Двигатель внутреннего сгорания
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к системам преобразования движения, способным генерировать непрерывное вращательное движение из прямолинейного возвратно-поступательного движения, в частности, касается двигателя, более конкретно того типа, который называется двигателем внутреннего сгорания.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Преобразование прямолинейного возвратно-поступательного движения в непрерывное вращательное движение осуществляется посредством механизма, называемого шатунно-кривошипным механизмом. Этот механизм используется обычно в двигателях внутреннего сгорания для создания вращающего момента, движение транспортного средства.
Двигатель внутреннего сгорания содержит, как правило, коленчатый вал с одной или более шатунными шейками, причем шатунная шейка (каждая из них) образует кривошип, вокруг которого шатун поворачивается одним из своих концов, который называется большим концом. На другом своем конце, называемом малым концом, шарнирно крепится к поршню, скольжение которого в цилиндре можно регулировать. Поршень с цилиндром образуют собой находящуюся в цилиндре рабочую камеру, называемую «камерой сгорания'', в которой происходит горение газовой смеси, в частности, смеси воздуха и топлива (например, углеводорода). Вызывая расширение смеси, это горение создает толкающее усилие, действующее на поршень, который передает часть этого усилия посредством шатуна на шатунную шейку коленчатого вала, в результате чего этот последний приводится во вращение.
Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания включает в себя этап подачи свежего газа и топлива в камеру сгорания цилиндра (каждого из цилиндров), затем этап сжатия этой смеси поршнем или каждым из поршней, затем соответствующие этапы горения смеси, приводящие к повышению давления в камере сгорания, расширению отработанных газов и, наконец, выпуску этих отработанных газов.
Ход поршня в цилиндре ограничен двумя крайними положениями, а именно, «верхней мертвой точкой'', где объем камеры сгорания минимален, и «нижней мертвой точкой'', где объем камеры сгорания максимален.
Один из недостатков двигателей внутреннего сгорания, известных из предшествующего уровня техники, состоит в их низком КПД. Под КПД понимается отношение между механической энергией, получаемой от коленчатого вала, и энергией, получаемой от топлива, необходимой для горения смеси газа и топлива.
Низкий КПД известных двигателей внутреннего сгорания обусловлен, в частности, трением, создаваемым множеством движущихся деталей, образующих приводной механизм двигателей.
Это трение возникает частично из-за хода поршня вдоль цилиндра. Дело в том, что во время хода поршня шатун образует с осью образующей цилиндра угол, изменяющийся в зависимости от углового положения шатунной шейки, называемый наклоном шатуна. Данный наклон достигает максимальной величины, когда поршень находится на середине расстояния между верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой. Из-за относительно высокого значения угла поршень создает поперечные усилия, то есть усилия, перпендикулярные к продольной оси цилиндра, когда он скользит вдоль цилиндра. Кроме того, помимо создания трения, способного привести к преждевременному износу движущихся деталей, эти усилия могут вызывать механическую усталость коленчатого вала под действием циклических механических напряжений и, следовательно, служить причиной разрушения коленчатого вала.
Наклон шатуна является также причиной резких ускорений и замедлений движения поршня в процессе его хода между верхней и нижней мертвыми точками, и наоборот. Эти резкие ускорения и замедления создают инерционные силы так называемые инерционные силы «второго порядка». Силы второго порядка изменяются дважды каждый оборот коленчатого вала и могут приводить к возникновению значительных внутренних механических напряжений в движущихся компонентах двигателя.
Низкий КПД двигателей внутреннего сгорания может быть обусловлен и фактом неполного сгорания газотопливной смеси. Действительно, из-за неполного сгорания используется не целиком энергия, потенциально получаемая от топлива в камере сгорания.
Неполнота сгорания может объясняться, в частности, недостаточной продолжительностью этапов сжатия и горения. В частности, поршень не остается вблизи верхней мертвой точки достаточно долго для того, чтобы поддерживать сильное сжатие смеси в течение времени, достаточного для обеспечения практически полного сгорания. Действительно, из-за конструкции шатунно-кривошипного механизма известных двигателей вращение шатуна вокруг шатунной шейки коленчатого вала подвергает поршень сильному линейному ускорению непосредственно после достижения верхней мертвой точки.
