EA027228B1

EA027228B1 - Двигатель внутреннего сгорания

Info

Publication number: EA027228B1
Application number: EA201071091A
Authority: EA
Inventors: Антар Даук
Original assignee: Антар Даук
Priority date: 2008-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2017-07-31
Also published as: BRPI0909495B1; ZA201007307B; EP2279332A2; CN102016230A; US20140130780A1; ES2641739T3; JP2011514479A; KR20100135259A; ES2526866T3; US20110036330A1; BRPI0909495A2; EP2279332B1; KR101633522B1; CN102016230B; JP5706311B2; IL208148A; WO2009122087A3; EA201071091A1; EP2669470A1; EP2669470B1

Abstract

Изобретение относится к двигателю (1) внутреннего сгорания, содержащему камеру (3), выполненную с возможностью принимать рабочую текучую среду, первый поршень (4), ограничивающий объем камеры (3), первый проход (5), выполненный в первом поршне (4) для подачи в камеру (3) рабочей текучей среды и/или для удаления из камеры (3) текучей среды, сгоревшей в результате сгорания рабочей текучей среды, первый клапан (6), установленный на первом поршне (4) для управления открытием и закрытием первого прохода (5), выходной вал (8), взаимодействующий с первым поршнем (4) для преобразования возвратно-поступательного движения первого поршня (4) во вращательное движение выходного вала (8), отличающемуся тем, что выходной вал (8) и первый клапан (6) взаимодействуют для преобразования вращательного движения выходного вала (8) в движение первого клапана (6).

Description

Настоящее изобретение относится к общей технической области двигателей и, в частности, к двигателям внутреннего сгорания, преобразующим тепловую энергию, получаемую посредством сгорания рабочей текучей среды внутри двигателя, в механическую энергию, которая может использоваться, например, для передвижения транспортных средств (таких как автомобили, мотоциклы, летательные аппараты или суда), для привода машин (промышленных или сельскохозяйственных) или для подачи механической энергии в устройства преобразования энергии типа электрогенераторов.

Более конкретно изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания, содержащему, с одной стороны, камеру, выполненную с возможностью приема рабочей текучей среды, подлежащей сгоранию в этой камере, и с другой стороны, первый поршень, который способствует ограничению объема камеры.

Предшествующий уровень техники

Двигатели внутреннего сгорания известны с давних пор и широко распространены, поскольку ими оснащено подавляющее большинство автомобилей, которые являются лишь одним упомянутым видом силовых установок с двигателями.

Наиболее широко распространены четырехтактные двигатели, в которых осуществляется термодинамический цикл, по существу, соответствующий теоретическому термодинамическому циклу, называемому циклом Бо-де-Роша и хорошо известному в данной области.

Конструкция этих известных четырехтактных двигателей основана на использовании цилиндра, который закрыт в своей верхней части головкой цилиндра.

Цилиндр и головка образуют камеру сгорания, объем которой регулируется ходом поршня, совершающего в цилиндре возвратно-поступательное скольжение под действием изменения давления в результате циклов сгорания в камере сгорания. Поршень соединен с коленчатым валом с помощью шатуна для преобразования прямолинейного движения поршня во вращение коленчатого вала. Головка цилиндра предназначена для установки клапанов впуска и выпуска, которые обеспечивают возможность соответственно впуска в камеру горючей текучей среды (горючей газовоздушной смеси) и выпуска из камеры газов сгорания, образующихся вследствие быстрого сгорания (или воспламенения) этой текучей среды. Движение клапанов относительно головки управляется синхронизированным образом одним или несколькими кулачковыми валами, приводимыми коленчатым валом, например, посредством цепной или зубчатой передачи.

Эта известная конструкция двигателя в целом удовлетворительна, однако имеет некоторые серьезные недостатки.

Во-первых, наличие установленной на цилиндре головки создает проблему надежности, в особенности на уровне уплотнения между головкой и цилиндром. Кроме того, использование головки цилиндра и соответствующего уплотнения вынужденно ограничивает степень сжатия двигателя, поскольку высокая или очень высокая степень сжатия может вызывать повреждение уплотнения головки цилиндра. Кроме того, в этих известных двигателях используется относительно тяжелая и сложная кинематическая трансмиссия для передачи усилия между коленчатым валом, кулачковым валом (который обычно выполнен консольным) и клапанами. Очевидно, что она представляет собой потенциальный источник неполадок и энергетических потерь и не способствует повышению надежности и снижению затрат.

В целом в этих известных двигателях используется большое число движущихся компонентов, что создает значительную движущуюся массу, которая дополнительно усложняет проблемы эффективности и надежности. Кроме того, конструкция известных двигателей создает относительные ограничения в отношении проходных сечений впуска и выпуска вследствие того, что клапаны встроены в головку цилиндра. И наконец, эти известные двигатели относительно тяжелы и громоздки, что создает проблемы при их установке в транспортном средстве, особенно в легковом автомобиле.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание нового двигателя, имеющего простую, эффективную и надежную конструкцию.

Другой задачей изобретения является создание нового двигателя, в котором используется минимальное число движущихся частей, что обеспечивает его особую надежность и небольшие размеры, особенно по высоте и ширине.

Другой задачей изобретения является создание нового двигателя с использованием механической связи между поршнями и выходным валом, которая, будучи особенно простой, эффективной и надежной, дополнительно позволяет легко и быстро регулировать рабочие характеристики двигателя.

Другой задачей изобретения является создание нового двигателя, в котором используется минимальная движущая масса и обеспечивается возможность выполнения значительных проходных сечений впуска и/или выхлопа.

Другой задачей изобретения является создание особенно компактного нового двигателя, в котором устранены передача усилия между смещенными осями и смещенные компоненты трансмиссии.

Другой задачей изобретения является создание нового двигателя, способного особенно эффективно осуществлять такты впуска и выхлопа.

Другой задачей изобретения является создание нового двигателя с использованием минимального

- 1 027228 числа различных деталей.

