КОМБИНИРОВАННЫЙ ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
COMBINED PISTON ENGINE

Техническое решение относится к двигателям внутреннего сгорания. Оно касается комбинированных поршневых двигателей.
Известны различные комбинированные поршневые двигатели, содержащие основные и дополнительные цилиндры, представленные в заявках №№2812199, 3344203, опубликованных в ФРГ, в заявках №№2264333, 2294501, опубликованных в Великобритании, в патентах №№6318310, 6553977, выданных в США, в заявках №№198504, 1201892 на выдачу Европейского патента.
В качестве прототипа принят комбинированный четырехцилиндровый поршневой двигатель, показанный в патенте №3514206, МПК F02B 41/06, выданном в ФРГ. Он содержит одинаковые средние и крайние цилиндры с расположенными в них поршнями, связанными с коленчатым валом двигателя, впускные и выпускные клапаны, каналы для прохода воздуха в цилиндры двигателя и выпуска из них горячего газа. Этот двигатель имеет только один режим его работы, при котором производится перепуск горячих газов из каждого крайнего цилиндра в средние цилиндры для продолженного их расширения.
Задача - расширение функциональных возможностей комбинированного поршневого двигателя при разных его нагрузках.
Решение задачи расширения функциональных возможностей поршневого комбинированного двигателя при разных его нагрузках обеспечено тем, что комбинированный поршневой двигатель, содержащий два крайних и два средних одинаковых цилиндра с расположенными в них поршнями, связанными с коленчатым валом, впускные и выпускные клапаны, каналы для прохода воздуха в цилиндры и выпуска из них горячего газа, этот двигатель содержит золотниковый распределитель потоков воздуха, в первой позиции которого воздух пропускается во все цилиндры при увеличении их объема при открытом впускном клапане, а во второй позиции воздух пропускается в крайние цилиндры, и золотниковый распределитель потоков горячего газа, в первой позиции которого горячий газ выпускается наружу из всех цилиндров, а во второй позиции горячий газ перепускается из крайних цилиндров при уменьшении их объема при открытом выпускном клапане в средние цилиндры при увеличении в них объема.
В этом поршневом двигателе распределитель потоков воздуха в первой позиции пропускает воздух в средние цилиндры при увеличении их объема, а во второй позиции прекращает пропускать в них воздух. А распределитель потоков горячего газа в первой позиции выпускает горячий газ из крайних цилиндров наружу, а во второй позиции перепускает горячий газ из крайних цилиндров при уменьшении их объема в средние цилиндры при увеличении в них объема. Вследствие использования указанных распределителей потоков воздуха и горячих газов происходит работа двигателя при малых и средних его нагрузках по четырехтактному циклу в крайних цилиндрах и продолженное расширение горячих газов, направляемых из каждого крайнего цилиндра в средние цилиндры. А при больших нагрузках происходит работа двигателя по четырехтактному циклу во всех четырех его цилиндрах. Включение при малой и средней нагрузке двигателя режима продолженного расширения горячих газов путем их перепуска в средние цилиндры из крайних цилиндров и затем при большой нагрузке на двигатель включение с помощью двухпозиционных распределителей режима работы двигателя по четырехтактному циклу во всех его цилиндрах существенно улучшает преобразование энергии горячих газов в механическую энергию, способствующее снижению расхода топлива двигателем с обеспечением высоких динамических его характеристик.
Упомянутые золотниковые распределители комбинированного поршневого двигателя имеют общий механический привод.
На фигуре 1 показана схема поршневого комбинированного двигателя при установке распределителей потоков воздуха и горячего газа в положение, при котором двигатель работает по четырехтактному циклу во всех его цилиндрах.
На фигуре 2 показана схема этого комбинированного двигателя при установке распределителей потоков воздуха и горячего газа в положение, при котором происходит работа двигателя по четырехтактному циклу в крайних его цилиндрах и продолженное расширение в средних цилиндрах горячих газов, выпускаемых из крайних цилиндров.
Комбинированный поршневой двигатель содержит четыре одинаковых цилиндра 1, 2, 3, 4, из которых левый и правый крайние цилиндры 1 и 4 являются основными, а средние цилиндры 2 и 3 являются дополнительными (фигура 1). Во всех этих цилиндрах расположены одинаковые поршни 5, связанные шатунами 6 с коленчатым валом 7 двигателя с его шатунными шейками. Шатунные шейки 8, с которыми связаны поршни средних цилиндров 2 и 3, повернуты относительно шатунных шеек 9, связанных с поршнями крайних цилиндров 1 и 4, на 180 градусов. Цилиндры содержат подъемные впускные клапаны 10 и подъемные выпускные клапаны 11.
Двигатель содержит двухпозиционный золотниковый распределитель 12 потоков воздуха и двухпозиционный золотниковый распределитель 13 потоков горячего газа. Распределители 12 и 13 содержат цилиндрические поворотные золотники 14 и 15, имеющие между собой механическую связь 16 посредством цепной или зубчатой передачи либо с помощью рычажных поводков, связанных между собой тягой. В золотнике 14 сделан поперечный паз 17 для прохода воздуха, а в золотнике 15 сделан паз 18 для прохода горячего газа.
Двигатель содержит турбокомпрессор 19, состоящий из лопаточного компрессора 20 и лопаточной турбины 21.