Например, когда поршень находится вблизи верхней мертвой точки, поршень перемещается, чтобы сжимать смесь с давлением от девяноста до ста процентов максимального значения для поворота коленчатого вала на пять-десять градусов. Максимальное давление сжатия смеси достигается, когда поршень приходит в верхнюю мертвую точку.
Незавершенное сгорание порождает также проблему загрязнения воздуха, поскольку на этапе выпуска выделяются несгоревшие газы. При этом несгоревшие газы вредны для здоровья человека.
Кроме того, поршни известных двигателей внутреннего сгорания претерпевают циклы резкого ускорения и замедления. В результате поршни генерируют инерционные силы, циклически воздействующие на коленчатый вал. Помимо того, что эти компоненты испытывают механическую усталость, циклические нагрузки создают вибрацию, которая может приводить к разрушению этих компонентов.
Другой недостаток известных двигателей внутреннего сгорания состоит в их высоком весе из-за большого числа входящих в них компонентов. Следствием высокого веса является потребность в значительной мощности для движения транспортного средства с таким двигателем, что ведет к значительному расходу топлива. Кроме того, тяжелые двигатели внутреннего сгорания труднее обслуживать.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является преодоление перечисленных выше недостатков путем создания легкого и компактного двигателя внутреннего сгорания с высоким КПД.
Первый аспект изобретения относится к двигателю внутреннего сгорания, который содержит, по меньшей мере, два цилиндра с параллельными продольными осями, причем каждый цилиндр снабжен отверстием и поршнем, выполненным с возможностью поступательного перемещения внутри указанного цилиндра, при этом указанные соответствующие отверстия в указанных цилиндрах обращены друг к другу, указанные поршни имеют кинематическую связь с шатунно-кривошипным механизмом, содержащим:
- разделитель, соединяющий указанные поршни и обеспечивающий поддержание постоянного интервала между указанными поршнями, так что поступательное перемещение одного поршня приводит к такому же поступательному перемещению другого поршня, причем указанные поршни прикреплены к соответствующим плечам указанной разделителя,
- коленчатый вал, установленный с возможностью вращения вокруг оси, находящейся между отверстиями цилиндров и между продольными осями указанных цилиндров, причем указанный коленчатый вал имеет шатунную шейку,
- коромысло, установленное с возможностью вращения вокруг шатунной шейки, содержащее два конца, расположенных с каждой стороны указанной шатунной шейки,
- по меньшей мере один шатун, имеющий первый конец, называемый «верхняя головка'', прикрепленный к разделителю, и второй конец, называемый «нижняя головка'', прикрепленный к одному из концов коромысла.
Термин «прикрепленный'' означает «присоединенный с возможностью вращения».
Благодаря указанным признакам направление поступательного перемещения одного поршня осуществляется другим поршнем. Таким образом, при горении смеси поршни подвергаются по существу осевым усилиям и не создают или почти не создают поперечные усилия в цилиндрах при их скольжении. Трение, возникающее вследствие скольжения поршней в цилиндрах, пренебрежимо мало по сравнению трением, возникающим при скольжении поршней в цилиндрах двигателей, известных из предшествующего уровня техники. В итоге существенно повышается КПД двигателя.
При этом коромысло приспособлено описывать попеременное вращательное движение вокруг шатунной шейки при поступательном перемещении поршней в цилиндрах, так что большой конец шатуна/шатунов описывает некруговую траекторию. Таким образом, скорость прихода каждого поршня в верхнюю мертвую точку и выхода из нее оказывается меньше по сравнению со скоростью в известных двигателях, так что время, в течение которого каждый поршень движется вблизи верхней мертвой точки, сравнительно больше, чем в известных двигателях. Например, когда поршень находится вблизи верхней мертвой точки, он движется на сжатие смеси с давлением от девяноста до ста процентов от максимального давления смеси для поворота коленчатого вала примерно на двадцать пять градусов.
Таким образом, поршень поддерживает высокое давление в камере сгорания достаточно долго для того, чтобы сгорание было практически полным. Соответственно, отработанные газы уже не содержат (или содержат лишь ничтожное количество) несгоревших газов, которые являются источником загрязнения окружающей среды и причиняют вред здоровью человека. Например, этап горения осуществляется при повороте коленчатого вала приблизительно на сто двадцать градусов.
По существу полное сгорание также ведет к выигрышу по КПД двигателя и, таким образом, к уменьшению расхода топлива. При равной мощности количество топлива, требуемое для работы двигателя, меньше в двигателе согласно изобретению, чем в двигателе внутреннего сгорания, известного из предшествующего уровня техники. Например, при равной мощности расход топлива в двигателе согласно изобретению более чем на 60% меньше расхода топлива в известных двигателях.