В соответствии с изобретением решение поставленных задач достигается в двигателе внутреннего сгорания, содержащем камеру, выполненную с возможностью принимать рабочую текучую среду, предназначенную для сгорания внутри этой камеры; первый поршень, который участвует в ограничении объема камеры; первый проход, выполненный в первом поршне для сообщения внутренней полости камеры с внешним окружением, причем этот первый проход предназначен для подачи в камеру рабочей текучей среды и/или для удаления из камеры текучей среды, сгоревшей в результате сгорания рабочей текучей среды; первый клапан, установленный на первом поршне для управления открытием и закрытием первого прохода; и выходной вал, установленный коаксиально первому поршню, причем выходной вал и первый поршень взаимодействуют для преобразования движения первого поршня во вращательное движение выходного вала, отличающемся тем, что выходной вал и первый клапан взаимодействуют для преобразования вращательного движения выходного вала в движение первого клапана относительно первого поршня.

Другие задачи и преимущества изобретения будут ясны из последующего подробного описания не являющихся ограничительными примеров осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.

Перечень фигур, чертежей и иных материалов

На чертежах:

фиг. 1 изображает на виде сбоку с частичным разрезом четырехтактный двигатель по изобретению; фиг. 2 изображает на другом виде сбоку с частичным разрезом двигатель по фиг. 1; фиг. 3 изображает на виде сбоку в разрезе двигатель по фиг. 1 и 2 в ходе первого такта (впуск); фиг. 4 изображает на виде сбоку в разрезе двигатель по предыдущим чертежам в конце первого такта;

фиг. 5 изображает на виде сбоку в разрезе двигатель по предыдущим чертежам в ходе второго такта (сжатие);

фиг. 6 изображает на виде сбоку в разрезе двигатель по предыдущим чертежам в ходе первой фазы (воспламенение) третьего такта;

фиг. 7 изображает на виде сбоку в разрезе двигатель по предыдущим чертежам в ходе второй фазы (расширение) третьего такта;

фиг. 8 изображает на виде сбоку в разрезе двигатель по предыдущим чертежам в конце расширения, когда поршни находятся в положении, называемом нижней мертвой точкой;

фиг. 9 изображает на виде сбоку в разрезе двигатель по предыдущим чертежам в начале четвертого такта (выхлоп);

фиг. 10 изображает на виде сбоку в разрезе двигатель по предыдущим чертежам в конце выхлопа; фиг. 11 изображает на виде сбоку в разрезе механическую связь между выходным валом и поршнем в двигателе по предыдущим чертежам;

фиг. 12 изображает на виде в перспективе деталь выходного вала двигателя по предыдущим чертежам;

фиг. 13 и 14 изображают на виде в перспективе деталь поршня, используемого в двигателе по предыдущим чертежам;

фиг. 15 изображает на виде в перспективе клапан, используемый в двигателе по предыдущим чертежам;

фиг. 16 изображает на виде в перспективе единый блок, образованный при установке клапана по фиг. 15 в поршнях по фиг. 13 и 14.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Изобретение относится к двигателю, т.е. к устройству, способному совершать механическую работу, которая может использоваться, в частности, для передвижения транспортного средства, такого как автомобиль, мотоцикл, летательный аппарат или судно, или для привода машины (станка, строительной машины, сельскохозяйственной машины, насоса, компрессора) или устройства преобразования энергии, такого как генератор.

Двигатель 1 по изобретению является двигателем внутреннего сгорания, т.е. двигателем, способным создавать механическую энергию в результате сгорания в нем рабочей текучей среды, содержащей топливо, например топливо на основе углеводорода, такое как бензин. Известным образом двигатель 1 по изобретению содержит камеру 3, которая образует камеру сгорания и для этого выполнена с возможностью приема рабочей текучей среды, подлежащей сгоранию в этой камере 3. Таким образом, рабочая текучая среда является горючей текучей средой и предпочтительно образована газом, состоящим из смеси воздуха и распыленного топлива. Этот газ предназначен для быстрого сгорания, точнее взрыва (и еще точнее воспламенения) внутри камеры 3. Как было указано выше, топливо может представлять собой производное нефти, однако изобретение никоим образом не ограничено конкретным видом рабочей текучей среды.

Для образования камеры 3 двигатель 1 предпочтительно содержит цилиндр 2, который, как это показано на чертежах, может иметь форму полой трубы, предпочтительно прямой с осью Х-Х' продольной

- 2 027228 протяженности (далее - продольная ось). Как показано на чертежах, предпочтительно цилиндр 2 имеет, по существу, круглое поперечное сечение. Однако в рамках изобретения вполне возможно отличное от круглого поперечное сечение цилиндра 2, например многоугольное. В показанном на чертежах примере выполнения внутренняя стенка 20 цилиндра 2 участвует в ограничении камеры 3. Для выдерживания тепловых и механических напряжений вследствие сгорания рабочей текучей среды в камере 3 цилиндр 2 изготовлен из материала, имеющего высокую тепловую и механическую прочность, например, такого как металлический материал типа чугуна или алюминиевого сплава.

Двигатель 1 по изобретению содержит также, по меньшей мере, первый поршень 4, который участвует в ограничении объема камеры 3. В показанном на чертежах примере осуществления первый поршень 4 выполнен с возможностью возвратно-поступательного движения в цилиндре 2 под действием изменения давления в камере 3, причем, как это известно само по себе, это изменение давления создается циклами сгорания рабочей текучей среды в камере 3. Первый поршень 4 помещен внутри цилиндра 2 и герметично примыкает к внутренней стенке 20 цилиндра 2 с возможностью скольжения в цилиндре 2 вдоль оси Х-Х', оставаясь в постоянном плотном контакте с внутренней стенкой 20 цилиндра 2. Плотный контакт между первым поршнем 4 и внутренней стенкой 20 цилиндра 2 может обеспечиваться любыми средствами, известными специалисту в данной области, путем использования известных и проверенных технических решений уровня техники.