В двигателе имеются канал 22 для прохода воздуха от компрессора 20 через каналы 23 к впускным клапанам крайних цилиндров 1 и 4, канал 24, расположенный между компрессором 20 и распределителем 12, канал 25 для прохода воздуха от распределителя 12 к впускным клапанам средних цилиндров 2 и 3 через канал 26, расположенный между другим распределителем 13 и упомянутыми впускными клапанами средних цилиндров, и через канал 27. Кроме того, в двигателе имеются канал 28 для прохода горячего газа к турбине 21 из средних цилиндров 2, 3 при открытых их выпускных клапанах, канал 29, расположенный между распределителем 13 и турбиной 21, каналы 30 и 31 для прохода горячего газа от выпускных клапанов крайних цилиндров 1 и 4 к распределителю 13.
В первой позиции распределителя 12 производится впуск воздуха поочередно во все цилиндры двигателя при увеличении в них объема при открытом впускном клапане, сжатие воздуха в каждом цилиндре и подача в него топлива, которое воспламеняют, образуя горячий газ. Причем в крайние цилиндры воздух поступает непосредственно от компрессора 20, а в средние цилиндры он поступает через распределитель 12. Образующийся при сгорании топлива горячий газ выпускается наружу поочередно из всех цилиндров двигателя при уменьшении их объема при открытом выпускном клапане. Причем из средних цилиндров горячий газ выпускается наружу непосредственно, а из крайних цилиндров он выпускается через распределитель 13. В этом случае происходит работа двигателя по четырехтактному циклу в каждом его цилиндре, что обеспечивает создание на коленчатом валу двигателя наибольшего поворотного (крутящего) момента. На этом режиме работы двигателя при открытии впускного клапана 10 любого из крайних цилиндров, например, цилиндра 1, воздух в этот цилиндр поступает от компрессора 20 по каналу 22 и по каналу 23. При открытии впускного клапана любого из средних цилиндров, например цилиндра 2, воздух в указанный цилиндр поступает от компрессора 20 по каналу 24, затем через распределитель 12 по каналу 25, потом по разветвляющемуся каналу 26 и по каналу 27. При открытии выпускного клапана крайнего цилиндра горячий газ из этого цилиндра проходит к турбине 21 через каналы 31 и 30, распределитель 13 и канал 29. А при открытии выпускного клапана среднего цилиндра горячий газ из этого цилиндра проходит к турбине 21 через разветвляющийся канал 28 и канал 29.
Во второй позиции распределителя 12 (фигура 2) прекращается поступление воздуха в средние цилиндры 2 и 3 и производится впуск воздуха поочередно в крайние цилиндры 1 и 4 при увеличении в них объема при открытом впускном клапане, сжатие воздуха в каждом крайнем цилиндре и подача в него топлива, которое воспламеняют, образуя горячий газ. Образовавшийся при сгорании топлива горячий газ во второй позиции распределителя 13 перепускается из крайних цилиндров 1 и 4 при уменьшении их объема при открытом выпускном клапане в средние цилиндры 2 и 3 при увеличении в них объема. Выпуск горячего газа из средних цилиндров 2 и 3 при уменьшении их объема при открытом выпускном клапане производится непосредственно к турбине 21. При указанной позиции распределителей 12 и 13 производится продолженное расширение в средних цилиндрах горячих газов, выпускаемых поочередно из крайних цилиндров, что обеспечивает экономичность работы двигателя при малых и средних его нагрузках. При этом происходит работа двигателя по четырехтактному циклу в крайних его цилиндрах 1 и 4 и по двухтактному циклу в средних его цилиндрах 2 и 3, при котором впускные и выпускные клапаны средних цилиндров открываются и закрываются в два раза чаще, чем клапаны крайних цилиндров. При работе двигателя на указанном режиме при открытии впускного клапана 10 крайнего цилиндра, например цилиндра 1, воздух в крайний цилиндр поступает от компрессора 20 по каналам 22 и 23. Из крайнего цилиндра после рабочего хода поршня 5 при уменьшении объема этого цилиндра при открытом впускном клапане 11 горячий газ по каналам 31, 30, через распределитель 13, по каналам 26 и 27 поступает в средние цилиндры 2 и 3 во время увеличения их объема при открытых их впускных клапанах. При поступлении горячего газа в средние цилиндры 2 и 3 совершается во время перемещения поршней дополнительная полезная работа. Затем при уменьшении объема средних цилиндров 2, 3 во время движения их поршней в сторону клапанов расширившийся горячий газ через открытые выпускные клапаны уходит из этих цилиндров к турбине 21 турбокомпрессора по каналам 28, 29.
При использовании указанных распределителей потоков воздуха и горячего газа при малых и средних нагрузках двигателя происходит его работа по четырехтактному циклу в крайних цилиндрах и продолженное расширение горячих газов, направляемых из каждого крайнего цилиндра в средние цилиндры, а при больших нагрузках обеспечивается работа двигателя по четырехтактному циклу во всех четырех его цилиндрах. Включение режима продолженного расширения горячих газов путем их перепуска в средние цилиндры из крайних цилиндров при малой и средней нагрузке двигателя и затем включение с помощью двухпозиционных распределителей режима работы двигателя по четырехтактному циклу во всех его цилиндрах при большой нагрузке на него существенно улучшает преобразование энергии горячих газов в механическую энергию, способствующее снижению расхода топлива двигателем с обеспечением высоких динамических его характеристик.