ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению, в частности к производству двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Известен двигатель внутреннего сгорания, имеющий блок двигателя, кривошип, шейка которого приводит в движение управляющий шатун камеры переменного объема, впускное отверстие, выхлопное отверстие. Камера переменного объема образована четырьмя пластинками, которые составляют шарнирный параллелограмм. Одна из осей закреплена на блоке, а другая соединена с шатуном. Пластинки взаимодействуют с боковыми стенками блока. Предусмотрены приспособления для удержания в одной плоскости оси, закрепленной в блоке, оси шатуна и шейки кривошипа (см. Изобретения в СССР и за рубежом (реферативная информация) МКИ F02, Вып.86, №4, 1982 г. - М.: ВНИИПИ, 1982 г., с.32. Заявка Франции №2483518, F02В 75/36, опубл. 4 декабря 1981 г., №49, с.9438). Недостатки двигателя состоят в большом габарите по высоте, наличии шатуна, приспособлений для удержания в одной плоскости осей и шейки кривошипа, что усложняет конструкцию, снижает надежность, увеличивает затраты на изготовление и эксплуатацию.
Известен поршневой двигатель, содержащий корпус с двумя параллельными стенками, каналами подвода и отвода рабочей среды, расположенными в стенках, ось в виде поворотного эксцентрика, установленную перпендикулярно параллельным стенкам, поршень, выполненный в виде шарнирного четырехзвенника с уплотнительными элементами, установленного между параллельными стенками, коленчатый вал, шатун, соединяющий коленчатый вал с одной из вершин четырехзвенника, причем вершина четырехзвенника, противоположная вершине, соединенной с шатуном, установлена на оси, рабочая камера переменного объема образована параллельными стенками и внутренними поверхностями четырехзвенника, размещенного с возможностью перемещения звеньев относительно параллельных стенок, крышки, размещенные между стенками и второй камерой переменного объема, образованной наружными поверхностями четырехзвенника, параллельными стенками и крышками корпуса, перепускные каналы, сообщающими камеры переменного объема (см. AC SU 1733656 А1. Поршневой двигатель. F02В 75/36. Опубл 15.05.92. Бюл. №18). Недостатки двигателя состоят наличии второй камеры переменного объема, перепускных каналов и дополнительного отверстия для впуска горючей смеси во вторую рабочую камеру, что усложняет конструкцию, сохраняет большой габарит двигателя по высоте, увеличивает сопротивление поступлению рабочей смеси.
Известен поршневой двигатель, содержащий корпус, образованный двумя параллельными стенками, каналы подвода и отвода рабочего тела, выходной вал, поршень, выполненный в виде шарнирного четырехзвенника с уплотнительными элементами, одна вершина которого шарнирно связана с осью, а другая - с выходным валом, камеру переменного объема, образованную параллельными стенками и внутренними поверхностями четырехзвенника, размещенного с возможностью перемещения звеньев относительно параллельных стенок, крышку, размещенную между параллельными стенками с образованием камеры переменного объема между наружными поверхностями четырехзвенного поршня и кромкой, ось, выполненную в виде поворотного эксцентрика, а выходной вал - с эксцентриситетом в виде диска, причем камеры переменного объема сообщены при помощи перепускных каналов (см. патент RU №2009348 С1. Поршневой двигатель. F02В 75/32. Опубл. 15.03.94. Бюл. №5). Недостатки поршневого двигателя состоят в работе по двухтактному циклу, наличии второй камеры переменного объема и перепускных каналов, сообщающих камеры переменного объема, что усложняет его конструкцию, увеличивает сопротивление поступлению рабочей смеси и снижает мощность.
Известен золотниковый механизм газораспределения двигателя внутреннего сгорания с головкой цилиндра, снабженной окнами впуска и выпуска, содержащий цилиндрический золотник с выпускным и выпускным сквозными диаметральными каналами, установленный в головке цилиндра на подшипниках, и уплотнители впускного и выпускного каналов золотника, размещенные в головке цилиндров соосно с окнами и выполненные в виде ступенчатых подпружиненных втулок с осевыми каналами, соосными соответствующим окнам головки цилиндров, причем уплотнители размещены со стороны золотника, противоположной камере сгорания, снабжен двумя на каждый канал глухими уплотнителями, контактирующими с золотником и выполненными виде подпружиненных колодок, расположенных в головке цилиндров перпендикулярно уплотнителям каналов золотника (см. AC SU №1300160 А1. Золотниковый механизм газораспределения. F01L 7/02. Опубл. 30.03.87. Бюл. №12). Недостаток золотникового газораспределительного механизма (ГРМ) состоит в сложности его конструкцию (наличии подшипников, уплотнителей, втулок, пружин, привода в виде звездочки для связи с коленчатым валом и т.д.), что снижает его надежность, увеличивает затраты на его изготовление и эксплуатацию.