Первый поршень 4 снабжен головкой 4А, которая участвует в ограничении камеры 3. Предпочтительно головка 4А имеет поперечное сечение, ответное внутреннему поперечному сечению цилиндра 2. Предпочтительно это поперечное сечение является круглым, как показано в примерах выполнения по чертежам. Далее, первый поршень содержит юбку 4В, которая отходит от периферии головки 4А. Первый поршень 4 имеет ось Υ-Υ' продольной протяженности (далее - продольная ось), которая соответствует оси симметрии поперечного сечения головки 4А поршня. Предпочтительно продольная ось Υ-Υ' совпадает с продольной осью Х-Х' цилиндра 2, когда поршень 4 помещен в рабочем положении внутри цилиндра 2, как показано на фиг. 1-10. Согласно показанному на чертежах предпочтительному примеру выполнения первый поршень 4 предназначен для скольжения в цилиндре 2 при строго поступательном осевом движении. Это означает, что первый поршень 4 направляется относительно цилиндра 2 исключительно для поступательного осевого движения параллельно оси Х-Х' без поворота первого поршня 4 вокруг себя. Другими словами, в данном случае первый поршень 4 механически связан с цилиндром 2 скользящей связью. Такое осевое направление первого поршня 4 для строго поступательного движения в цилиндре 2 позволяет уменьшить не только проблемы вибрации и преждевременного износа поршня от контакта с рубашкой цилиндра, как это имеет место в двигателях уровня техники, но также проблемы потерь усилия, имеющиеся в известных двигателях. Эти проблемы возникают, по существу, из-за того, что в известных решениях поршни направляются в цилиндре не непосредственно, а косвенным образом, с помощью штока, который в процессе движения поршня под нагрузкой перемещается со смещением от оси. Само собой разумеется, что специалисту в данной области известно множество технических возможностей для осуществления такой связи скольжения между поршнем 4 и цилиндром 2. В показанном на чертежах примере выполнения эта связь скольжения, которая позволяет поршню 4 скользить в цилиндре 2, по существу, при строго поступательном прямолинейном движении, реализована посредством взаимодействия по меньшей мере одного ползуна 4С, установленного на первом поршне 4, и соответствующей направляющей 2А, которая организована в цилиндре 2 и проходит, по существу, параллельно продольной оси Х-Х' цилиндра 2. Предпочтительно для того, чтобы обеспечить уравновешенное направление первого поршня 4 относительно цилиндра 2, первый поршень 4 снабжен двумя ползунами, расположенными диаметрально противоположно на поршне по отношению к его продольной оси Υ-Υ'.

Для улучшения контакта скольжения/направления в целях снижения трения, которое ухудшает КПД двигателя, каждый ползун предпочтительно содержит ролик 40С, установленный с возможностью вращения на оси 400С, которая установлена в поперечном сквозном отверстии 40В в юбке 4В таким образом, что ось 400С проходит, по существу, радиально относительно продольной оси Υ-Υ' поршня 4. В целях наглядности на чертежах не показан второй ползун и не видно монтажное отверстие 41В в юбке 4В для установки второго ползуна. Каждый ролик 40С предназначен для качения в соответствующей направляющей 2А, которая, как это показано на чертежах, представляет собой прямолинейную канавку, выполненную во внутренней стенке 20 цилиндра 2 напротив соответствующего ролика. Однако изобретение не ограничивается абсолютным образом установкой первого поршня 4 со скользящей связью с цилиндром 2. Так, например, в рамках изобретения вполне возможно, что первый поршень 4 в процессе своего возвратно-поступательного движения поворачивается вокруг своей оси Υ-Υ' таким образом, что движение первого поршня 4 в цилиндре 2 не является чистым осевым поступательным движением, а является поступательным спиральным движением.

Согласно изобретению двигатель 1 содержит первый проход 5, выполненный через первый поршень 4 для сообщения камеры 3 с внешним окружением. Этот первый проход 5 предназначен для подачи в камеру 3 рабочей текучей среды и/или для удаления из камеры текучей среды, сгоревшей в результате сгорания внутри камеры 3. При этом первый проход 5 позволяет передавать текучую среду непосредственно через первый поршень 4 снаружи в камеру 3 и/или из камеры 3 наружу. Таким образом, изобрете- 3 027228 ние основано на идее реализации впуска и/или выпуска через проход, выполненный в самом поршне, а не в установленной на цилиндре головке, как это имеет место в решениях уровня техники. За счет этого изобретение позволяет обойтись без головки цилиндра, что упрощает двигатель и способствует повышению надежности с одновременным снижением затрат. Это позволяет также улучшить КПД благодаря возможности использования очень высоких степеней сжатия за счет отсутствия головки цилиндра и соответствующего уплотнения. Однако использование прикрепленной головки цилиндра не исключается абсолютным образом, и в двигателе по изобретению вполне возможно наличие такой головки цилиндра, хотя это не соответствует предпочтительному примеру осуществления.

В показанном на чертежах примере осуществления головка 4А первого поршня 4 содержит переднюю поверхность 40А, которая образует вершину головки 4А и расположена перпендикулярно оси Υ-Υ'. Передняя поверхность 40А непосредственно образует стенку камеры 3, точнее подвижную стенку, которая перемещается в цилиндре 2 под действием движения первого поршня 4. Первый проход 5 предпочтительно выполнен таким образом, чтобы допускать передачу текучей среды через эту переднюю поверхность 40А, которая участвует в ограничении камеры 3. В показанном на чертежах примере осуществления поршневая головка 4А имеет, по существу, цилиндрическую форму с кольцевой боковой стенкой 4Ό, которая отходит от передней поверхности 40А по ее периферии. Дополнительно передняя поверхность 40А содержит окружную впадину 400А кольцевой формы, причем эта впадина имеет дно, от которого поднимается окружной поперечный бортик.

В данном примере осуществления первый проход 5 образован множеством отверстий 5А, распределенных с равномерным угловым шагом в окружном бортике впадины и сообщающихся с соответствующими удлиненными выемками 5В, выполненными на поверхности боковой стенки 4Ό головки 4А. Предпочтительно каждая выемка 5В предназначена для расположения в подходящий момент напротив соответствующего сквозного отверстия 2В, которое выполнено в цилиндре 2, точнее проходит насквозь через всю толщину трубчатой боковой стенки цилиндра 2. Отверстие 2В сообщается с компонентом подачи топлива (карбюратором, инжектором или другим) и/или с системой выхлопа в зависимости от того, используется ли первый проход 5 для подачи и/или для выхлопа.

Таким образом, отверстие 5А, его соответствующая выемка 5В и дополняющее их отверстие 2В образуют герметичный канал, обеспечивающий возможность впуска свежего газа и/или выхлопа сгоревшего газа.

