каналы 45 - в рабочую камеру 8.
Двигатель с двумя равными по массе блоками поршней 4, 5 и 6, 7, движущимися с равными скоростями, но в противоположных направлениях, полностью уравновешен. Энергия рабочего хода в одной рабочей камере 8 или 9 используется для проведения всех других процессов путем осевого силового воздействия на блоки поршней 4, 5 и 6, 7. Для равномерного вращения коленвала 3 и вывода блоков поршней 4, 5 и 6, 7 из мертвых точек используется маховик (не показан) небольшой массы из-за равномерности крутящего момента.
При рабочих ходах движущиеся в противоположных направлениях блоки 4, 5 и 6, 7 взаимодействуют один блок поршней 6, 7 со средним кривошипом 14, другой блок поршней 4, 5 с двумя крайними кривошипами 13, 15, нагружая их равными, но противоположно направленными силами (образующими пару сил), осуществляя совместный поворот, вращение коленвала 3, без нагружения коренных подшипников коленвала 3. Это уменьшает механические потери, шум двигателя.
Начинается и заканчивается продувка рабочих камер 8, 9 чистым воздухом, поступающим из ближних окон 12 под давлением от турбонагнетателя 47. В середине она осуществляется совместно воздухом и богатой смесью, поступающей из дальних продувочных окон 11 от прилегающего поршневого нагнетателя 33 или 34. Потоки среднего слоя, воздуха и богатой смеси, поступающие из близко шахматно расположенных окон 11, 12, постепенно перемешиваются (до смеси нормального состава).
Регулировать нагрузку двигателя возможно путем изменения состава смеси, поступающей в поршневые нагнетатели 33, 34 и путем дополнительного впрыска топлива через форсунки (не показаны) в каналы, по которым проходит чистый воздух от турбонагнетателя 47 (в среднюю часть потока). Это обеспечивает частично качественное регулирование работы двигателя.
Между штоками 25, 26 и центральными отверстиями 27, 28 поршней 4, 5 предусматриваются минимальные зазоры. При рабочих ходах поршней 4, 5, 6, 7, при смещении кривошипов 13, 14, 15 от оси цилиндров 1, 2 штоки 25, 26 нагружаются нормальными силами реакции в отверстиях 27, 28 далеко разнесенных ближних поршней 4, 5, что определяет их малую величину, а значительная площадь контакта взаимодействующих поверхностей и хорошие условия смазки обеспечивают нормальные условия работы.
При работе двигателя, при противоположных перемещениях блоков поршней 4, 5 и 6, 7 объем и давление в кривошипной камере 60 не изменяются, упрощается ее герметизация, обеспечивается раздельная смазка ближайших поршней 4, 5, штоков 25, 26 и подшипников коленвала 3. Смазка дальних поршней 6, 7 обеспечивается другими известными способами. Малая температура цилиндров 1, 2 и поршней 4, 5, 6, 7, большая длина поршней 4, 5, 6, 7 и отсутствие боковых нагрузок упрощает герметизацию поршней 4, 5, 6, 7 - максимум одно неразрезанное неметаллическое кольцо (не показано), уменьшается расход масла.
Конструкция двигателя в отличие от обычного двухтактного двигателя обеспечивает двухстороннее попеременное нагружение подшипников, это улучшает условия их смазки, уменьшает износ, повышает долговечность работы.
Наличие сопловых камер 29, 30 увеличивает объем камеры сгорания, это предопределяет применение низкооктанового неэтилированного бензина.
Цилиндры 1, 2 имеют двойные стенки с образованием замкнутой камеры 61, это увеличивает жесткость конструкции, при заполнении камеры 61 маслом улучшается равномерность нагрева стенок цилиндров 1, 2, уменьшается шум двигателя. При установке в камере 61 электронагревательных элементов возможен предпусковой подогрев двигателя зимой.
Преимущества кривошипно-кулисных механизмов:
а) отсутствуют силы инерции II порядка, что уменьшает вибрацию и шум двигателя;
б) из-за отсутствия шатунов уменьшаются:
на 1/cosβ нагрузки на кривошипные подшипники, потери на трение (поршней) штоков 25, 26, объем кривошипной камеры 60, высота и вес двигателя.
В качестве ползунов использовано взаимодействие боковых поверхностей рамочного ползуна 24 и перемычек 20, 21 с зеркалом цилиндров 1, 2. Это упрощает конструкцию, увеличивает компактность и уменьшает вес двигателя.
В конструкции двигателя вес блоков поршней 4, 5 и 6, 7 значителен. Но в двухтактных двигателях в первой четверти оборота коленвала 3 от ВМТ (от 0° до 90° поворота коленвала (п.к.в.)) поршни 4, 5, 6, 7 ускоряются, векторы сил давления газов и инерции поршней 4, 5, 6, 7 направлены в противоположные стороны. Силы инерции уменьшают результирующую силу, уменьшается ударная нагрузка на детали коленвала 3. Во второй четверти оборота (от 90° до 180° п.к.в.) движения поршней 4, 5, 6, 7 замедляется, векторы сил инерции и давления газов совпадают, суммируются. Это смягчает работу двигателя.
Отсутствие перекладывания поршней 4, 5, 6, 7 при работе, малые зазоры между поршнями 4, 5, 6, 7 и зеркалом цилиндров 1, 2, хорошие условия смазки деталей, меньшая величина максимального давления теплового цикла, плавное нарастание и снижение давления в рабочих камерах 8, 9, малые нагрузки на коренные подшипники коленвала 3, наличие двойных стенок у цилиндров 1, 2 с образованием замкнутой камеры 61 - все это снижает уровень шума двигателя.
Другие преимущества двигателя:
1. Повышенная стабильность циклов за счет надежности воспламенения благодаря наличию трех свечей со свечными камерами 57.
2. Отношение S/(D-d)>1. Это повышает степень расширения рабочего тела, полнее проявляются преимущества прямоточной продувки с осевым вращением заряда.
3. Двойное нагнетание обеспечивает эффективную работу двигателя на всех режимах и возможность позднего предварения выпуска, что повышает КПД.
4. Частично качественное регулирование нагрузки уменьшает долю дроссельных потерь.
5. Трехслойное размещение топливного заряда в рабочих камерах 8, 9, сжигание его в торообразном вихре 54 с изоляцией пламени от стенок камер 8, 9 интенсифицирует процесс горения, уменьшает тепловые потери и токсичность ОГ, обеспечивает надежное сжигание суммарно переобедненных зарядов, отпадает необходимость в обычной системе охлаждения.
6. Низкая температура цилиндропоршневой группы определяет малый расход масла, позволяет использовать в качестве топлива водород, без риска перегрева и детонации.
7. Двигатель компактен, симметричен, имеет минимальное число деталей и малый вес, сравнительно прост по конструкции и эффективен в работе. Двигатель возможен и в дизельном исполнении. Для этого свечи заменяются на форсунку, поршневые нагнетатели осуществляют продувку также чистым воздухом, уменьшаются объемы камер сгорания и сопловых камер 29, 30.