WO2013032361A1 - Двигатель внутреннего сгорания - Google Patents

Abstract

Предложен двигатель внутреннего сгорания, включающий четыре полых цилиндра, каждый из которых снабжен поршнем, установленным в его полости и соосно с ним, входом для поступления в полость цилиндра свежего рабочего тела и выходом для удаления из полости цилиндра отработанного рабочего тела. Цилиндры расположены попарно таким образом, что цилиндры одной пары имеют общую ось и установлены оппозитно друг другу с возможностью возвратно -поступательного движения вдоль этой оси, сближаясь и отдаляясь друг от друга. Оси пар цилиндров расположены в общей плоскости цилиндров и пересекаются между собой под прямым углом. Поршни цилиндров установлены между цилиндрами каждой пары. Двигатель имеет четыре вала, установленных перпендикулярно плоскости цилиндров с возможностью вращения. Каждый из валов кинематически соединен с соответствующими цилиндрами кривошипно-шатунными механизмами таким образом, что возвратно-поступательное движение названных цилиндров преобразуется во вращательное движение валов. Технический результат заключается в снижении шума и вибрации.

Description

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Область техники

Изобретение относится к машиностроению, а именно, к двигателям внутреннего сгорания.

Предшествующий уровень техники

Двигатель внутреннего сгорания - тепловая машина, преобразующая химическую энергию топлива в полезную механическую работу, в настоящее время является основным видом автомобильного двигателя.

Наиболее распространен поршневой двигатель внутреннего сгорания. Его основным узлом является блок цилиндров. В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает внутри цилиндров, а выделяющаяся при этом тепловая энергия, преобразуется в механическую работу.

Совокупность процессов, периодически повторяющихся в определенной последовательности в цилиндре, является рабочим циклом, а процесс, происходящий в цилиндре за один ход его поршня, является тактом.

Ход поршня - путь, проходимый поршнем от одной мертвой точки до другой, при этом мертвыми точками являются крайние верхнее и нижнее положения поршня, где его скорость равна нулю.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя совершается за 4 хода поршня (такта), то есть за 2 оборота коленчатого вала.

Первый такт - впуск рабочего тела. При движении поршня от верхней мертвой точки вниз вследствие увеличения объема в цилиндре создается разрежение, под действием которого из карбюратора через открывающийся впускной клапан в цилиндр поступает рабочее тело - горючая смесь, например, паров бензина с воздухом. В цилиндре горючая смесь смешивается с оставшимися в нем от предыдущего рабочего цикла отработавшими газами и образует рабочую смесь.

Второй такт - сжатие рабочего тела. Поршень движется вверх, при этом оба клапана закрыты. Так как объем в цилиндре уменьшается, то происходит сжатие рабочей смеси. Смесь сжимается до давления 0,8-2 Мн./м2 (8-20 кгс/см2) температура смеси в конце сжатия составляет 200-400°С.

Третий такт - рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется электрической искрой и быстро сгорает (за 0,001 - 0,002 с). При этом происходит выделение большого количества тепла и газы, расширяясь, создают сильное давление на поршень, перемещая его вниз. Сила давления газов от поршня передается через поршневой палец и шатун на коленчатый вал, создавая на нем крутящий момент. Таким образом, во время рабочего хода происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу.

Четвертый такт - выпуск. После совершения полезной работы поршень движется вверх и выталкивает отработавшие газы наружу через открывающийся выпускной клапан.

Из рабочего цикла двигателя видно, что полезная работа совершается только в течение рабочего хода, а остальные три такта являются вспомогательными. Для равномерности вращения коленчатого вала, связанного с цилиндрами, на его конце устанавливают маховик, обладающий значительной массой. Маховик получает энергию при рабочем ходе, и часть ее отдает на совершение вспомогательных тактов.

В целях получения большей мощности и равномерного вращения коленчатого вала, двигатели выполняют многоцилиндровыми. Так, известен двигатель внутреннего горания, содержащий четыре цилиндра. Цилиндры установлены вертикально, а их оси параллельны друг другу. Рабочие циклы в каждом из цилиндров не совпадают по фазе, чем достигается равномерность работы двигателя. В четырехцилиндровом двигателе за два оборота коленчатого вала получается не один, а четыре рабочих хода.

Известен двигатель внутреннего сгорания, включающий четыре цилиндра, каждый из которых содержит во внутренней полости поршень, установленный соосно с цилиндром и возможностью совершения возвратно - поступательного движения вдоль оси цилиндра, а также вход для свежего рабочего тела и выход для отработанного рабочего тела

[http ://www.pdd25. г u/publ/ ustroj stvo avtomobilj a/ obshhee ustroj stvo_i_rabota_ dvigatelja/5- 1-0-48, Рис. 6]. Когда поршень каждого цилиндра, совершает рабочий ход, кривошипно-шатунный механизм преобразует его прямолинейное движение во вращательное движение коленчатого вала двигателя.

