ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, в частности созданию двигателей внутреннего сгорания (в дальнейшем ДВС) преимущественно для легкомоторной авиации, а также автомобилей, сельхозмашин и других механизмов, требующих автономного и экономичного привода небольшого веса.
Известен ДВС по патенту России №2032820 (приоритет от 21.07.92 г.), содержащий оппозитно расположенные цилиндры, в которых перемещаются поршни соединенные общим полым штоком, а открытие-закрытие впускных и выпускных щелей за счет перемещения поршня вдоль оси штока и гильзы цилиндра относительно его головки. Недостатком конструкции этого ДВС является перенос боковых нагрузок в паре поршень-цилиндр на рольганги, а не полная их ликвидация.
Известен ДВС по патенту России №2500907 (приоритет от 23.06.11 г.), в котором осевая сила на штоке от поршня преобразуется сразу в два равных и противоположно направленных момента вокруг оси штока, что обеспечивает разложение силы, интегрирующейся на внешней поверхности дна поршня, на четыре составляющих, приложенных к шарикам, смонтированным в ступицах двух главных шестерен бесшатунного привода, и взаимоуничтожение реакций от упомянутых сил в районе контакта шариков с канавкой на штоке, при полной ликвидации боковых нагрузок в паре поршень-цилиндр, кроме силы разжима поршневых колец. Недостатком этой конструкции является наличие трения скольжения в паре шарик-ступица главной шестерни, приводящее к нерациональной потере энергии и износу сопрягаемых деталей, а так же колебательное движение массы газа в полости штока.
Кроме этого известны способ наддува воздуха в цилиндр ДВС и устройство для его осуществления по патенту России №2509901 (приоритет от 20.09.11 г.), которые устранили колебательные движения газа в полости штока и обеспечили возможность наддува в цилиндр ДВС, предварительно сжатых во время рабочего хода и хода впуска, двух порций воздуха. Однако, и в этом патенте не устранен недостаток, связанный с наличием трения скольжения в паре шарик-ступица главной шестерни.
Известен также ДВС по патенту России №2564736 (20.05.13 г.), в котором трение скольжения в паре шарик-ступица главной шестерни бесшатунного привода устранено с помощью применения цилиндрических роликов, смонтированных в ступице шестерни на игольчатых и упорных подшипниках качения. Однако, и в этом конструктивном решении есть существенный недостаток - наличие большого изгибающего момента на ролике, который требует существенного увеличения его геометрических размеров. Упомянутый недостаток устранен в ДВС по патенту России №2558490 (приоритет от 16.06.14 г.) за счет сочленения зигзагообразных канавок полукруглого поперечного сечения на штоке со ступицей главных шестерен с помощью роликов, контактный торец которых выполнен в виде полусферы, диаметральная плоскость которой совпадает с диаметральной плоскостью криволинейной канавки в месте контакта. В этом случае реакция на сферическом торце ролика, проходя через центр сферы, разлагается на осевую и нормальную составляющую на боковой поверхности ролика, которые парируются подшипниками качения. Кроме этого в ДВС использован оригинальный механизм с цилиндрическими шестернями для перевода поступательного движения поршней во вращательное движение вала отбора мощности. Недостатками данного ДВС являются относительная сложность конструкции системы наддува и потребность системы управления выпускными клапанами в специальном масляном насосе и высокой надежности и герметичности гидросистемы.
Наиболее близким прототипом заявляемого изобретения является ДВС по патенту №2558490 (приоритет от 16.06.14 г.).
