БЕСШАТУННЫЙ ОППОЗИТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
OPPOSED INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITHOUT PISTON ROD

Бесшатунный оппозитный двигатель внутреннего сгорания относится к отрасли машиностроения, в частности к двигателестроению, а именно к конструкциям бесшатунных двигателей внутреннего сгорания с оппозитно расположенными цилиндропоршневыми группами.
Известно, что в двигателях внутреннего сгорания преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное производится кривошипно-шатунным механизмом (КШМ). Вращающий момент коленчатого вала изменяется по законам синуса и косинуса и во многом зависит от изменения угла наклона шатуна, тем самым теряется часть энергии, образующейся при сгорания топливовоздушной смеси, кроме силы инерции КШМ необходимо уравновешивать при помощи дополнительных масс и устройств (кн. Автомобильные и тракторные двигатели, ч.II, под ред. проф. И.М.Ленина, М.: Высшая школа, 1976, с.34).
Так, например, известен оппозитный двигатель внутреннего сгорания, содержащий расположенные соосно и симметрично относительно оси трехкривошипного коленчатого вала первый и второй цилиндры с установленными в них первым и вторым поршнями, шарнирно соединенными с соответствующими им шатунами, причем первый поршень связан с первым кривошипом посредством первого шатуна, а второй поршень связан с расположенными симметрично относительно оси цилиндров под углом 180° относительно первого кривошипа вторым и третьим кривошипами посредством второго шатуна, который выполнен вильчатым и охватывает первый кривошип (в.з. ФРГ 3132144, опубл. 03.03.83 г., МКИ F16F 15/24).
Оппозитный двигатель внутреннего сгорания известной конструкции сбалансирован не только относительно сил инерции вращающихся и движущихся возвратно-поступательно масс двигателя, но и относительно моментов инерции первой и высших степеней, возникающих вследствие осевого смещения шатунных шеек во время работы двигателя.
Недостаток известного устройства - чрезмерные нагрузки на кривошипношатунный механизм и опоры двигателя - обусловлен тем, что удаленность второй и третьей шатунных шеек от оси цилиндров требует использования второго, вильчатого шатуна больших размеров и массы. Для обеспечения уравновешенности двигателя первый, обычный шатун необходимо выполнить с массой, равной массе вильчатого шатуна, то есть заведомо переутяжелить.
Однако вследствие возрастания сил инерции движущихся масс возрастают и нагрузки на кривошипно-шатунный механизм и опоры двигателя.
Прототипом заявляемого устройства является оппозитный двигатель внутреннего сгорания, содержащий расположенные соосно и симметрично относительно оси трехкривошипного коленчатого вала первый и второй цилиндры с установленными в них первым и вторым поршнями, шарнирно соединенными с соответствующими им шатунами с помощью поршневых пальцев, установленных в отверстиях стенки тронка каждого поршня, причем первый поршень связан с первым кривошипом посредством первого шатуна, соединенного с поршневым пальцем во внутренней полости первого поршня, а второй поршень связан с расположенными симметрично относительно оси цилиндров под углом 180° относительно первого кривошипа вторым и третьим кривошипами посредством второго и третьего шатунов соответственно, масса каждого из которых в два раза меньше, чем масса первого шатуна (заявка ЕПВ 0503842 А1, опубл. 05.03.92 г., МКИ F02B 75/24, F01B 7/06, F02F 7/00).
Второй и третий шатуны согласно прототипу соединены с поршневым пальцем второго поршня во внутренней полости последнего, а поршневой палец закреплен концами в стенках тронка поршня.
В оппозитном двигателе внутреннего сгорания данной конструкции, как и в вышеупомянутом устройстве, массы и моменты инерции движущихся элементов, принадлежащих к первому и второму цилиндрам, одинаковы, благодаря чему обеспечивается их взаимная компенсация при вращении коленчатого вала.
Однако удаленность второй и третьей шатунных шеек от оси цилиндров и необходимость размещения второго и третьего шатунов во внутренней полости второго поршня обусловливают использование цилиндропоршневых групп большого диаметра, что приводит к увеличению массы и площади поршней, то есть к увеличению как сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс, так и сил давления газов на поршень, вследствие чего возрастают суммарные силы, действующие на кривошипно-шатунный механизм и опоры двигателя.
