ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ АВТОМОБИЛЯ
AUTOMOTIVE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Предлагаемое изобретение (двигатель внутреннего сгорания автомобиля) относится к области машиностроения, в частности к механизмам и системам, служащим для преобразования тепловой энергии сгорающего в его цилиндрах топлива в механическую работу.
Существующие поршневые двигатели внутреннего сгорания имеют одинаковый принцип строения, состоят из цилиндропоршневой группы, кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов, систем охлаждения, питания, зажигания, пуска и смазочной системы (Стуканов В.А. «Устройство автомобиля». Москва, 2009 г., стр.10-11).
Недостатками этих двигателей являются сложность строения, невысокий КПД (так потери на трение поршня в карбюраторных двигателях составляют 60 - 70% от потери на трение всего двигателя), ударный фактор в шатунной группе и механизме газораспределения, ограничение смазки в группе стержень клапана - направляющая втулка, сложность строения и изготовления коленчатого вала («Устройство автомобиля» Стуканов В.А., Москва 2009 г., стр.29-31, стр.34, стр.41, стр.44-45). В имеющемся прототипе, патент автора Гладкевич О.С. №2430248 по заявке №2009136781, эти недостатки отсутствуют, однако нет конструктивных особенностей для использования отработанных газов двигателя для достижения HCCI эффекта.
Задачей предлагаемого изобретения является ликвидация упомянутых недостатков, а также упрощение строения двигателя внутреннего сгорания, повышение его эксплуатационной надежности, уменьшение расхода топлива и выброса выхлопных газов.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемой конструкции отсутствуют основные элементы газораспределительного механизма, а именно: распределительный вал, толкатели, клапаны, гидрокомпенсаторы и, кроме того, коленчатый вал и шатунная группа, преобразование тепловой энергии в механическую работу происходит в устройстве, где цилиндрический вал, передающий крутящий момент на трансмиссию, имеет три монолитно соединенные с ним через 120° цилиндры, в цилиндрах установлены плавающие поршни, имеющие тело и головку, а цилиндры с поршнями и валом закрыты кольцевыми крышками корпуса, корпус имеет цилиндрическое строение, внутреннюю поверхность в виде круга с заданным радиусом, впускной патрубок с камерой для смешивания топлива и отработанных газов, окно впуска и выпускной коллектор, в центре цилиндрического вала имеется полость, сообщающаяся с каналами смазки двигателя и масляными каналами с полостями тел поршней, при этом цилиндры вращаются с валом, поочередно совмещаясь с окном впуска, выпускным коллектором, а поршень перемещается в цилиндре под действием давления масла, подающегося из каналов смазки двигателя, а также расширяющихся газов на участке между окном впуска и выпускным коллектором.
Предлагаемое изобретение изображено на фиг.1, 2, 3, где на фиг.1 показан двигатель в разрезе и позициями обозначены:
1 - корпус двигателя
2 - цилиндрический вал
3 - сегмент цилиндрического вала
4 - поршень
5 - уплотнительные кольца
6 - цилиндр
7 - масляные каналы сегмента цилиндрического вала
8 - внутренний масляный канал цилиндрического вала
9 - маслоотводное устройство
10 - отверстия маслоотводного устройства
11 - внутренний канал маслоотводного устройства
12 - внутренняя поверхность корпуса
13 - выпускной коллектор
14 - камера с впускным патрубком
15 - форсунка
16 - крышка корпуса
17 - система охлаждения
18 - барабан
19 - канал подачи воздушной смеси
20 - направляющий выступ
21, 22 - каналы подачи отработанных газов
А, Б, С, - сегменты цилиндрического вала
На фиг.2, 3 показан поршень в разрезе и позициями обозначены:
5 - уплотнительные кольца
6 - цилиндр
7 - масляные каналы сегмента цилиндрического вала
23 - головка поршня
24 - тело поршня
25 - пружина
26 - упоры
27 - отверстия в головке поршня.
Двигатель внутреннего сгорания (фиг.1) состоит из корпуса 1, цилиндрического вала 2, имеющего сегменты 3 (А, Б, С), цилиндров 6, поршней. 4, барабана 18, камеры 14 с форсунками 15, выпускного коллектора 13.
Цилиндрический вал 2 имеет внутренний масляный канал 8, имеющий сообщения с каналами смазки двигателя, масляными каналами 7 сегментов А, Б, С и внутренней полостью головок поршней 23 (фиг.2) через отверстия 27 (фиг.3). В масляном канале 8 цилиндрического вала 2 (фиг.1) имеется фиксированное к корпусу двигателя маслоотводное устройство 9, в котором есть отверстия 10 и внутренний канал 11, сообщающийся с поддоном картера двигателя.
Сегменты 3 (А, Б, С) цилиндрического вала 2 имеют масляные каналы 7, а в торцевой части сегментов расположены цилиндры 6 с «плавающими» поршнями 4. Поршень 4 (фиг.1) имеет тело 24 (фиг.2) и головку 23 (фиг.2). В головке поршня 23 имеются отверстия 27 (фиг.3), сообщающиеся с ее внутренней полостью. Корпус двигателя 1 (фиг.1) имеет камеру для смешивания топлива и отработанных газов 14 с впускным патрубком, форсунки 15, выпускной коллектора 13, внутреннюю поверхность 12, барабан 18, каналы подачи отработанных газов 21, 22. Вал с сегментами, содержащими цилиндры и поршни, закрыт кольцевыми крышками 16 (фиг.1), закрепленными в корпусе болтами.