Заявляемый ДВС содержит корпус с двумя боковыми крышками и перемычками, с образованными в них двумя параллельными цилиндрическими отверстиями, в которых перемещаются полые штоки диаметром равным диаметрам поршневых наконечников, герметично соединенных со штоком, на внешней поверхности которого вокруг продолговатого отверстия образована пара (или несколько пар) зигзагообразных, замкнутых канавок полукруглого поперечного сечения, каждая из которых сочленена с помощью двух пар роликов со сферическим контактным торцом, смонтированных на подшипниках качения в ступицах двух главных цилиндрических шестерн механизма перевода поступательного движения поршней во вращательное вала отбора мощности, которые вращающихся в противоположных направлениях, а внутри силовой части штоков размещены поперечные патрубки с коническими переходами и обратными клапанами на их дне, связанные с воздуховодами через продолговатое отверстие в штоке, цилиндры предварительного сжатия и камеры предварительного сжатия с отверстиями на силовом дне, обратными клапанами и вихреобразователями перед впускной щелью, а поршневые наконечники штока перемещаются в оппозитно расположенных гильзах цилиндров-выпускных клапанах, герметично соединенных с посадочными местами головок во время рабочего хода, впуска и сжатия воздуха, в которых размещены улиткообразные коллекторы, форкамеры, форсунки подачи топлива и свечи системы зажигания, причем профилированные выступы на внешней поверхности дна поршня-впускного клапана, подвижного в осевом направлении, образуют в момент зажигания по сигналу бесконтактного датчика магнитного типа, кольцевое трансзвуковое сопло. Задачей изобретения является: упрощение и удешевление элементов конструкции системы предварительного наддува воздуха при одновременном повышении его надежности, а также повышение надежности механизма отвода гильзы цилиндра-выпускного клапана при исключении необходимости оснащения этой системы масляным насосом.
Решение поставленной задачи достигается тем, что конический переход воздуховода каждого поперечного патрубка с обоих торцов оснащен дном с отверстиями для прохода воздуха, с образованным в центральной части каждого гнезда с криволинейными боковыми стенками, в которых смонтированы пластинчатые, лепестковые, нормально закрытые клапана, зажатые между дном и прижимным устройством с наружной стороны дна, а на внутренней стороне каждого дна установлен обтекатель, переводящий течение из цилиндрического воздуховода в кольцевое коническое, а на силовом дне камеры предварительного сжатия образованы отверстия для прохода воздуха, идентичные отверстиям дна конического перехода, перекрывающееся нормально закрытым обратным клапаном, идентичным обратному клапану конического перехода, который зажат в гнезде между силовым дном и корпусом пневмодемпфера дна поршня-впускного клапана, причем механизм отвода гильзы цилиндра-выпускного клапана функционирует на открытие-закрытие при взаимодействии шариков, смонтированных в гнездах двух приливов, симметричных относительно оси вращения, ступиц главных шестерен, в момент, когда две эквидистантные канавки полукруглого поперечного сечения, образованные на хвостовой части гильзы цилиндра, с которыми сочленены шарики, начинают отклоняться от исходного положения по заданному закону открытия-закрытия гильзы, при этом торец гильзы цилиндра сжимает тарельчатую пружину, обеспечивающую возврат гильзы в положение закрытия и гарантированную герметизацию выпускной щели, а в момент закрытия выпускной щели происходит впрыск топлива через форсунку в форкамеру.
На фиг. 1 приведен продольный разрез 4-х цилиндрового ДВС с нумерацией цилиндров.
Двигатель состоит из корпуса 1 с перемычками 2 и боковыми крышками 3, в которых образованы два гнезда 4 подшипников качения 5 вала отбора мощности 6, гнезд в перемычках 2 со смонтированными в них подшипниками качения 7 четырех главных цилиндрических шестерен 9, размещенных соосно двум цилиндрическим отверстиям в перемычках 2, предусмотренных для прохода двух силовых штоков 8, герметично соединенных равными с ними диаметрами поршневыми наконечниками 10, на силовой части которых предусмотрено продолговатое отверстие 11 для прохода воздуховодов 25, вокруг которого образованы на внешней поверхности зигзагообразные полукруглого поперечного сечения канавки 12, сочлененные роликами 13 со сферическим торцом, смонтированными на игольчатых 14 и упорных подшипниках 15 в ступицах главных шестерен 9, причем поршневые наконечники 10 оснащены подвижным в осевом направлении дном поршня-впускным клапаном 