В частных вариантах осуществления изобретение также имеет следующие признаки, используемые как по отдельности, так и в каждой из их технически работающих комбинаций.
В частных варианта осуществления изобретения плечи разделителя соединены с телом разделителя, имеющим отверстие, через которое способен двигаться коленчатый вал.
Благодаря данным признакам разделитель является более жестким и, следовательно, более приспособленным к возврату усилий, передаваемых поршнями на этапе горения смеси. Кроме того, разделитель более приспособлен к сопротивлению механическим напряжениям, возникающим в результате этих усилий.
Коренная или шатунная шейка коленчатого вала может двигаться через отверстие разделителя в зависимости от конфигурации указанного отверстия.
В частных вариантах осуществления изобретения двигатель внутреннего сгорания содержит два шатуна, соответственно прикрепленных к разделителю своим малым концом и соответственно прикрепленных к одному из концов коромысла своим большим концом.
Малые концы шатунов могут быть соответственно прикреплены к плечам или телу разделителя, предпочтительно в двух соответствующих точках, по существу диаметрально противоположных друг другу по отношению к оси вращения коренных шеек коленчатого вала.
В частных вариантах осуществления изобретения двигатель внутреннего сгорания содержит четыре цилиндра, расположенные попарно и симметрично с каждой стороны срединной плоскости Р, включающей в себя ось вращения коленчатого вала, так что продольная ось цилиндров перпендикулярна плоскости Р.
В частных вариантах осуществления изобретения разделитель содержит четыре плеча, распределенные на две пары, соединенные с каждой стороны тела разделителя.
В частных вариантах осуществления изобретения двигатель внутреннего сгорания содержит два коромысла, установленных с возможностью вращения вокруг шатунной шейки, причем шатун прикреплен своим малым концом к по меньшей мер одному из концов каждого коромысла.
В соответствии с другими признаками двигатель внутреннего сгорания содержит четыре шатуна, соответственно прикрепленных к одному из плеч разделителя своими малыми концами и соответственно прикрепленных к одному из концов коромысла своими большими концами.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения двигатель внутреннего сгорания содержит множество наборов из четырех цилиндров, расположенных рядом друг с другом вдоль оси вращения коленчатого вала таким образом, что поршни каждого набора из четырех цилиндров имеют кинематическую связь с одним и тем же коленчатым валом.
Двигатель внутреннего сгорания в соответствии с различными аспектами изобретения обладает, в особенности, тем преимуществом, что при равной мощности он имеет меньшие размеры и массу за счет вышеуказанного расположения цилиндров и короткой длины коленчатого вала. Например, при равной мощности масса и объем двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению примерно в три раза меньше, чем у двигателя, известного из предшествующего уровня техники.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность изобретения станет более ясной по прочтении нижеследующего описания неограничивающего примера, приводимого со ссылками на чертежи, где:
- фиг. 1: схематический вид первого варианта выполнения двигателя внутреннего сгорания, поршни на середине хода,
- фиг. 2: вид некоторых элементов двигателя внутреннего сгорания с фиг. 1,
- фиг. 3: схематический вид двигателя внутреннего сгорания с фиг. 1, поршни в крайнем положении,
- фиг. 4: вид некоторых элементов двигателя внутреннего сгорания с фиг. 3,
- фиг. 5: схематический вид двигателя внутреннего сгорания по второму варианту осуществления изобретения, поршни показаны на середине хода,
- фиг. 6: вид некоторых элементов отдельно от двигателя внутреннего сгорания с
фиг. 5,
- фиг. 7: схематический вид шатунно-кривошипного механизма двигателя внутреннего сгорания по третьему варианту осуществления изобретения,
- фиг. 8: схематический вид примерного выполнения шатунно-кривошипного механизма двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к двигателю 10 внутреннего сгорания, содержащему цилиндры, в каждом из которых установлен с возможностью скольжения поршень с формированием камеры сгорания, известной специалистам в данной области. Поршни имеют кинематическую связь с шатунно-кривошипным механизмом для передачи вращающего момента, способного приводить в движение, например, подвижное транспортное средство.