Как показано на чертежах, двигатель 1 содержит первый клапан 6, предназначенный для управления открытием и закрытием первого прохода 5. Другими словами, первый клапан 6 взаимодействует с первым проходом 5 для того, чтобы допускать сообщение камеры 3 с внешним окружением посредством первого прохода 5 или закрывать первый проход 5 и тем самым препятствовать сообщению камеры 3 с внешним окружением посредством первого прохода 5. Первый клапан 6 может быть установлен, например, на цилиндре 2 для того, чтобы непосредственно взаимодействовать с отверстиями 2В, выполненными в цилиндре 2. Однако намного более выгодно, как это показано на чертежах, когда первый клапан 6 установлен на первом поршне 4 для управления открытием и закрытием первого прохода 5.

Установка первого клапана 6 непосредственно на первом поршне 4 позволяет выполнить первый проход 5 с большим проходным сечением, что дает преимущество в отношении эффективности подачи и выхлопа без усложнения и утяжеления двигателя, поскольку расположение клапана на поршне позволяет одновременно управлять открытием/закрытием всех отверстий 5А, образующих первый проход 5. Таким образом, как это показано на чертежах, особенно выгодно предусмотреть единый блок, образованный первым поршнем 4 и первым клапаном 6, установленным на первом поршне 4.

Предпочтительно первый клапан 6 установлен на первом поршне 4 с возможностью скольжения между, по меньшей мере, закрытым положением (показанным на фиг. 11), в котором он герметично запирает первый проход 5, и в частности, отверстия 5А, и, по меньшей мере, открытым положением (показанным на фиг. 16), в котором он освобождает первый проход 5, так что последний допускает сообщение камеры 3 с внешним окружением. Предпочтительно первый клапан 6 имеет ось 8-8' симметрии и установлен на поршне 4 с возможностью осевого скольжения таким образом, что он может скользить относительно первого поршня 4, по существу, параллельно оси Υ-Υ' поршня, при этом оси 8-8' и Υ-Υ' совпадают.

Установка первого клапана 6 с возможностью осевого скольжения относительно первого поршня 4 может быть реализована любыми средствами, известными специалисту в данной области. Предпочтительно первый клапан 6 содержит по меньшей мере один направляющий штырь 7, расположенный, по существу, радиально относительно оси 8-8', но предпочтительно два направляющих штыря, расположены диаметрально противоположно относительно оси 8-8'. Каждый направляющий штырь 7 выполнен с возможностью поступательного перемещения в соответствующей удлиненной направляющей прорези 70, выполненной в юбке 4В поршня 4. В показанном на чертежах примере осуществления первый клапан 6 содержит уплотнение 6А, выполненное в виде, по существу, плоского круглого кольца, которое предназначено для установки во впадине 400А ответной формы, образованной на передней поверхности 40А головки 4А первого поршня 4. Когда первый клапан 6 находится в закрытом положении, уплотнение 6А прижимается к дну впадины для герметичного закрытия отверстий 5А. Противоположным образом, ко- 4 027228 гда первый клапан 6 находится в открытом положении, уплотнение 6А находится на расстоянии от дна впадины, что освобождает отверстия 5А и допускает проход через них текучей среды. Предпочтительно уплотнение 6А жестко соединено лапками 6В (например, тремя лапками, распределенными с равномерным угловым шагом) с трубчатой юбкой 6С клапана, на которой установлен каждый направляющий штырь 7.

Оптимальным образом юбка 6с клапана выполнена с возможностью скольжения внутри юбки 4В первого поршня 4 в плотном контакте с этой юбкой 4В поршня, при этом лапки 6В пересекают дно впадины 400А через выполненные в дне проходные отверстия. Эти лапки 6В скользят в проходных отверстиях регулируемым и герметичным образом для предотвращения утечек через эти проходные отверстия.

Как показано на чертежах, двигатель 1 содержит выходной вал 8, установленный коаксиально первому поршню 4. Выходной вал 8 и первый поршень 4 взаимодействуют для преобразования движения первого поршня 4 во вращательное движение выходного вала 8. Предпочтительно взаимодействие между выходным валом 8 и первым поршнем 4 является обратимым; другими словами, оно позволяет преобразовывать вращательное движение выходного вала 8 в движение первого поршня 4, т.е. в данном случае в возвратно-поступательное движение первого поршня 4. Предпочтительно выходной вал 8 выполнен прямолинейным и проходит по продольной оси Ζ-Ζ', которая совпадает с осью Х-Х' цилиндра 2, а в данном случае также с осью Υ-Υ' первого поршня 4 и осью 8-8' первого клапана 6. Предпочтительно выходной вал 8 проходит через первый поршень 4, т.е. первый поршень 4 установлен на выходном валу 8. Для этого первый поршень 4 снабжен центральным отверстием 4Е, через которое проходит выходной вал 8, причем последний герметично посажен в отверстии 4Е таким образом, что позволяет перовому поршню 4 скользить по длине выходного вала 8, предотвращая сообщение внутренней полости камеры 3 с внешним окружением через сопряжение между выходным валом 8 и первым поршнем 4. Следует отметить, что в целях упрощения и наглядности на фиг. 1 и 2 не показана центральная часть выходного вала 8, который проходит через камеру 3.

Предпочтительно выходной вал 8 и первый поршень 4 взаимодействуют непосредственно для преобразования движения первого поршня 4 во вращательное движение выходного вала 8 и наоборот. Для этого первый поршень 4 и выходной вал 8 снабжены взаимодействующими средствами передачи усилия, выполненными с возможностью преобразования возвратно-поступательного движения первого поршня 4 (в показанном примере осуществления - строго осевого поступательного движения) во вращательное движение, точнее в непрерывное вращательное движение выходного вала 8 в одном направлении. Другими словами, взаимодействующие средства передачи усилия, которыми оснащены первый поршень 4 и выходной вал 8, позволяют преобразовывать прямолинейное возвратно-поступательное движение первого поршня 4 во вращение выходного вала 8 вокруг себя, т.е. вокруг своей оси Ζ-Ζ'.

В показанном на чертежах примере осуществления изобретения двигатель 1 работает в соответствии со следующим основным принципом:

изменения давления в камере 3, получаемые за счет циклов воспламенения взрывчатой смеси (типа смеси воздуха с распыленным топливом) приводят первый поршень 4 в прямолинейное возвратнопоступательное движение;

первый поршень 4 в свою очередь приводит во вращение выходной вал 8, который является приводным валом, предназначенным для соединения с подлежащим приводу объектом, например, с колесами автомобиля.