16, на внешней поверхности которого соосно оси гильзы цилиндра-выпускного клапана 42 образован профилированный выступ 17, а во внутренней полости поршневого наконечника 10 образована камера предварительного сжатия 18, оснащенная обратным клапаном 19 на силовом дне 21, закрывающим отверстия для прохода воздуха 23, который зажат между силовым дном 21 и корпусом пневмодемпфера 22, а перед выпускной щелью камеры предварительного сжатия 18 установлен вихреобразователь 20, причем стебель впускного клапана 16 жестко соединен с поршнем пневмодепфера 24, при этом между силовым дном 21 и дном 28 конического перехода 27 поперечного патрубка 26, с образованными в нем отверстиями для прохода воздуха 30, нормально закрытым обратным клапаном 31, воздуховодов 25 поперечного патрубка 26 образована полость цилиндра предварительного сжатия 32 длинной равной ходу поршня, а на цилиндрической части дна 28 смонтировано уплотнение 29, работающее на давление и разряжение, двух головок цилиндров 33 с оребрением 35 и углублениями, в которых расположены форкамеры 36, свечи зажигания 37 и форсунки подачи топлива 38, основания головок 34, образующее вместе с головками 33 улиткообразные выхлопные коллекторы 39, двух теплозащитных экранов 40, лежащих на пластинах с уплотнением 41, четырех гильз цилиндров-выпускных клапанов 42, пары симметричных приливов 43 на ступицах каждой главной шестерни 9, шариков 44, смонтированных в каждом приливе 43 механизма овода гильз 42, двух эквидистантных канавок 45 на хвостовой части гильз 42 механизма отвода гильзы, которые отклоняются по заданному закону от исходного положения во время такта выхлопа, взаимодействуя с шариками 44, тарельчатой пружины 46 механизма отвода, упорных подшипников 47 тарельчатой пружины механизма отвода, сопрягающих шестерен 48 вала отбора мощности, сопрягающе-согласующих шестерен 49 вала отбора мощности, стяжек 50 противоположных головок, электровентилятора 51, капота 52, шариков 53 антипроворотного устройства гильз цилиндров 42, сопрягающиеся с продольными пазами 54 полукруглого поперечного сечения на хвостовой части гильз цилиндров 42.
Двигатель работает следующим образом. Изображенный на фиг. 1 ДВС находится в положении, когда в цилиндре №1 заканчивается такт сжатия горючей смеси, при котором в заданный момент по сигналу бесконтактного датчика положения дна поршневого наконечника 10 относительно головки 33 (профилированный выступ 17 достигает заданного положения в выходном отверстии форкамеры 36, образуя кольцевое трансзвуковое сопло), подается высокое напряжение на свечу зажигания 37, вызывающие резкое повышение давления в форкамере 36, создающее перепад давления между форкамерой 36 и камерой сгорания цилиндра 42 близкий к величине второго критического значения ε**, при котором реализуется максимальный расход газа, что приводит появлению в критическом сечении прямого скачка уплотнения, отделяющего сгоревшую смесь в форкамере 36 от основного заряда в камере сгорания цилиндра 42, который перемещается от критического сечения трансзвукового сопла к стенке гильзы цилиндра со скоростью звука порядка 480 м/сек, соответствующей температуре смеси в конце адиабатического сжатия (скорость нормального распространения пламени у существующих ДВС равна 40 м/сек.), послойно поджигая сжатую смесь в камере сгорания, существенно снижая время сгорания заряда, при этом практически исключается возможность возникновения детонационного горения (V=2000 м/сек), т.к. звуковые возмущения в сгоревшей части заряда не могут обогнать прямой скачок пламени. Поскольку объем форкамеры выбирается из условия, при котором подход скачка на заданное расстояние от стенки цилиндра уменьшает перепад давления в критическом сечении кольцевого сопла (за счет падения давления в ограниченном объеме газа в форкамере) к значениям приближающимися к значению первого критического ε*, в связи с чем, прямой скачок начинает обратное движение и исчезает при достижении критического сечения кольцевого сопла, после чего течение газа из которого становится дозвуковым и прекращается после выравнивания давления газа в форкамере и камере сгорания. Такая организация газодинамики процесса сгорания позволяет избежать ударных нагрузок на стенке цилиндра от прямого скачка и снизить возможность появления детонации, а последний тонкий слой смеси сгорает со скоростью нормального горения, обеспечивая практически полное сгорание смеси. После этого начинается процесс политропического расширения продуктов сгорания, аналогичный процессу расширения во всех ДВС с принудительным зажиганием.