В первом варианте осуществления изобретения, проиллюстрированным на фиг. 1-4, двигатель 10 внутреннего сгорания содержит два цилиндра 11, 11', которые располагаются вдоль двух параллельных продольных осей АА' и ВВ', соответственно, при этом каждый снабжен отверстием. Цилиндры 11, 11' не соосны и расположены предпочтительно с каждой стороны и на некотором расстоянии по отношению к срединной плоскости Р, так что их продольные оси АА' и ВВ' перпендикулярны срединной плоскости Р, а соответствующие отверстия обращены друг к другу.
Каждый цилиндр 11, 11' приспособлен под вмещение поршня 12, 12' с возможностью скольжения через его отверстие между двумя крайними положениями, называемыми, соответственно «верхней мертвой точкой'' и «нижней мертвой точкой».
В первом варианте осуществления изобретения шатунно-кривошипный механизм имеет разделитель 13, который соединяет друг с другом поршни 12 и 12'и к которому эти поршни 12 и 12' прикреплены. Разделитель 13 приспособлен поддерживать неизменный интервал между двумя поршнями 12, 12', так чтобы поступательное перемещение одного из поршней 12, 12' вызывало аналогичное перемещение второго поршня. Таким образом, как показано на фиг. 3, когда один из поршней, 12' находится в верхней мертвой точке, второй поршень 12 располагается в нижней мертвой точке, и наоборот.
Как показано на фиг. 2 и 4, разделитель 13 имеет два плеча 131, 131', например, параллельных. Плечи 131, 131' разделителя 13 простираются между первым, так называемым проксимальным концом, посредством которого плечи 131, 131' присоединены к каждой стороне тела 133 разделителя 13, и вторым, так называемым дистальным концом, который находится на расстоянии от тела 133 и к которому присоединен поршень 12, 12'. Предпочтительно соединение каждого поршня 12 и 12' с плечом 131 и 131' характеризуется степенями свободы вращения, например, вдоль двух осей, перпендикулярных продольным осям плеч, для корректировки возможных нарушений параллельности между двумя цилиндрами.
Следует отметить, что поршни не изображены на фиг. 2 и 4. Как показано на фиг. 1 и 3, дистальный конец каждого плеча 131, 131' приспособлен для размещения в цилиндре вместе с поршнем 12, 12', к которому он прикреплен.
Шатунно-кривошипный механизм включает в себя также коленчатый вал 20 с шатунной шейкой 21, расположенной между двумя коренными шейками 22, а также, по меньшей мере, один уравновешивающий груз 23, известный специалистам в данной области техники. Коренные шейки 22 установлен с возможностью вращения например, в подшипниках известного типа.
В показанном на фиг. 2 примере, не имеющем ограничительного характера, в теле 133 разделителя 13 выполнено отверстие 132, предназначенное для вмещения шатунной шейки 21, через которое указанная шейка 21 может двигаться, например, при вращении коленчатого вала 20. Отверстие расположено, например, вдоль продольной оси, перпендикулярной соответствующим продольным осям АА' и ВВ' цилиндров 11 и 11'.
В альтернативном варианте тело 11 разделителя 11 может быть выполнено без отверстия.
Предпочтительно ось вращения коренных шеек 22 коленчатого вала 20 вписана в срединную плоскость Р, причем указанная ось равноудалена от каждой из соответствующих продольных осей АА' и ВВ' цилиндров 11 и 11'.
В состав шатунно-кривошипного механизма входит также, по меньшей мере, один шатун 30, прикрепленный одним из своих концов, называемым «малым концом'' 31, к дистальному концу одного из плеч 131 или 131', а другим концом, называемым «большим концом'' 32 - с коромыслом 40.
В других вариантах шатун 30 может также крепиться своим малым концом 31 к любой точке вдоль плеч 131 или 131'. Данной мерой достигается возможность оптимального расчета длины шатуна, с ограничением тем самым инерционных сил второго порядка.
В соответствии с неограничительным примером, показанным на фиг. 1-4, шатунно-кривошипный механизм содержит два шатуна 30 и 30', прикрепленных своими соответствующим малым концом 31 или 31' к дистальному концу одного из плеч 131 или 131', а своим большим концом 32 или 32' к коромыслу 40. Предпочтительно малые концы 31 и 31' шатунов прикреплены к плечами 131 и 131' в двух соответствующих точках, по существу диаметрально противоположных друг другу по отношению к оси вращения коренных шеек 22.