Такая принципиальная конструкция устраняет направление усилия через различные рабочие оси, как это имело место в решениях уровня техники, и в противоположность этому обеспечивает возможность прямой передачи действия первого поршня 4 на выходной вал 8. Другими словами, первый поршень 4 приводит выходной вал 8 во вращение непосредственно, что придает двигателю 1 особую компактность, так что он может быть легко встроен в шасси автомобиля.

Такая принципиальная конструкция также способствует улучшению расположения центра тяжести благодаря продольной форме двигателя 1, что благоприятствует расположению двигателя 1 на оси симметрии транспортного средства. Благодаря непосредственному и коаксиальному приводу выходного вала посредством первого поршня 4 торсионные усилия, которым подвергается выходной вал 8, снижены до минимума по сравнению с торсионными усилиями, передаваемыми шатунами на коленчатые валы в двигателях уровня техники.

Оптимальным образом двигатель 1 содержит первую направляющую дорожку 9, жестко связанную с выходным валом 8 и предпочтительно образованную на поверхности выходного вала 8 (т.е. выполненную заодно или укрепленную на ней). В оптимальном варианте двигатель 1 содержит также первый направляющий элемент 10, жестко связанный с первым поршнем 4 и установленный с возможностью перемещения вдоль первой направляющей дорожки 9 для преобразования движения первого поршня 4 во вращательное движение выходного вала 8. Как показано на чертежах, первая направляющая дорожка 9 оптимальным образом имеет, по существу, волнистую форму и еще более предпочтительно, по существу, синусоидальную форму. Точнее, в примере выполнения по чертежам первая направляющая дорожка проходит по кольцевому профилю вокруг продольной оси Ζ-Ζ' выходного вала 8.

- 5 027228

Оптимальным образом двигатель 1 содержит первое кольцо 8А, установленное на выходном валу 8, причем первое кольцо 8А несет указанную первую направляющую дорожку 9. При этом первое кольцо 8А может быть образовано кольцевой деталью, отдельной от выходного вала 8 и установленной на нем. В этом случае первое кольцо 8А установлено на выходном валу 8 таким образом, чтобы вращаться вместе с ним (вокруг оси Х-Х'). Вполне возможно также выполнение первого кольца 8А из одного материала с выходным валом 8 заодно с ним. Предпочтительно первая направляющая дорожка 9 содержит первую канавку 9А, выполненную на поверхности первого кольца 8А (т.е. выходного вала 8, когда кольцо 8А выполнено заодно с выходным валом 8), а первый направляющий элемент 10 содержит первый палец, который выступает от первого поршня 4 и входит в эту первую канавку 9А. Предпочтительно первый направляющий элемент 10 содержит два пальца, расположенных диаметрально противоположно относительно оси Υ-Υ' и входящих в одну и ту же первую канавку 9А. Для улучшения контакта между первым направляющим элементом 10 и первой канавкой 9А первый палец предпочтительно содержит ролик 10А, установленный с возможностью вращения на оси, которая установлена в сквозном отверстии в юбке 4В, так что эта ось проходит, по существу, радиально относительно продольной оси Υ-Υ' поршня 4. Предпочтительно данная ось соответствует оси 400С, на которой установлен ролик 40С. В этом особенно простом и надежном примере осуществления ролик 10А установлен на оси 400С внутри юбки 4В для взаимодействия с соответствующей синусоидальной канавкой 9А, а ролик 40С установлен на той же оси 400С снаружи юбки 4В для взаимодействия с соответствующей направляющей 2А.

Как показано на чертежах, выходной вал 8 и первый клапан 6 взаимодействуют для преобразования вращательного движения выходного вала 8 в движение первого клапана 6 относительно первого поршня

4. При этом положение первого клапана 6 относительно первого поршня 4, а следовательно, и управление открытием и закрытием первого прохода 5 управляются непосредственно выходным валом 8, который взаимодействует, предпочтительно непосредственно, с первым клапаном 6 для привода его в движение, например, в осевое возвратно-поступательное движение, как это осуществляется в показанном на чертежах примере осуществления. Для этого двигатель 1 оптимальным образом содержит вторую направляющую дорожку 11, жестко связанную с выходным валом 8 и предпочтительно образованную на поверхности выходного вала 8 (т.е. выполненную заодно или укрепленную на ней - фиг. 12). В оптимальном варианте двигатель 1 содержит также второй направляющий элемент 12, жестко связанный с первым клапаном 6 и установленный с возможностью перемещения вдоль второй направляющей дорожки 11 для преобразования вращательного движения выходного вала 8 в движение первого клапана 6 относительно первого поршня 4, в частности, осевого прямолинейного возвратно-поступательного движения. Как показано на чертежах, вторая направляющая дорожка 11 оптимальным образом имеет, по существу, волнистую форму и еще более предпочтительно, по существу, синусоидальную форму. Предпочтительно вторая направляющая дорожка 11 не имеет строго синусоидального профиля с тем, чтобы в подходящий момент допускать подачу и выхлоп, как это будет подробно описано ниже. Так, например, профиль второй направляющей дорожки 11 следует по профилю первой направляющей дорожки 9 во время фаз сжатия и расширения (клапан 6 должен быть закрыт), в то время как в фазах подачи и выхлопа профиль второй направляющей дорожки 11 отклоняется от профиля первой направляющей дорожки 9 таким образом, что допускает открытие и закрытие клапана 6 в подходящее время.

Предпочтительно, как и первая направляющая дорожка 9, вторая направляющая дорожка 11 проходит по кольцевому профилю вокруг продольной оси Ζ-Ζ' выходного вала 8. Оптимальным образом двигатель 1 содержит второе кольцо 8В, установленное на выходном валу 8, при этом второе кольцо 8В несет указанную вторую направляющую дорожку 11. При этом второе кольцо 8В может быть образовано кольцевой деталью, отдельной от выходного вала 8 и установленной на нем. В этом случае второе кольцо 8В установлено на выходном валу 8 таким образом, чтобы вращаться вместе с ним (вокруг оси Х-Х'). Вполне возможно также выполнение второго кольца 8В из одного материала с выходным валом 8 заодно с ним.