Известен четырехтактный поршневой ДВС, содержащий картер цилиндрической формы, вал коленчатый с круглыми щеками, не менее чем одну пару шатунов, соединенных непосредственно с шатунной шейкой вала коленчатого, или когда один из каждой пары шатунов, называемый прицепной, шарнирно соединен с другим главным шатуном, соединенным с шатунной шейкой, головку с впускным и выпускным клапанами, свечой зажигания или форсункой у дизеля. Количество головок с клапанами, свечой зажигания или форсунок у дизеля равно количеству пар шатунов, головки размещены внутри картера симметрично относительно его внутренней образующей между щек вала коленчатого. К каждому из каждой пары шатунов шарнирно присоединено по одному коромыслу, имеющему кинематическую связь с соответствующей головкой, так, что клапаны и свеча зажигания или форсунка у дизеля находятся между шарнирами. Ширина каждого шатуна, коромысла и длина головки равна расстоянию между щеками вала коленчатого, а суммарная длина шатунов в каждой паре равна или меньше суммарной длины присоединенных к ним коромысел и ширины головки (см. патент RU №2300002 С1. Двигатель внутреннего сгорания. F02В 75/36. Опубл. 27.05.2007. Бюл. №15).
Недостаток двигателя состоит в наличии клапанного ГРМ, что увеличивает его массу, требует дополнительного привода клапанов, создает повышенный шум, нарушает фазы газораспределения при увеличении частоты вращения из-за деформации его деталей, увеличивает сопротивление на впуске и выпуске, снижает литровую мощность, не позволяет форсировать по частоте вращения вала и увеличивает удельный расход топлива.
Однако конструкция двигателя может быть улучшена применением золотникового газораспределительного механизма без специального привода.
Техническая задача создания двигателя с золотниковым газораспределительным механизмом без специального его привода состоит в размещении в каждой головке с правой стороны впускного канала, выходящего на шарнир правого коромысла в головке, а с левой стороны - головки выпускного канала, выходящего на шарнир левого коромысла в головке. Шарнир правого коромысла в каждой головке содержит впускной канал для впуска горючей смеси или воздуха у дизеля из атмосферы через впускной канал головки в рабочую полость, а шарнир левого коромысла в каждой головке содержит выпускной канал для выпуска отработавших газов из рабочей полости в атмосферу.
Поворот впускного канала вместе с шарниром правого коромысла в каждой головке по часовой стрелке или против часовой стрелки и поворот выпускного канала вместе с шарниром левого коромысла в каждой головке по часовой стрелке или против часовой стрелки однозначно согласован с углом поворота вала коленчатого в течение каждого его оборота. Шарнир правого коромысла в головке с впускным каналом является впускным золотником золотникового ГРМ двигателя. Шарнир левого коромысла в головке с выпускным каналом является выпускным золотником золотникового ГРМ двигателя. Согласованный поворот шарниров коромысел с впускным и выпускным каналами (золотников) позволяет обеспечить своевременное протекание фаз газораспределения двигателя, упростить его конструкцию, снизить шум и расход топлива, форсировать по частоте вращения и литровой мощности.
Таким образом, двигатель внутреннего сгорания, содержащий картер цилиндрической формы, вал коленчатый с круглыми щеками, не менее чем одну пару шатунов, соединенных непосредственно с шатунной шейкой вала коленчатого, или когда один из каждой пары шатунов, называемый прицепной, шарнирно соединен с другим главным шатуном, соединенным с шатунной шейкой, головку с впускным и выпускным каналами, свечой зажигания или форсункой у дизеля, причем количество головок с каналами, свечей зажигания или форсунок у дизеля равно количеству пар шатунов, головки размещены внутри картера симметрично относительно его внутренней образующей между щек вала коленчатого, к каждому из каждой пары шатунов шарнирно присоединено по одному коромыслу, имеющему кинематическую связь с соответствующей головкой так, что свеча зажигания или форсунка у дизеля находятся между шарнирами, ширина каждого шатуна, коромысла и длина головки равна расстоянию между щеками вала коленчатого, отличается тем, что каждая головка справа имеет впускной канал, выходящий на шарнир правого коромысла в головке, а слева имеет выпускной канал, выходящий на шарнир левого коромысла в головке, шарнир правого коромысла в каждой головке имеет впускной канал для впуска горючей смеси или воздуха у дизеля из атмосферы в рабочую полость, а шарнир левого коромысла в каждой головке имеет выпускной канал для выпуска отработавших газов из рабочей полости в атмосферу, суммарная длина шатунов между осями их шарниров в каждой паре не превышает суммарной длины между осями шарниров присоединенных к ним коромысел и расстояния между осями шарниров коромысел в головке.