Как схематически показано на фиг. 1-4, коромысло 40 имеет центральное отверстие, с помощью которого оно установлено с возможностью вращения вокруг шатунной шейки 21, например, посредством подшипника скольжения известного типа. Центр коромысла 40 определен как точка, по отношению к которой любая точка, находящаяся на периферии коромысла, имеет симметричную точку.
Коромысло 40 проходит вдоль продольной оси СС и имеет два конца с каждой стороны шатунной шейки 21.
Предпочтительно каждый из концов коромысла 40 прикреплен к большому концу 32, 32' шатуна таким известным средством как вал, установленный в отверстиях, просверленных, соответственно, в больших концах 32, 32' шатунов 30, 30' и в концах коромысла 40.
Коромысло 40 выполнено так, что оно заставляет каждый большой конец 32, 32' шатуна описывать траекторию, отличную от круговой траектории, описываемой шатунной шейкой 21 коленчатого вала, в процессе работы двигателя 10 внутреннего сгорания. Предпочтительно, если коромысло 40 заставляет каждую нижнюю головку 32 шатуна описывать по существу некруговую траекторию.
Шатуны 32 и 32' и коромысло 40 имеют такие размеры, что когда поршни находятся на полпути, шатуны 30 и 30' по существу параллельными друг другу.
В ходе рабочего цикла двигателя 10 внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению, когда в камере сгорания цилиндра 11 или 11' начинается горение, генерируется толкающее усилие, действующее на поршень 12 или 12', установленный с возможностью скольжения в указанном цилиндре. Указанный поршень затем передает, посредством разделителя 13, часть этого усилия на шатуны 30 и 30'. Шатуны 30 и 30' передают указанные усилия на соответствующие концы коромысла 40, к которым они прикреплены, создавая момент силы, вызывающие вращение указанного коромысла 40 вокруг шатунной шейки 21 и фактически вызывающие вращение шатунной шейки 21 вокруг оси вращения коренных шеек 22. Следует заметить, что усилия, оказываемые шатунами на коромысло, характеризуются, в отношении одного из шатунов, растягивающей силой, действующей на коромысло 40, а для другого рычага - толкающей силой, действующей на коромысло 40.
Расстояние между центром коромысла 40 и осью вращения каждого большого конца 32 шатуна на коромысле 40 представляет собой плечо рычага. Следовательно, величина момента силы, создаваемого на конце коромысла 40, пропорциональна величине этого расстояния.
Данные меры делают возможным уменьшение размеров цилиндров 11, 11' и поршней 12, 12', позволяя при этом коленчатому валу обеспечивать высокий вращающий момент. Таким образом, для вращающего момента определенной величины, обеспечиваемого коленчатым валом, размеры поршней и цилиндров двигателя 10 согласно изобретению меньше, чем в двигателях, известных из предшествующего уровня техники.
Поскольку два поршня 12 и 12' кинематически связаны друг с другом благодаря разделителю 13, толкающее усилие, оказываемое на один из поршней 12 или 12' в процессе горения, передается также частично на второй поршень 12 или 12'. Осевое направление одного из поршней 12 или 12' при его скольжении в цилиндре 11 или 11', с которым он связан, обеспечивается вторым поршнем 12 или 12' при его скольжении в цилиндре 11 или 11', с которым он связан. Таким образом, поршни 12 и 12' подвергаются, по существу, действию осевых усилий и не создают или почти не создают поперечные усилия в цилиндрах 11, 11' при их скольжении. Преимуществом данной меры является существенное уменьшение инерционных сил второго порядка.
Когда поршни 12 и 12' движутся между верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой и наоборот усилия, оказываемые шатунами 30 и 30' на коромысло 40, приводят к тому, что коромысло 40 совершает по существу, круговое поступательное движение вокруг оси вращения коренных шеек 22.
Когда поршень 12 или 12' движется из одного из своих крайних положений в другое, шатун 30 или 30', прикрепленный к плечу 131 или 131', к которому присоединен указанный поршень 12 или 12', поворачивается вокруг своего малого конца 31 или 31' между двумя крайними угловыми положениями, как показано пунктиром на фиг. 2. Каждый шатун 31 и 31' выполнен так, что его большой конец 32 или 32' описывает, в ходе рабочего цикла двигателя, дугу окружности с углом α.