0
а
v
При приближении штока 8 цилиндра №1 к НМТ, главная цилиндрическая шестерня 9 этого цилиндра поворачивается на угол, соответствующий началу такта выхлопа, при котором две эквидистантные канавки 45 механизма отвода гильзы цилиндра-выхлопного клапана 42, образованные на ее хвостовой части, начинают отклоняться от нормально закрытого положения в положение открытия гильзы цилиндра-выхлопного клапана 42 по заданному закону, а шарики 44, смонтированные в гнездах приливов 43 главной шестерни 9, передвигаясь по канавкам 45 этого участка, увлекают за собой гильзу цилиндра-выхлопной клапан 42, торец которой сжимает тарельчатую пружину 46, наружная образующая которой опирается на упорный подшипник 47, смонтированный в ступице главной шестерни 9, исключая ее осевое смещение и трение скольжения пружины 46 о торец ступицы главной шестерни 9, при обеспечении досылки гильзы цилиндра-выхлопного клапана 42 в момент ее закрытия для гарантированной герметизации выхлопной щели. Закон отклонения канавок 45 выбирается из условия такого изменения площади выхлопной щели, при котором за счет регулируемого расхода газа через щель, алгебраическая сумма силы давления продуктов сгорания на внешней поверхности впускного клапана-дна поршня и силы инерции, действующей на него в процессе выхлопа, до определенного момента была больше осевой силы от давления воздуха на его внутренней поверхности, для гарантированной герметичности камеры предварительного сжатия 18. В заданный момент канавки 45 на хвостовике гильзы цилиндра-выпускного клапана 42 переходят в положение максимального открытия выпускной щели, резко увеличивая расход продуктов сгорания, что приводит к резкому понижению давления в камере сгорания при возрастании силы инерции массы клапана, направленной в сторону головки, до максимального значения, которая складываясь с силой давления воздуха на внутренней поверхности впускного клапана-дна поршня 16, начинает его открывать. Плавность безударного открытия впускного клапана обеспечивает пневмодемпфер, поршень 24 которого тормозит движение клапана 16 за счет сопротивления при перетекании воздуха из верхней полости корпуса 22 пневмодемпфера в нижнюю и останавливает клапан 16 в момент достижения верхнего дна корпуса, открывая впускную щель на максимальную площадь. Воздух, вытекая из камеры предварительного сжатия 18 с давлением торможения Р»Р (атмосферного давления) через вихреобразователь 20 создает циркуляционное течение вокруг оси гильзы цилиндра-выпускного клапана 42, вызывая понижение давления в приосевой части камеры сгорания, отсасывающее продукты сгорания из форкамеры 36, при одновременной интенсивной продувке камеры сгорания и охлаждении уплотнительных фасок на головке 33 и гильзе цилиндра-выпускного клапана 42. При этом стравливается избыточное количество воздуха для исключения самовозгорания смеси в конце такта сжатия. Такая организация такта выхлопа обеспечивает реализацию величин коэффициента остаточных газов γ≈0 и коэффициента наполнения цилиндра η≥1. На этом такт выхлопа заканчивается, поскольку главные шестерни 9 поворачиваются на угол, при котором шарики 44, двигаясь по канавкам 45, переходящих в нормально закрытое положение, плавно закрывают выхлопную щель, герметизация которой осуществляется разжимом пружины 46, причем провороту гильзы цилиндра-выпускного клапана вокруг оси препятствуют шарики 53, смонтированные в гнездах боковых крышек 3, которые перемещаются по продольным пазам полукруглого поперечного сечения 54, образованных на хвостовой части гильзы цилиндра-выхлопного клапана 42.