Как было указано выше, предпочтительно первая направляющая дорожка 9 содержит первую канавку 9А, выполненную на поверхности первого кольца 8А (т.е. выходного вала 8, когда кольцо 8А выполнено заодно с выходным валом 8), а первый направляющий элемент 10 содержит первый палец, который выступает от первого поршня 4 и входит в эту первую канавку 9А. В показанном на чертежах предпочтительном примере осуществления вторая направляющая дорожка 11 содержит вторую канавку 13, выполненную на поверхности первого кольца 8А (т.е. выходного вала 8, когда кольцо 8В выполнено заодно с выходным валом 8), а второй направляющий элемент 12 содержит второй палец, который выступает от первого клапана 6 и входит в эту вторую канавку 13. Таким образом, особенно выгодно осуществление механического соединения между клапаном 6 и выходным валом 8, по существу, сходного, по меньшей мере, по своему принципу, с механическим соединением между первым поршнем 4 и этим же выходным валом 8. Предпочтительным образом второй направляющий элемент 12 образован цилиндрической тягой, которая проходит через юбку 6С первого клапана 6. Первый конец этой цилиндрической тяги, расположенный снаружи юбки 6С, образует направляющий штырь 7, а второй противоположный конец, расположенный внутри юбки 6С, образует второй направляющий элемент, проходящий, по существу, радиально относительно оси 8-8'. Предпочтительно второй направляющий элемент 12 образован

- 6 027228 двумя цилиндрическими тягами, расположенными диаметрально противоположно относительно оси 8-8' (в целях упрощения и наглядности на чертежах показана только одна из этих тяг). Как показано на фиг. 12, первое и второе кольца 8А, 8В выгодным образом образованы одной и той же деталью из единого материала, которая содержит как первую направляющую дорожку 9, так и вторую направляющую дорожку 11. В альтернативном варианте вполне возможно выполнение колец 8А, 8В в виде отдельных деталей, независимых друг от друга. В этом случае целесообразно, например, чтобы первое кольцо 8А было прикреплено жестко (или даже подвижно с возможностью поступательного движения и/или вращения), а второе кольцо 8В было подвижно укреплено на выходном валу 8 и предпочтительно могло поворачиваться относительно выходного вала 8 и первого кольца 8А вокруг оси Х-Х'. При таком предпочтительном решении угловое положение второго кольца 8В относительно выходного вала 8 может регулироваться любыми подходящими средствами, что позволяет, например, регулировать подачу в функции режима двигателя 1. При этом достаточно немного повернуть второе кольцо 8В относительно вала 8, чтобы воздействовать на скорость и/или момент открытия первого клапана 6. Вполне возможно также решение, в котором второе кольцо 8В установлено с возможностью поступательного движения относительно выходного вала 8 для регулировки положения первого клапана 6 в функции хода термодинамического цикла двигателя 1.

В оптимальном варианте двигатель 1 по изобретению содержит второй поршень 14, который также участвует в ограничении объема камеры 3. Таким образом, как показано на чертежах, в этом случае двигатель 1 предпочтительно содержит цилиндр 2, внутри которого установлены с возможностью осевого скольжения первый поршень 4 и второй поршень 14. В этом показанном на чертежах особенно целесообразном примере осуществления камера 3 предпочтительно образована промежуточным пространством, отделяющим первый и второй поршни 4, 14 в цилиндре 2 (фиг. 1). Другими словами, в этом случае камера 3 соответствует свободному пространству переменного объема, расположенному внутри цилиндра 2 между поршнями 4, 14. Как показано на чертежах, предпочтительно первый и второй поршни 4, 14 установлены в цилиндре 2 напротив друг друга, т.е. таким образом, что их соответствующие головки 4А, 14А обращены друг к другу. При этом камера 3 занимает пространство, которое ограничено по оси головками 4А, 14А первого и второго поршней 4, 14 и радиально внутренней стенкой 20 цилиндра 2 между головками 4А, 14А поршней 4, 14. Камера 3 имеет переменный объем, который зависит от относительного положения первого и второго поршней 4, 14.

Выгодным образом первый поршень 4 и второй поршень 14 выполнены с возможностью противоположного возвратно-поступательного движения таким образом, что эти поршни 4, 14 приближаются друг к другу и удаляются друг от друга, по существу, одновременно. Другими словами, первый поршень 4 и второй поршень 14 перемещаются симметрично относительно средней плоскости камеры 3, перпендикулярной оси Х-Х'. В показанном на чертежах примере осуществления каждый поршень 4, 14 выполнен с возможностью индивидуального перемещения в цилиндре 2, т.е. независимо от другого поршня. Предпочтительно второй поршень 14 идентичен первому поршню 4 и установлен в двигателе 1 идентично установке первого поршня 4. Таким образом, в показанном на чертежах оптимальном примере осуществления выходной вал 8 установлен также коаксиально второму поршню 14, при этом выходной вал 8 и второй поршень 14 взаимодействуют для преобразования движения второго поршня 14 во вращательное движение выходного вала 8. Для этого двигатель 1 предпочтительно содержит третью направляющую дорожку 15, жестко связанную с выходным валом 8 и предпочтительно образованную на поверхности выходного вала 8 (т.е. выполненную заодно или укрепленную на ней). В оптимальном варианте двигатель 1 содержит также третий направляющий элемент 16, жестко связанный со вторым поршнем 14 и установленный с возможностью перемещения вдоль третьей направляющей дорожки 15 для преобразования движения второго поршня 14 во вращательное движение выходного вала 8 в координации с первым поршнем 4. Предпочтительно третья направляющая дорожка 15 имеет, по существу, волнистую форму, симметричную форме первой направляющей дорожки 9 относительно средней плоскости камеры 3, перпендикулярной оси Х-Х'. Предпочтительно конструкция третьей направляющей дорожки 15 и третьего направляющего элемента 16 идентичны соответствующей конструкции первой направляющей дорожки 9 и первого направляющего элемента 10.

Оптимальным образом двигатель 1 содержит третье кольцо, установленное на выходном валу 8, причем третье кольцо несет указанную третью направляющую дорожку 15. При этом третье кольцо может быть образовано кольцевой деталью, отдельной от выходного вала 8 и установленной на нем. В этом случае третье кольцо установлено на выходном валу 8 таким образом, чтобы вращаться вместе с ним (вокруг оси Х-Х'). Вполне возможно также выполнение третьего кольца из одного материала с выходным валом 8 заодно с ним. Предпочтительно третья направляющая дорожка 15 содержит третью канавку, выполненную на поверхности третьего кольца (т.е. выходного вала 8, когда кольцо выполнено заодно с выходным валом 8), а третий направляющий элемент 16 содержит третий палец с роликом, который выступает от второго поршня 14 и входит в третью канавку.