Когда поршни 12 и 12' находятся каждый на полпути между положениями верхней мертвой точки и нижней мертвой точки, продольная ось СС коромысла 40 образует угол р со срединной плоскостью Р, как схематически показано на фиг. 1. Когда же поршни 12 и 12' находятся в положениях верхней мертвой точки и нижней мертвой точки, продольная ось СС параллельна срединной плоскости Р, как показано на фиг. 3.
Коромысло 40, таким образом, претерпевает при перемещении поршней 12 и 12' между двумя крайними положениями попеременное вращательное движение вокруг шатунной шейки 21 на угол β относительно срединной плоскости Р.
Таким образом, коромысло 40 совершает сложное движение, состоящее из кругового поступательного движения вокруг оси вращения коренных шеек 22 и попеременного вращения вокруг шатунной шейки 21.
Преимущество состоит в том, что данное попеременное вращение позволяет поршням 12 и 12' оставаться в течение максимально возможного времени вблизи верхней и нижней мертвых точек.
Таким образом, в процессе работы двигателя 10 внутреннего сгорания, когда поршень 12 или 12' находится в верхней мертвой точке, обеспечивается поддержание указанным поршнем 12 или 12' высокого давления, близкого к максимальному давлению смеси, в течение более длительного времени, чем в известных двигателях. Под высоким давлением, близким к максимальному давлению смеси, понимается давление в пределах от девяноста до ста процентов максимального давления. Максимальным давлением смеси считается такое давление смеси, при котором поршень 12 или 12' находится в верхней мертвой точке. Интервал времени, в течение которого на смесь воздействует высокое давление, соответствует повороту коленчатого вала приблизительно на двадцать пять градусов.
Преимущество состоит в том, что указанный поршень поддерживает в камере сгорания высокое давление достаточно долго для достижения по существу полного сгорания смеси на этапе горения.
Кроме того, данное попеременное вращение коромысла 40 позволяет, в частности, существенно ограничить ускорение поршня 12, 12' из-за наклона шатунов.
Во втором варианте осуществления, как схематически показано на фиг. 5 и 6, двигатель 10 внутреннего сгорания содержит четыре поршня 12, 12', 12'' и 12''', установленных с возможностью скольжения, соответственно, в цилиндры 11, 11', 11'' и 11''', каждый из которых содержит отверстие. Указанные цилиндры расположены парами с каждой стороны срединной плоскости Р', причем продольная ось цилиндров 11, 11', 11'' и 11''' перпендикулярна этой плоскости Р'. Предпочтительно указанные цилиндры располагаются симметрично с каждой стороны и на расстоянии от срединной плоскости Р', так цилиндры 11, 11'' одной пары соосны соответствующим цилиндрам 11', 11''' второй пары, а отверстия в цилиндрах 11, 11'' находятся напротив отверстий в цилиндрах 11', 11'''.
Двигатель 10 внутреннего сгорания по второму варианту снабжен шатунно-кривошипным механизмом, который сходен с механизмом по первому варианту осуществления изобретения, за исключением количества цилиндров и, следовательно, поршней, разделителей и шатунов.
Исходя из соображений равновесия движущихся масс, предпочтительно, если ось вращения коренных шеек 22 коленчатого вала 20 равноудалена от набора цилиндров 11, 11', 11'' и 11''', например, вписана в плоскость Р'.
Четыре поршня 12, 12', 12'' и 12''' кинематически связаны друг с другом посредством разделителя 13, так что движение двух поршней 12 и 12'' или 12' и 12''' одной пары приводит к сходному движению поршней 12 и 12'' или 12' и 12''' другой пары.
Как и в первом варианте осуществления изобретения, пары поршней 12 и 12'', 12' и 12''' прикреплены к разделителю 13 посредством пар плеч 131 и 131', 131'' и 131''' разделителя 13, соединенных с телом 133 разделителя, как показано на фиг. 6. Следует отмесить, что на фиг. 6 поршни не показаны. Пары плеч соединены, соответственно, с каждой стороны тела 133 разделителя так, что продольная ось одного из плеч 131 или 131' одной пары совпадает с продольной осью одного из плеч 131'' или 131''' другой пары. Предпочтительно продольные оси плеч 131 и 131', 131'' и 131''' совмещены, соответственно, с продольными осями цилиндров 11, 11', 11'' и 11'''.