Конструкция предлагаемого двигателя поясняется фиг.1-8.
На фиг.1 приведена кинематическая схема предлагаемого двигателя с одной полостью для протекания четырехтактного рабочего цикла в исходном положении, соответствующем началу такта «впуск».
На фиг.2 приведена кинематическая схема предлагаемого двигателя с одной полостью для протекания четырехтактного рабочего цикла после поворота вала коленчатого от исходного положения на четверть оборота.
На фиг.3 приведена кинематическая схема предлагаемого двигателя с одной полостью для протекания четырехтактного рабочего цикла после поворота вала коленчатого от исходного положения на половину оборота.
На фиг.4 приведена кинематическая схема предлагаемого двигателя с одной полостью для протекания четырехтактного рабочего цикла после поворота вала коленчатого от исходного положения на три четверти оборота.
На фиг.5 приведена схема золотникового ГРМ двигателя в исходном положении.
На фиг.6 приведена схема золотникового ГРМ двигателя после поворота вала коленчатого от исходного положения на первую четверть оборота.
На фиг.7 приведена схема золотникового ГРМ двигателя после поворота вала коленчатого от исходного положения на две четверти оборота.
На фиг.8 приведена схема золотникового ГРМ двигателя после поворота вала коленчатого от исходного положения на три четверти оборота.
Где: 1 - картер, 2 - головка, 3 - щека вала коленчатого, 4 - крышка торцовая, 5 - впускной канал головки, 6 - свеча зажигания (форсунка у дизеля), 7 - выпускной канал головки, 8 - полость для протекания четырехтактного рабочего цикла, 9 - впускной канал шарнира А, 10 - выпускной канал шарнира Е: О - ось вращения вала коленчатого, К - шарнир шатунной шейки вала коленчатого (кривошипа), АБ, ДЕ - коромысла, ДК и БК - шатуны. А, Б, Д, Е, К - шарниры.
Двигатель содержит неподвижный картер 1 цилиндрической формы, внутри которого размещена головка 2 со свечой 6 зажигания или форсункой у дизеля и соосно установлен вал коленчатый с двумя круглыми щеками 3 и шатунной шейкой с шарниром К, имеющий ось О вращения (фиг.1). Картер 1 с двух сторон закрыт двумя торцовыми крышками 4, служащими опорой валу коленчатому. Между щек 3 вала коленчатого установлены шатуны БК, ДК, шарнирно соединенные с шатунной шейкой с шарниром К. К шарниру Б шатуна БК шарнирно присоединено коромысло АБ, к шарниру Д шатуна ДК присоединено коромысло ДЕ. Коромысло АБ шарниром А, а коромысло ДЕ шарниром Е присоединено к головке 2. Шарнир А содержит впускной канал 9, шарнир Е содержит выпускной канал 10 (фиг.5). Суммарная длина шатунов между осями их шарниров в каждой паре не превышает суммарной длины между осями шарниров присоединенных к ним коромысел и расстояния между осями шарниров коромысел в головке. Между шарнирами А и Е в головке 2 размещена свеча 6 зажигания бензинового двигателя или форсунка дизеля. Ширина шатунов БК, ДК, коромысел АБ, ДЕ и длина головки 2 равна расстоянию между щеками 3 вала коленчатого. Внутренние поверхности шатунов БК и ДК, коромысел АБ и ДЕ, головки 2 и щек 3 вала коленчатого образуют замкнутую полость 8 для протекания четырехтактного рабочего цикла. Объем полости 8 циклически изменяется в течение одного оборота вала коленчатого. Головка 2 с правой стороны содержит впускной канал 5, выходящий на шарнир А с впускным каналом 9 (фиг.5). Головка 2 с левой стороны содержит выпускной канал 7, выходящий на шарнир Е с выпускным каналом 10. Шарнир А с впускным каналом 9 совершает качающиеся движения относительно своей оси по часовой стрелке и против часовой стрелки, открывает и закрывает впускной канал 5 в головке 2 и обеспечивает своевременность начала и окончания такта «впуск». Шарнир Е с выпускным каналом 10 совершает качающиеся движения относительно своей оси по часовой стрелке и против часовой стрелки, открывает и закрывает выпускной канал 7 головки 2 и обеспечивает своевременность начала и окончания такта «выпуск».