В результате в показанном на чертежах примере осуществления двигатель 1 выполнен в целом симметричным относительно средней плоскости камеры 3, т.е. плоскости, которая проходит через центр камеры 3 и перпендикулярна продольной оси Х-Х' цилиндра 2. Особый интерес представляет следующая

- 7 027228 комбинация конструктивных особенностей:

камера 3, ограниченная двумя поршнями 4, 14 противоположного действия;

выполнение прохода 5 внутри одного из поршней поперечно ему для сообщения внутренней полости камеры с внешним окружением.

При этом, когда первый проход 5 открыт, т.е. когда камера 3 сообщается с внешним окружением через этот проход 5, возвратно-поступательные движения первого поршня 4 вызывают менее сильный эффект сжатия и всасывания, поскольку толкающее или всасывающее сечение этого поршня 4, соответствующее передней поверхности 40А, не является герметичным (так как клапан 6 открыт).

Использование второго поршня 14, работающего противоположно первому поршню, позволяет устранить этот дефицит сжатия и всасывания за счет одновременной работы второго поршня, усиливающей действие первого поршня 4 в фазах всасывания и сжатия.

Предпочтительно двигатель 1 содержит второй проход 17, выполненный через второй поршень 14 для сообщения внутренней полости камеры 3 с внешним окружением. Предпочтительно в показанной на чертежах конструкции с двойным поршнем второй проход 17, выполненный во втором поршне 14, предназначен для подачи в камеру 3 рабочей текучей среды, т.е. подлежащей сгоранию свежей смеси, в то время как первый проход 5 первого поршня 4 предназначен для удаления из камеры 3 сгоревшей текучей среды, полученной при сгорании рабочей текучей среды в камере 3. Таким образом, подача осуществляется через второй поршень 14, а выхлоп - через первый поршень 4. Такая принципиальная конструкция показала себя особенно выгодной для реализации в двигателе с четырехтактным циклом, как это будет подробно описано ниже.

Отдельный независимый предмет изобретения представляет собой двигатель 1 внутреннего сгорания, содержащий камеру 3, выполненную с возможностью принимать рабочую текучую среду, предназначенную для сгорания внутри этой камеры 3;

первый поршень 4 и второй поршень 14, которые участвуют оба в ограничении объема камеры 3; первый проход 5, выполненный в первом поршне 4 для сообщения внутренней полости камеры 3 с внешним окружением, причем этот первый проход 5 предназначен для удаления из камеры 3 текучей среды, сгоревшей в результате сгорания рабочей текучей среды;

второй проход 17, выполненный во втором поршне 14 для сообщения внутренней полости камеры 3 с внешним окружением, причем этот второй проход 17 предназначен для подачи в камеру 3 рабочей текучей среды.

Разумеется, в отношении второго поршня 14 предпочтительно предусмотреть технические меры, идентичные предпринятым для первого поршня 4. Это означает, что в данном примере осуществления двигатель 1 содержит второй клапан 18, идентичный первому клапану 6, причем второй клапан 18 установлен на втором поршне 14 для управления открытием и закрытием второго прохода 17, выполненного во втором поршне 14. Подобным же образом выходной вал 8 и второй клапан 18 взаимодействуют для преобразования вращательного движения выходного вала 8 в движение второго клапана 18 относительно второго поршня 14. Для этого двигатель 1 содержит, с одной стороны, четвертую направляющую дорожку 19, жестко связанную и предпочтительно выполненную заодно с выходным валом 8, и с другой стороны, четвертый направляющий элемент 21, жестко связанный со вторым клапаном 18 и установленный с возможностью перемещения вдоль четвертой направляющей дорожки 19 для преобразования вращательного движения выходного вала в движение второго клапана относительно второго поршня. Четвертая направляющая дорожка 19 оптимальным образом имеет, по существу, волнистую форму и еще более предпочтительно, по существу, синусоидальную форму. Конструкция второго клапана 18, второго поршня 14 и соответствующей части выходного вала 8, которая взаимодействует как со вторым клапаном 18, так и со вторым поршнем 14, здесь подробно не описывается, так как уже было указано, что двигатель 1 выполнен симметричным относительно средней плоскости камеры 3.

Далее будет описано функционирование показанного на чертежах двигателя 1 при выполнении четырехтактного рабочего цикла.

Первый такт рабочего цикла двигателя, показанный на фиг. 3 и 4, соответствует этапу подачи в камеру 3 сгорания рабочей текучей среды, которая предпочтительно образована смесью воздуха с распыленным топливом. Для этого второй клапан 18 находится в открытом положении и допускает подачу через второй поршень 14 по второму проходу 17 свежей рабочей текучей среды от источника снаружи цилиндра 2.

В ходе этого первого такта первый и второй поршни 4, 14 совершают движение удаления друг от друга, что создает разрежение в камере 3 сгорания и способствует всасыванию рабочей текучей среды через второй проход 17, при этом второй клапан 18 открыт для пропуска рабочей текучей среды в камеру 3 сгорания. Что касается первого клапана 6, которым оснащен первый поршень 4, он закрыт. Это позволяет обеспечить прекрасный эффект всасывания под действием перемещения первого поршня 4, причем этот эффект всасывания компенсирует более слабый эффект всасывания, создаваемый вторым поршнем 14, клапан 18 которого открыт.

После достижения максимального взаимного удаления (показано на фиг. 4) поршни 4, 14 соверша- 8 027228 ют обратное движение взаимного приближения, т.е. приближаются друг к другу (фиг. 5) с тем, чтобы сжимать рабочую текучую среду, содержащуюся в камере 3. В этой фазе взаимного приближения поршней, соответствующей второму такту, первый и второй клапаны 6, 18 закрыты для создания эффекта сжатия рабочей текучей среды между поршнями 4, 14. Таким образом, рабочая текучая среда сильно сжимается, что вызывает ее нагрев.

Когда поршни 4, 14 достигают точки своего минимального удаления (поршни находятся в положении, называемом верхней мертвой точкой) по фиг. 6, максимально сжатая рабочая текучая среда взрывается либо под действием эффекта зажигания, который обеспечивается искрой, генерируемой свечой зажигания (не показана), либо под действием эффекта самой степени сжатия, которая вызывает нагрев рабочей текучей среды настолько, что она взрывается спонтанно (в дизельном двигателе).