Как схематически показано на фиг. 6, к каждому дистальному концу плеч 131, 131', 131'' и 131'' разделителя прикреплен соответствующий малый конец 31, 31', 31'' и 31''' шатуна 30, 30', 30'' и 30'''. Указанные шатуны 30 и 30' прикреплены своими большими концами 32, 32', соответственно, к одному из коромысел 40, при этом указанные шатуны 30'' и 30''' прикреплены своими большими концами 32'', 32''', соответственно, ко второму коромыслу 40'. Альтернативно каждое коромысло 40, 40' может крепиться, соответственно, к одному шатуну 30 или 30' и 30'' или 30'''. Две пары шатунов образованы, соответственно, шатунами 30 и 30' и шатунами 30'' и 30'''.
Предпочтительно шатуны 30 и 30' и 30'' и 30''' каждой пары диагонально противоположны, как показано на фиг. 3 и 6. Термин «диагонально противоположны» означает, что шатуны каждой пары шатунов связаны, соответственно, с плечами каждой пары плеч, а соответствующие продольные оси плеч, с которыми связаны шатуны одной и той же пары, отстоят друг от друга.
В данном варианта осуществления изобретения два коромысла 40 и 40' установлены с возможностью вращения вокруг шатунной шейки 21. Коромысла 40 и 40' расположены, например, с каждой стороны разделителя 13 на шатунной шейке 21.
Таким образом, когда поршни 12, 12', 12'' и 12''' движутся от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке и обратно, усилия, оказываемые шатунами 30, 30', 30'' и 30''' на каждое из коромысел 40 и 40', приводят к тому, что каждое коромысло совершает по существу круговое поступательное движение вокруг оси вращения коренных шеек 22.
Однако, поскольку каждое коромысло 40 и 40' связано, соответственно, с одной из пар диагонально противоположных шатунов 30 и 30' и 30'' и 30''', коромысла 40 и 40' вынуждены совершать вокруг шатунной шейки 21 попеременное вращательное движение в противоположных направлениях относительно друг друга. Говоря иначе, вращательное движение одного из коромысел 40 или 40' симметрично вращательному движению другого коромысла 40 или 40' в плоскости симметрии, параллельной плоскости Р'. Угол, образуемый продольной осью одного из коромысел 40 или 40' с плоскостью Р, противоположен углу, образуемому продольной осью второго коромысла 40 или 40' с указанной плоскостью Р, по отношению к этой плоскости Р.
Таким образом, как и в первом варианте осуществления изобретения, данное попеременное вращательное движение позволяет большим концам 32, 32', 32'' и 32''' описывать некруговую траекторию при работе двигателя 10 внутреннего сгорания, то есть при вращении коромысел 40 и 40' вокруг оси вращения коренных шеек 22.
В результате во время хода поршней 12, 12', 12'' и 12''' в соответствующих цилиндрах 11, 11', 11'', 11''' эти поршни остаются в верхней мертвой точке достаточно долго для поддержания поршнем высокого давления в камере сгорания достаточно долго для достижения по существу полного сгорания смеси.
Предпочтительно горение может осуществляться одновременно в камерах сгорания каждого цилиндра 11 и 11'' или 11' и 11''' одной и той же пары. Толкающие усилия, создаваемые в процессе горения, передаются поршнями 12 и 12' или 12'' и 12''', входящими в соответствующие цилиндры 11 и 11'' или 11' и 11''' указанной пары на другие поршни 12 и 12' или 12'' и 12''' и включают лишь осевую составляющую. Осевое направление одного из поршней при его скольжении в цилиндре, с которым он связан, обеспечено скольжением других поршней в соответствующих цилиндрах, с которыми они связаны. Таким образом, поршни не создают поперечных усилий. Преимуществом данной меры является существенное уменьшение инерционных силы второго порядка.
В третьем варианте осуществления изобретения двигатель 10 внутреннего сгорания содержит два цилиндра как в описанном выше первом варианте, за исключением того, что они соосны. Как и других вариантах осуществления изобретения, в каждом цилиндре установлен поршень с возможностью скольжения.
Двигатель 10 внутреннего сгорания по третьему варианту включает в себя шатунно-кривошипный механизм как показан на фиг. 7, идентичный механизму по первому варианту, за исключением конфигурации разделителя 13.
Если точнее, как и в первом варианте, поршни кинематически связаны друг с другом посредством плеч 131 и 131' разделителя 13. Однако в данном варианте осуществления изобретения плечи 131 и 131' соосны и располагаются с каждой стороны тела 133 разделителя. Предпочтительно продольные оси плеч 131 и 131', а также ось вращения коренных шеек 22 коленчатого вала 20 вписаны в одну и ту же плоскость М. Данной плоскостью М может быть, например, срединная плоскость разделителя 13.