В исходном положении головка 2 двигателя расположена внутри картера 1 вверху, а шатунная шейка с шарниром К, по отношению к головке 2, относительно оси О вращения вала коленчатого повернута на 180° вертикально вниз (фиг.1). Шатуны БК, ДК и коромысла АБ, ДЕ расположены вертикально, сближены и образуют полость 8 минимального объема. Впускной канал 9 шарнира А совмещен с впускным каналом 5 головки 2, а выпускной канал 10 шарнира Е совмещен с выпускным каналом 7 головки 2 (фиг.5). Полость 8 в исходном положении сообщена с атмосферой через впускной канал 9 шарнира А и впускной канал S головки 2 и одновременно через выпускной канал 10 шарнира Е и выпускной канал 7 головки 2. Это обеспечивает поступление в объем полости 8 свежей горючей смеси или воздушного заряда у дизеля, вентиляцию ее объема и удаление из нее оставшихся отработавших газов в атмосферу.
При повороте вала коленчатого от исходного положения по часовой стрелке коромысло АБ с шарниром А и впускным каналом 9 остается неподвижным в течение первой четверти оборота (фиг.2, фиг.6). Полость 8 в течение первой четверти оборота через впускной канал 9 шарнира А коромысла АБ и впускной канал 5 головки 2 сообщена с атмосферой. Коромысло ДЕ с шарниром Е и выпускным каналом 10 поворачивается по часовой стрелке, и при некотором угле поворота выпускной канал 10 шарнира Е выйдет из зоны выпускного канала 7 головки 2. Шарнир Е перекроет выпускной канал 7 головки 2, разъединит полость 8 с атмосферой и прекратит такт «выпуск» прежнего четырехтактного рабочего цикла. Поворот коромысла ДЕ относительно оси шарнира Е по часовой стрелке увеличивает объем полости 8, в ней создается разрежение, что обеспечивает поступление в ее объем через впускной канал 5 головки 2 и совмещенный с ним впускной канал 9 шарнира А горючей смеси или воздуха у дизеля и начало протекания такта «впуск» нового четырехтактного рабочего цикла. При повороте вала коленчатого от исходного положения до четверти оборота объем полости 8 увеличится до максимального значения, что обеспечивает его заполнение горючей смесью или воздухом у дизеля.
При повороте вала коленчатого на вторую четверть оборота коромысло ДЕ с шарниром Е и выпускным каналом 10 относительно оси шарнира Е останавливается на вторую четверть оборота (фиг.3, фиг.7). Шарнир Е перекрывает выпускной канал 7 головки 2 и изолирует объем полости 8 от атмосферы. Коромысло АБ с шарниром А и впускным каналом 9 относительно оси шарнира А поворачивается против часовой стрелки. Шарнир А начинает перекрывать впускной канал 5 головки 2. Горючая смесь под действием сил инерции поступает в полость 8 через уменьшающееся проходное сечение между впускным каналом 5 головки 2 и впускным каналом 9 шарнира А, что обеспечивает ее подзарядку. При определенном угле поворота вала коленчатого шарниром А перекрывают впускной канал 5 головки 2, подзарядку полости 8 прекращают, ее изолирует от атмосферы и завершают в ней такт «впуск» четырехтактного рабочего цикла.
При повороте вала коленчатого от четверти оборота до половины оборота объем полости 8 уменьшается от максимального до минимального значения, что обеспечивает протекание в ней такта «сжатие» четырехтактного рабочего цикла за вторую четверть оборота (фиг.3). При некотором угле до завершения второй четверти оборота вала коленчатого свеча 6 зажигания воспламеняет горючую смесь в полости 8, а у дизеля форсунка впрыскивает в нее топливо.