Эта фаза взрыва вызывает расширение газов, образующих рабочую текучую среду. Расширение создает в камере высокое давление (например, от 40 до 100 бар), которое действует на поршни, клапаны 6, 18 которых закрыты. Это вызывает взаимное удаление поршней 4, 14.

Взаимное удаление поршней 4, 14 под действием давления вследствие взрыва в камере вызывает вращение выходного вала 8. Таким образом, эта фаза взрыва и расширения (соответствующая третьему такту) создается тепловой энергией, которая преобразуется в механическую энергию вращения выходного вала 8. Далее поршни 4, 14 снова сближаются, что создает сжатие в камере 3.

В этот момент первый клапан 6 первого поршня 4 открыт, что допускает под действием сжатия, созданного взаимными приближением поршней 4, 14, вывод сгоревшей рабочей текучей среды через первый проход 5.

По окончании этого четвертого такта двигатель 1 находится в состоянии, соответствующем первому такту, и готов снова начать описанный четырехтактный цикл.

Изобретение относится также к транспортному средству типа автомобиля, оснащенному двигателем 1 по изобретению.

Независимым образом изобретение относится также к поршню 4, выполненному с возможностью образования первого поршня 4 двигателя 1 по изобретению.

И наконец, изобретение относится также к клапану, выполненному с возможностью образования первого клапана 6 двигателя 1 по изобретению.

Возможность промышленного применения

Изобретение обладает промышленной применимостью при разработке, изготовлении и использовании двигателей.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Двигатель (1) внутреннего сгорания, содержащий камеру (3), выполненную с возможностью принимать рабочую текучую среду, предназначенную для сгорания внутри камеры (3);

первый поршень (4), который участвует в ограничении объема камеры сгорания (3);

первый проход (5), выполненный в первом поршне (4) для сообщения внутренней полости камеры (3) с внешним окружением, причем первый проход (5) предназначен для подачи в камеру (3) рабочей текучей среды и/или для удаления из камеры (3) текучей среды, сгоревшей в результате сгорания рабочей текучей среды;

первый клапан (6), установленный на первом поршне (4) для управления открытием и закрытием первого прохода (5);

выходной вал (8), установленный коаксиально первому поршню (4), причем выходной вал (8) и первый поршень (4) взаимодействуют для преобразования возвратно-поступательного движения первого поршня (4) во вращательное движение выходного вала (8), отличающийся тем, что выходной вал (8) и первый клапан (6) взаимодействуют для преобразования вращательного движения выходного вала (8) в движение первого клапана (6) относительно первого поршня (4) так, что обеспечивается возможность непосредственного управления с помощью выходного вала (8) положением первого клапана (6) относительно первого поршня (4) и, следовательно, управления открытием и закрытием первого прохода (5).
2. Двигатель (1) по п.1, отличающийся тем, что содержит первую направляющую дорожку (9), жестко связанную с выходным валом (8), и первый направляющий элемент (10), жестко связанный с первым поршнем (4), причем первый направляющий элемент (10) установлен с возможностью перемещения вдоль первой направляющей дорожки (9) для преобразования движения первого поршня (4) во вращательное движение выходного вала (8).
3. Двигатель (1) по п.2, отличающийся тем, что первая направляющая дорожка (9) имеет, по существу, волнистую форму.
4. Двигатель (1) по п.2 или 3, отличающийся тем, что содержит первое кольцо (8А), установленное на выходном валу (8), причем первое кольцо (8А) несет указанную первую направляющую дорожку (9).
5. Двигатель (1) по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что содержит вторую направляющую до- 9 027228 рожку (11), жестко связанную с выходным валом (8), и второй направляющий элемент (12), жестко связанный с первым клапаном (6), причем второй направляющий элемент (12) установлен с возможностью перемещения вдоль второй направляющей дорожки (11) для преобразования вращательного движения выходного вала (8) в движение первого клапана (6) относительно первого поршня (4).
6. Двигатель (1) по п.5, отличающийся тем, что вторая направляющая дорожка (11) имеет, по существу, волнистую форму.
7. Двигатель (1) по п.5 или 6, отличающийся тем, что содержит второе кольцо (8В), установленное на выходном валу (8), причем второе кольцо (8В) несет указанную вторую направляющую дорожку (11).
8. Двигатель (1) по п.7, отличающийся тем, что второе кольцо (8В) установлено подвижно на выходном валу (8).
9. Двигатель (1) по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что содержит второй поршень (14), установленный напротив первого поршня и который также участвует в ограничении объема камеры (3).
10. Двигатель (1) по п.9, отличающийся тем, что выходной вал (8) установлен коаксиально второму поршню (14), причем выходной вал (8) и второй поршень (14) взаимодействуют для преобразования возвратно-поступательного движения второго поршня (4) во вращательное движение выходного вала (8).
11. Двигатель (1) по п.9 или 10, отличающийся тем, что содержит второй проход (17), выполненный во втором поршне (14) для сообщения внутренней полости камеры (3) с внешним окружением, причем второй проход (17) предназначен для подачи в камеру (3) рабочей текучей среды, в то время как первый проход (5) первого поршня (4) предназначен для удаления из камеры (3) сгоревшей текучей среды, полученной при сгорании рабочей текучей среды.
12. Двигатель (1) по п.11, отличающийся тем, что содержит второй клапан (18), установленный на втором поршне (14) для управления открытием и закрытием второго прохода (17).
13. Двигатель (1) по п.12, отличающийся тем, что выходной вал (8) и второй клапан (18) взаимодействуют для преобразования вращательного движения выходного вала (8) в движение второго клапана (18) относительно второго поршня (14).
14. Двигатель (1) по любому из пп.10-13, отличающийся тем, что первый поршень (4) и второй поршень (14) выполнены с возможностью противоположного возвратно-поступательного движения таким образом, что поршни (4, 14) приближаются друг к другу и удаляются друг от друга, по существу, одновременно.
15. Двигатель (1) по любому из пп.9-14, отличающийся тем, что содержит цилиндр (2), внутри которого первый и второй поршни (4, 14) установлены с возможностью осевого скольжения, причем камера (3) образована промежуточным пространством, разделяющим поршни (4, 14) в цилиндре.
16. Транспортное средство, оснащенное двигателем (1) по любому из предыдущих пунктов.