Малые концы 31 и 31' шатунов 30 и 30' прикреплены, соответственно, к телу 133 разделителя в двух точках, которые по существу диаметрально противоположны друг другу по отношению к оси вращения коренных шеек 22. Шатуны 30 и 30' прикреплены своими соответствующими большими концами 32 и 32' к каждом концу коромысла 40.
Альтернативно первое и второе коромысло 40 и 40' могут установлены с каждой стороны разделителя 13, с возможностью вращения вокруг шатунной шейки 21. Двигатель 10 внутреннего сгорания снабжен, таким образом, двумя парами шатунов, и каждая пара шатунов прикреплена к коромыслу, как описано выше.
В другом варианте осуществления шатунно-кривошипного механизма, как показано на фиг. 8, причем такой механизм реализуем в описанных выше вариантах, разделитель 13 имеет отверстие 132, выполненное таким образом, что одна из коренных шеек 22 коленчатого вала 20 может двигаться через это отверстие 132 при скольжении указанного разделителя 13. Отверстие 132 предпочтительно расположено вдоль продольной оси, параллельной соответствующим продольным осям АА' и ВВ' цилиндров 11 и 11'. Разделитель 13 имеет два плеча 131, 131' согласно одному из рассмотренных ранее вариантов осуществления изобретения, которые присоединены к каждой стороне тела 133 разделителя и на конце каждого из которых прикреплен поршень 12 или 12'.
Шатунно-кривошипный механизм включает в себя также, например, два шатуна 30, 30', прикрепленных своими малыми концами 312, 31' к соответствующим плечам 131, 131' или к телу 11, а своими большими концами 32, 32' к рычагу 40.
Таким образом, как в рабочем цикле вышеописанного двигателя 10 внутреннего сгорания, когда в камере сгорания цилиндра 11 или 11' создается горение, на поршень 12 или 12', установленный со скольжением в указанном цилиндре, оказывается толкающее усилие. Часть этого усилия поршень затем передает, посредством разделителя 13, на шатуны 30, 30'. Затем шатуны 30, 30' передают указанное усилие на концы коромысла 40, к которым они соответственно прикреплены, создавая момент силы, приводящий к вращению указанного коромысла 40 вокруг шатунной шейки 21, и вызывая фактически вращение шатунной шейки 21 вокруг оси вращения коренных шеек 22.
Как и в описанных выше вариантах, один из шатунов 30 или 30' оказывает на коромысло 40 растягивающее усилие, а другой оказывает на коромысло 40 толкающее усилие.
В других вариантах осуществления изобретения, не показанных на фигурах, двигатель 10 внутреннего сгорания может содержать больше или меньше цилиндров, чем двигатель в вышеописанных вариантах. Количество поршней то же, что и количество цилиндров.
В других вариантах осуществления изобретения двигатель 10 внутреннего сгорания содержит наборы из двух или четырех цилиндров, расположенных последовательно и рядом друг с другом вдоль оси вращения коренных шеек, на одном общем коленчатом валу. Двигатель 10 внутреннего сгорания содержит предпочтительно два набора из двух или четырех цилиндров, каждый набор цилиндров имеет с поршнями кинематическую связь с помощью шатунно-кривошипного механизма согласно одному из вышеописанных вариантов осуществления изобретения. Если точнее, коленчатый вал имеет две шатунных шейки, которые расположены, например, под углом сто восемьдесят градусов друг к другу и на каждую из которых насажен с возможностью вращения один или два коромысла. Следует отметить, что одно коромысло предпочтительно прикреплено к двум шатунами и, следовательно, связано с двумя поршнями. Соответственно, количество коромысел равно половине количества цилиндров.
В более общем смысле стоит отметить, что раскрытые выше варианты приведены лишь в качестве примеров, не имеющих ограничительного характера, и возможны другие модификации.
В частности, ничто не мешает комбинировать различные признаки различных вариантов осуществления изобретения, в соответствии с другими примерами.
При этом, хотя шатунно-кривошипный механизм описан здесь применительно к двигателю внутреннего сгорания, он может использоваться и в двигателе, работающем с другим видами энергии, такими как сжатая текучая среда.