ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания.

Существующие четырехтактные поршневые двигатели с одним поршнем в каждом цилиндре, использующие кривошипный механизм (патент №2018009, F02B 75/32, опубл. 15.08.1994. Поршневой двигатель внутреннего сгорания), сложные механизмы перемещения поршня (патент №2027043, F02B 75/32, опубл. 20.01.1995. Двигатель внутреннего сгорания) или поршни сложной формы (авторское свидетельство №1763689, F02B 33/14, опубл. 23.09.1992. Двигатель внутреннего сгорания транспортного средства) имеют клапанный газораспределительный механизм, быстродействие которого ограничено, что в свою очередь ограничивает и скорость вращения двигателя, не позволяя наращивать его мощность за счет увеличения оборотов.

Использование двухтактных циклов в дизельных и карбюраторных двигателях также не позволяет наращивать мощность и обороты, так как полная продувка цилиндра и полное замещение отработанных газов без перерасхода топливовоздушной смеси невозможно.

Наиболее близким к изобретению является двухтактный двигатель внутреннего сгорания, имеющий цилиндр с расположенными в нем двумя поршнями (патент №2009347, F02B 75/32, опубл. 15.03.1994. Двигатель внутреннего сгорания). Этот двигатель состоит из секций, каждая из которых содержит цилиндр с двумя поршнями, приводимыми в движение зубчатыми механизмами. Работа данного двигателя построена таким образом, что впуск и выпуск рабочей среды в цилиндр происходит через прорезанные в стенках цилиндра окна.

По мере выполнения рабочего цикла назначения окон должны меняться, а следовательно, необходим дополнительный газораспределительный механизм, выполняющий эту функцию. Наличие такого механизма, так же как и в случае однопоршневых двигателей, приводит к ограничению скорости работы двигателя, а значит, и вырабатываемой им мощности. Использование в данном двигателе двухтактного цикла работы также снижает его эффективность по сравнению с четырехтактным циклом, несмотря на то, что применение эпициклоидного механизма и сложного движения поршней позволяет немного улучшить условия продувки цилиндра по сравнению с однопоршневым двухтактным двигателем.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в увеличении мощности за счет увеличения оборотов карбюраторного или дизельного двигателя, которое достигается благодаря отказу от газораспределительных механизмов.

Основной отличительной особенностью предложенного двигателя является использование механизма, обеспечивающего движение поршней по траекториям, позволяющим выполнять впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск через окна, прорезанные в стенках цилиндра, не изменяя при этом их назначения, т.е. выполнять четырехтактный рабочий цикл.

Технический результат достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, состоящем из секций, каждая из которых содержит цилиндр с впускным и выпускным окнами и размещенные в нем, образующие единую камеру сгорания поршни, новым является то, что каждая секция содержит планетарный механизм внешнего зацепления, зубчатые колеса которого связывают выходные валы с поршнями посредством кривошипов, водил и шатунов, а разные углы начальной установки кривошипов и водил, задающих движение поршней по траекториям, обеспечивающим четырехтактный рабочий цикл.

Траектории движения поршней описываются суммой синусоидальных функций, имеющих кратные частоты ω и 2ω:

где Х₀₁, Х₀₂ - смещение траекторий относительно нейтрального положения (для правого поршня - положительное, а для левого поршня - отрицательное), А₁, А₂ - амплитуды первой и второй гармоник, определяемые геометрическими параметрами механизма, ϕ₁₁, ϕ₂₁, ϕ₁₂, ϕ₂₂ - начальные фазы гармоник левого и правого поршней, определяемые начальными углами установки кривошипов.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, где изображена кинематическая схема планетарного механизма внешнего зацепления перемещения поршней, и фиг. 2, где изображен цилиндр двигателя и траектории движения поршней с указанием фаз работы двигателя.

Двигатель состоит из секций, каждая из которых содержит цилиндр 1 (фиг. 1), в котором прорезаны окна для впуска топливовоздушной смеси 2 и выпуска отработанных газов 3, со свечой (для карбюраторных двигателей) или форсункой (для дизельных двигателей) 6, в котором движутся поршни 4 и 5, образующие единую камеру сгорания.

Поршни приводятся в движение планетарным механизмом, состоящим из зубчатых колес внешнего зацепления 7 и 8, по которым перекатываются зубчатые колеса 9 и 10, приводимые в движение кривошипами 11, 12. На каждом зубчатом колесе 9 и 10 размещены водила 13, 14, которые через шатуны 15, 16 связаны с поршнями 4 и 5. Соотношение радиусов зубчатых колес 7, 8, 9, 10 определяет соотношение угловых скоростей вращения кривошипов 11, 12 и водил 13, 14 (ω и 2ω в формуле 1). Длины кривошипов 11, 12, водил 13, 14 и шатунов 15, 16 определяют амплитуды и начальные смещения траекторий движения поршней (Х01, Х02, A1, А2 в формуле 1). Углы начальной установки кривошипов и водил (ϕ11, ϕ21, ϕ12, ϕ22 в формуле 1) обеспечивают движение поршней по траекториям а и б, указанным на фиг. 2, обеспечивая необходимые фазы газораспределения.

Цикл работы двигателя состоит из пяти основных этапов (фиг. 2). Двигаясь по цилиндру 1, поршни 4 и 5 на этапе впуска расходятся, увеличивая объем межцилиндрового пространства, при этом открывая через впускное окно 2 доступ для топливовоздушной смеси. Этап сжатия начинается с момента перекрытия поршнем 4 впускного окна 2, после чего межцилиндровое пространство оказывается изолированным, а сближение поршней приводит к повышению давления. Цикл рабочего хода начинается с воспламенения топливовоздушной смеси свечой 6 (в случае карбюраторного двигателя) или впрыска топлива через форсунку 6 (в случае дизельного двигателя). В процессе расхождения поршней повышенное давление в цилиндре позволяет совершить полезную работу, и рабочий ход продолжается до тех пор, пока поршень 5 не откроет доступ из межцилиндрового пространства в выпускное окно 3. Выпуск отработанных газов происходит за счет сближения поршней при открытом доступе к выпускному окну 3. Для повторения рабочего цикла необходимо выполнить переход поршней от выпускного окна к впускному.

Траектории движения а и б поршней 4 и 5 описываются суммой синусоидальных функций, имеющих кратные частоты ω и 2ω:

где X₀₁, Х₀₂ - смещение траекторий относительно нейтрального положения (для правого поршня - положительное, а для левого поршня - отрицательное), А₁, А₂ - амплитуды первой и второй гармоник, определяемые геометрическими параметрами механизма, ϕ₁₁, ϕ₂₁, ϕ₁₂, ϕ₂₂ - начальные фазы гармоник левого и правого поршней, определяемые начальными углами установки кривошипов.

Применение данных двигателей позволит существенно увеличить цилиндровую мощность за счет повышения оборотов, что достигается отказом от газораспределительного механизма и отсутствием необходимости изменения назначения впускных и выпускных окон.