Сгорание топлива в полости 8 приводит к увеличению в ней давления. Газы давят на внутренние поверхности шатунов БК и ДК, а через них на шатунную шейку с шарниром К вала коленчатого. При повороте вала коленчатого от начального положения на угол более половины оборота равнодействующая сила от давления газов, действующая на шатунную шейку с шарниром К, относительно оси О ее вращения образует плечо, что вызывает появление на коленчатом вале вращающего момента результирующей силы. Под действием вращающего момента вал коленчатый поворачивается на третью четверть оборота. В третьей четверти оборота вала коленчатого тепловая энергия продуктов сгорания топлива преобразуется в крутящий момент двигателя.
При повороте вала коленчатого на третью четверть оборота правое коромысло АБ с шарниром А и впускным каналом 9 относительно оси шарнира А останавливается на третью четверть оборота (фиг.4, фиг.8). Левое коромысло ДЕ с шарниром Б и выпускным каналом 10 относительно оси шарнира Е поворачивается против часовой стрелки, что увеличивает объем полости 8 от минимального значения до максимального значения и обеспечивает протекание в ней такта «расширение» четырехтактного рабочего цикла за третью четверть оборота вала коленчатого.
Поворотом шарнира Е относительно своей оси против часовой стрелки за некоторый угол до завершения третьей четверти оборота вала коленчатого соединяют рабочую полость 8 через свой выпускной канал 10 и выпускной канал 7 головки 2 с атмосферой (фиг.4, фиг.8). Сообщение полости 8 с атмосферой через выпускные каналы 7 и 10 обеспечивает начало протекание в ней такта «выпуск» четырехтактного рабочего цикла. Отработавшие газы, находящиеся в полости 8 под избыточным давлением, через выпускной канал 10 шарнира Е и выпускной канал 7 головки 2 выбрасываются в атмосферу.
При повороте вала коленчатого на угол от три четверти оборота до завершения полного оборота коромысло ДЕ с шарниром Е и выпускным каналом 10 относительно оси шарнира Е остается неподвижным в течение четвертой четверти оборота (фиг.1, фиг.5). В течение четвертой четверти оборота вала коленчатого выпускной канал 10 шарнира Е через выпускной канал 7 головки 2 сообщает полость 8 с атмосферой и обеспечивает протекание такта «выпуск» четырехтактного рабочего цикла. Коромысло АБ с шарниром А и впускным каналом 9 относительно оси шарнира А поворачивается по часовой стрелке, что уменьшает объем полости 8 от максимального значения до минимального значения, обеспечивает принудительное выталкивание оставшихся в ней отработавших газов через выпускной канал 10 шарнира Е, выпускной канал 7 головки 2 в атмосферу и протекание такта «выпуск» четырехтактного рабочего цикла.
Вблизи завершения полного оборота вала коленчатого поворот коромысла АБ с шарниром А и впускным каналом 9 относительно оси шарнира А по часовой стрелке приводит к совмещению впускного канала 9 шарнира А с впускным каналом 5 головки 2, что обеспечивает сообщение полости 8 с атмосферой и начало протекание такта «впуск» следующего рабочего цикла (фиг.1, фиг.5).
Поворотом вала коленчатого от исходного положения по ходу часовой стрелки на некоторый угол второго оборота шарнир Е поворачивают по часовой стрелке, им закрывают выпускной канал 7 головки 2, завершают такт «выпуск» данного рабочего цикла и обеспечивают продолжение такта «впуск» следующего четырехтактного рабочего цикла.
Преимущества предлагаемого двигателя:
- в качестве золотников ГРМ использованы шарниры коромысел в головке;
- каналы для впуска горючей смеси или воздуха у дизеля и выпуска отработавших газов выполнены в шарнирах коромысел, размещенных в головке;
- поворот каждого коромысла с шарниром и размещенным в кем каналом относительно оси шарнира в головке использован в качестве привода каждого золотника ГРМ;
- уменьшено количество деталей ГРМ и двигателя:
- упрощена конструкция ГРМ и двигателя;
- уменьшена масса деталей ГРМ и двигателя;
- золотники ГРМ совершают качающееся движение;
- уменьшено сопротивление ГРМ на впуске и выпуске;
- уменьшены потери мощности двигателя на впуск, выпуск и привод ГРМ;
- увеличена эффективная мощность двигателя;
- уменьшен удельный расход топлива;
- уменьшен шум двигателя;
- создана возможность форсирования двигателя по частоте вращения;
- создана возможность форсирования двигателя по литровой мощности.