В этот момент начинается такт впуска воздуха в цилиндр, т.к. дно поршня-впускной клапан 16, остановившейся в положении полного открытия впускной щели, начинает вместе со штоком 8 движение в сторону НМТ. При этом впускная щель о время всего такта открыта на максимальную площадь, а в момент начала движения дна поршня-впускного клапана 42 в сторону НМТ через форсунку 36 в форкамеру 16 впрыскивается распыленное топливо с закруткой противоположного направления вращению тороидального вихря, образованного воздухом, истекающим из вихреобразователя 20 через полностью открытую впускную щель. Образованная тороидальным вихрем приосевая область высокой турбулентности с пониженным давлением по сравнением с давлением в форкамере 20, отсасывает смесь распыленного топлива с воздухом из форкамеры, обеспечивая интенсивное испарение топлива, за счет пониженного давления и высокотурбулентного перемешивания с воздухом центральной части вихря, который увлекает эту смесь в сторону дна поршня-впускного клапана 16, растягиваясь вдоль оси гильзы цилиндра-выхлопного клапана 42 по мере приближения силового штока 8 к НМТ, чем исключается появление жидкой фазы топлива на стенке гильзы цилиндра-выхлопного клапана 42. При движении силового штока 8 в сторону НМТ, его силовое дно 21 сжимает порцию воздуха в цилиндре предварительного сжатия 32 (обратный клапан 31 закрыт). Как только давление воздуха в цилиндре предварительного сжатия 31 превысит давление в камере предварительного сжатия 18, обратный клапан 19 открывается и воздух через камеру 18, вихреобразователь 20 и впускную щель начинает втекать в полость гильзы цилиндра 42, поддерживая интенсивность тороидального вихря. По достижению силовым штоком 8 НМТ, ролики 13 переходят на ветвь обратного движения зигзагообразных канавок 12 и силовой шток 8 начинает двигаться в обратном направлении в сторону ВМТ, в то же время дно поршня-впускной клапан 16 под действием силы инерции (достигающей в этот момент максимальной величины) своей массы продолжает движение на сближение с уплотнительной фаской поршневого наконечника 10, а плавность и безударность посадки дна поршня-впускного клапана 16 обеспечивает поршень пневмодемпфера 24 за счет сопротивления воздуха, перетекающего из нижней полости в верхнюю корпуса пневмодемпфера 22.
а
Момент герметизации впускной щели поршневого наконечника 10 является концом такта впуска и началом такта сжатия горючей смеси в гильзе цилиндра-выпускном клапане 42. Циркуляционное течение в полости гильзы цилиндра 42 после закрытия впускного клапана 16 продолжается, обеспечивая высокую гомогенность горючей смеси. По мере приближения дна 16 поршневого наконечника 10 к ВМТ герметичность его впускной щели увеличивается за счет увеличения давления сжатия горючей смеси. Одновременно с процессом сжатия горючей смеси в гильзе цилиндра 42 происходит всасывание атмосферного воздуха через воздуховод 25 цилиндра №1, после того как давление в полости цилиндра предварительного сжатия 32 между дном конического перехода 28 поперечного патрубка 26 во время отхода силового дна 21 поршневого наконечника 10 становится меньше атмосферного давления Р, при котором обратный клапан 31 открывается, а обратный клапан 19 закрывается. Процесс всасывания продолжается в течение всего такта сжатия при открытом обратном клапане 31.
С началом рабочего хода цикл в цилиндре №1 повторяется. Аналогично протекают циклы и в остальных цилиндрах.
Постоянство рабочей температуры теплонапряженных элементов конструкции ДВС обеспечивается за счет периодического включения-выключения электровентилятора 51 электронным блоком управления, на основании сигналов датчика температуры
Полная изоляция картера ДВС от картерных газов и атмосферы обеспечивает существенное увеличение сроков смены масла, а отсутствие боковых сил в паре поршень-цилиндр при наличии контакта между ними только через поршневые кольца приводит к строго коаксиальному износу зеркала цилиндра, в результате чего ремонтные работы сводятся к простой замене поршневых колец на кольца ремонтного размера после нормативного периода работы ДВС.
Проведенные оценки показывают, что энергетические затраты на перевод тепловой энергии в механическую в рассматриваемом ДВС могут быть сокращены более чем в два раза по сравнению с лучшими образцами современных ДВС.
Предварительная оценка характеристик заявленного ДВС показала, что двигатель с рабочим объемом 1,5 л может развивать при 2500 об/мин главных цилиндрических шестерен 9 мощность порядка 150 кВт при удельном расходе топлива порядка 100 г/кВт час.
Для сравнения двигатель ВАЗ 2110, имея рабочий объем 1.5 л, развивает мощность 94 кВт при 5600 об/мин коленчатого вала и удельном расходе топлива порядка 250 г/кВт час.