Работает двигатель внутреннего сгорания следующим образом. Первоначальное вращение цилиндрического вала 2 (фиг.1) и сегментов А, Б, С осуществляется с помощью стартера автомобиля по часовой стрелке. При совмещении цилиндра сегмента С (фиг.1) с впускным патрубком камеры 14 под высоким давлением от насоса высокого давления в него впускается топливо, смешанное с воздухом и отработанными горячими газами. При этом поршень 4 смещается в нижнюю часть цилиндра. Этому же способствует отсутствие давления масла в каналах 7 сегмента С, которое сливается в поддон картера через отверстия 10 маслоотводного канала 11. При этом в маслоотводном устройстве 9 можно создать отрицательное давление с помощью вакуумного насоса, что будет еще больше способствовать смещению поршня 4 сегмента С в нижнее положение и заполнению цилиндра топливной смесью.
В этот же момент поршень 4 сегмента А будет находиться в крайнем верхнем положении за счет давления на него масла, передающегося из каналов смазки двигателя во внутренний масляный канал 8 цилиндрического вала 2, а затем на масляные каналы 7 сегментов А и Б. Благодаря изогнутой в радиальном направлении головки поршня 4 и упоров 26 (фиг.2) создается необходимый объем камеры сгорания. Находясь в верхней точке, поршень 4 сегмента А осуществляет сжатие топливной смеси. При достижении определенного давления в цилиндре возгорание топливовоздушного заряда происходит без искры свечи зажигания (HCCI - эффект). Расширяющиеся газы смещают поршень 4 (фиг.1) вниз, а сегмент А с цилиндрическим валом 2 по часовой стрелке (соответственно суммарного вектора направления движения поршня в цилиндре, имеющем полуовальное строение стенок с направлением оси под углом 45° к оси сегмента А). Первоначальное движение цилиндрического вала с сегментами А, Б, С по часовой стрелке задается с помощью стартера. Поршень 4 сегмента Б за счет давления масла также будет находиться в верхней точке, а цилиндр 6 сегмента Б совместится с выпускным коллектором 13, за счет чего произойдет выброс отработанного топлива. Кроме того, часть газов по каналам 21 и 22 (фиг.1) будет поступать в камеру 14, где происходит образование однородного топливовоздушного облака с предельно низкой плотностью.
Таким образом, цилиндры сегментов А, Б, С поочередно контактируют с впускным патрубком камеры 14, внутренней поверхностью корпуса двигателя на участке между камерой 14 и выпускным коллектором 13 (фаза сжатия, возгорания, рабочего хода поршня), выпускным коллектором 13, участком, внутренней поверхности корпуса двигателя между выпускным коллектором 13 и камерой 14 (фаза сброса масла в поддон двигателя).
Плавность работы поршня 4 и отсутствие ударного фактора осуществляется за счет масла, находящегося под давлением в цилиндре 6, непосредственно под поршнем, и пружины 25 (фиг.2). Боковые поверхности головки 23 (фиг.2) и тела 24 (фиг.2) поршня 4 (фиг.1) конгуэнтны стенкам цилиндра 6 (фиг.2). На головке поршня 23 имеется уплотнительный пояс для посадки уплотнительного кольца (колец) 5, чтобы масло не проникало в камеру сгорания и создавалась компрессия. Кроме того, в головке поршня 23 (фиг.3) имеются отверстия 27 (фиг.3) для циркуляции масла с целью охлаждения поршня. Уплотнение боковых поверхностей двигателя осуществляется с помощью крышки корпуса 16 (фиг.1). Охлаждение двигателя осуществляется за счет циркуляции антифризов, как внутри корпуса, а также внутри тела цилиндрического вала 2, что в свою очередь уменьшает температуру масла, подаваемого к поршням и охлаждение последних.
Для увеличения мощности предлагаемого двигателя можно изготавливать вал с шестью сегментами и цилиндропоршневыми группами таким образом, что первые три сегмента находятся на определенном расстоянии по оси вала от других трех сегментов, а последние имеют между собой угол в 120° и смещены по часовой стрелке по отношению к первой группе сегментов на 60°.
При работе предлагаемого двигателя КПД значительно выше, чем у обычных поршневых двигателей, так как потери на трение поршня автоматически переходят в кинетическую энергию вращения вала.
Простота в устройстве предлагаемого двигателя, более высокий коэффициент его полезного действия, малогабаритность позволяют в значительной степени экономить материальные средства, улучшать технические параметры автомобиля.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. «Устройство автомобиля». Изд. «Форум», Москва, Стуканов В.А. 2009 г., стр.9-45.
2. «Бензиновые двигатели», Москва, Дмитриевский А.В., Тюряков А.С., 1986 г., стр.187-204.
3. «Автомобильные и тракторные двигатели», учебник для ВУЗов, Москва, Ленин И.М., 1976 г., стр.177-182.
4. «Автомобильные двигатели», Москва, Ховах М.С. 1977 г., cтp.211-227, стр.366-374.
5. «Автомобильные двигатели внутреннего сгорания. Теория, расчет и конструкция двигателей внутреннего сгорания», Москва, Ховах М.С., Маслов Г.С., 1971 г., стр 95-100, стр.111-112, стр.114-126.
6. «Расчет автомобильных и тракторных двигателей», Москва, Колчин А.И., Демидов В.П., 1980 г., стр.40-60.
7. Журнал «Популярная механика», март 2010 г.