Таким образом, чрезмерная нагрузка на кривошипно-шатунный механизм и опоры известных оппозитных двигателей внутреннего сгорания с трехкривошипным коленчатым валом, отрицательно влияющая на показатели надежности и ресурс двигателя, объясняется тем, что следствием мероприятий, направленных на обеспечение уравновешивания моментов и сил инерции движущихся масс, неизменно становилось увеличение этих же масс (или массы шатунов или массы поршней).
Предлагаемое изобретение направлено на совершенствование оппозитного двигателя внутреннего сгорания, повышение полезной работы при преобразовании возвратно-поступательного движения во вращательное путем использования новой схемы соединения поршня с рабочей шестерней, обеспечивающей повышение полезной нагрузки на рабочую шестерню, которая позволяет уменьшить неуравновешенность двигателя, повысить его экономичность.
Это достигается тем, что в оппозитном двигателе, содержащем оппозитные цилиндры с поршнями согласно предлагаемому изобретению, дополнительно введен преобразующий механизм зубчатого типа, в котором первый поршень жестко связан с левой зубчатой втулкой преобразующего механизма, второй поршень расположен симметрично оси цилиндров под углом 180° относительно первого и жестко связан с правой зубчатой втулкой, втулки полые внутри имеют 4 зуба с закругленными вершиной и основанием, высота которых равна ходу поршня, своими зубцами они взаимодействуют с зубцами рабочей шестерни, кроме того, зубчатые втулки связаны подвижным шлицевым соединением с корпусом двигателя.
Введение преобразующего механизма зубчатого типа обеспечивает преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное рабочей шестерни с постоянным углом силового взаимодействия при передвижении поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) и нижней мертвой точке (НМТ).
На фиг.1 представлен бесшатунный оппозитный двигатель внутреннего сгорания, состоящий из корпуса 1, в котором размещены оппозитные цилиндры с поршнями, и преобразующего механизма зубчатого типа, в котором первый поршень 4 жестко связан с левой зубчатой втулкой 7 преобразующего механизма через шатун 5, второй поршень 11 расположен симметрично оси цилиндров под углом 180° относительно первого и жестко связан с правой зубчатой втулкой 9 через шатун 10, втулки полые внутри имеют 4 зуба с закругленными вершиной и основанием, высота которых равна ходу поршня, своими зубцами они взаимодействуют с зубцами рабочей шестерни 8, кроме того, зубчатые втулки связаны подвижным шлицевым соединением с корпусом двигателя. Рабочая шестерня 8 через шестерню 16 связана с выходным валом 15. Топливо подается через левую 3 и правую 14 форсунки, а воздух левым 6 и правым 12 компрессорами. Выпуск отработавших газов производится через левый 2 и правый 13 выпускные клапаны соответствующих цилиндров.
Принцип работы устройства связан с повторяющимся рабочим циклом. Рабочий цикл двигателя это периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Рабочий цикл совершается за два хода поршня, при этом выполняются циклы: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.
Впуск. По мере того как рабочая шестерня 8 двигателя делает первый полуоборот, зубцы рабочей шестерни скользят по поверхности зубцов левой зубчатой втулки 7, которая при скольжении по зубъям шестерни перемещается по шлицам на высоту профиля зуба, при этом левый поршень 4 перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт воздух, от компрессора подается в рабочий цилиндр, выпускной клапан закрыт.
Сжатие. После заполнения цилиндра воздухом при дальнейшем вращении рабочей шестерни (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются. В верхней точке поднятия поршня форсунка 3 впрыскивает порцию топлива в рабочий цилиндр под давлением.
Расширение или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ, при этом усилие от поршня через шатун 5 передается зубчатой втулке 7, которая, двигаясь по шлицам параллельно оси поршня, скользит по зубьям рабочей шестерни, надавливая на ее зубья, обеспечивает вращение при скольжении зубьев рабочей шестерни по зубьям зубчатой втулки. При движении поршня под действием давления образующихся при давлении газов силовое воздействие через шатун и зубья зубчатой втулки передается на зубья шестерни, которые, обкатываясь по профилю зубьев втулки, вращают рабочую шестерню. Через зубья рабочей шестерни вращение передается через сопряженную шестерню на выходной вал.
В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3-0.75 МПа, а температура до 950-1200°С.
Выпуск. При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод.
Представленная конструкция обеспечивает работу двигателя без кривошипно-шатунного механизма, устраняет его недостатки, обеспечивает увеличение кпд за счет постоянного угла зацепления зубьев зубчатой втулки и рабочей шестерни, уменьшает неуравновешенность двигателя.