Недостатками описанного двигателя и аналогичных ему являются:

- высокий уровень шума и вибраций, обусловленный вращением коленчатого вала с большой частотой и обусловленный наличием боковых нагрузок на цилиндры; '

- необходимость использования компрессионных колец; - низкий коэффициент полезного действия - не более 50%;

-сложность в организации охлаждения двигателя, который значительно нагревается теплом, получаемым от сгорания топлива, а также теплом, выделяемым при трении поршней, снабженных компрессионными кольцами, при трении о поверхность цилиндра.

Раскрытие изобретения

Изобретение решает задачу создания двигателя внутреннего сгорания, имеющего более высокий кпд, низкий уровень шума и вибраций, и не требующего сложной системы охлаждения.

Поставленная задача решается тем, что предлагается двигатель внутреннего сгорания, включающий четыре полых цилиндра, каждый из которых снабжен поршнем, установленным в его полости и соосно с ним, входом для поступления в полость цилиндра свежего рабочего тела и выходом для удаления из полости цилиндра отработанного рабочего тела, в котором цилиндры расположены попарно таким образом, что цилиндры одной пары имеют общую ось, и установлены оппозитно друг другу с возможностью возвратно - поступательного движения вдоль этой оси, сближаясь и отдаляясь друг от друга, причем оси названных пар цилиндров расположены в общей плоскости цилиндров и пересекаются между собой под прямым углом, а поршни цилиндров установлены в названной плоскости цилиндров между цилиндрами каждой пары, при этом он имеет четыре вала, установленных перпендикулярно плоскости цилиндров с возможностью вращения, каждый из которых кинематически соединен с соответствующими цилиндрами кривошипно-шатунными механизмами таким образом, что возвратно - поступательное движение названных цилиндров преобразуется во вращательное движение названных валов.

Двигатель выполнен таким образом, что при сближении цилиндров одной пары, цилиндры другой пары отдаляются друг от друга.

Поршни цилиндров могут быть установлены как неподвижно, так и ограниченно подвижно.

Кривошипно-шатунные механизмы расположены в двух кривошипно - шатунных плоскостях, по четыре механизма в каждой плоскости, причем эти плоскости расположены симметрично относительно плоскости цилиндров и параллельно ей. Каждый кривошипно - шатунный механизм одной кривошипно-шатунной плоскости может содержать кривошипный зубчатый диск, установленный неподвижно на соответствующий вал, к которому в общей точке подвижно присоединена одним концом пара шатунов, а вторым концом каждый шатун пары шатунов подвижно соединен с соответствующим цилиндром, при этом шатуны пары шатунов соединены с соседними цилиндрами.

Каждый кривошипно-шатунный механизм одной кривошипно-шатунной плоскости может содержать кривошип, установленный неподвижно на соответствующий вал, к которому в общей точке подвижно присоединена одним концом пара шатунов, а вторым концом каждый шатун пары шатунов подвижно соединен с соответствующим цилиндром, при этом шатуны пары шатунов соединены с соседними цилиндрами.

В одной кривошипно-шатунной плоскости одна пара кривошипно - шатунных механизмов может содержать кривошипные зубчатые диски, установленные неподвижно на соответствующие валы, а вторая пара кривошипно - шатунных механизмов может содержать кривошипы, установленные неподвижно на соответствующие валы, к которым в общей точке подвижно присоединена одним концом пара шатунов, а вторым концом каждый шатун пары шатунов подвижно соединен с соответствующим цилиндром, при этом шатуны пары шатунов соединены с соседними цилиндрами, а кривошипно-шатунные механизмы одной пары установлены напротив друг друга.

Каждый цилиндр подвижно соединен с двумя парами шатунов, причем названные пары шатунов расположена в разных кривошипно - шатунных плоскостях.

Каждый цилиндр может быть подвижно соединен с парой шатунов, присоединенных к соседним кривошипам, которые вращаются в противоположных направлениях.

При нахождении поршней в цилиндрах одной пары цилиндров в положении верхней мертвой точки, поршни в цилиндрах второй пары цилиндров находятся в положении, близком к нижней мертвой точке.

Рабочим телом двигателя в основном является топливно - воздушная смесь.

Внутренняя поверхность каждого цилиндра и внешняя поверхность каждого поршня могут иметь износостойкое покрытие, с низкой шероховатостью, например, покрытие, выполненное микродуговым оксидированием (МДО), или термоэлектрическим оксидированием (ТЭО).

Каждый цилиндр может быть снабжен направляющими для его более ровного хода.

Двигатель может быть снабжен четырьмя гидравлическими шестеренчатыми насосами, кинематически связанными с цилиндрами, и в этом случае он вьшолняет роль гидропривода.

Двигатель может быть снабжен двумя роторами, каждый из которых выполнен в форме металлической чаши с окнами, и расположенными сверху и снизу двигателя оппозитно друг другу, и статором, выполненный в форме металлического кольца и расположенным между роторами, причем роторы кинематически связаны с цилиндрами двигателя таким образом, что они вращаются в противоположных направлениях, и в этом случае он выполняет роль электрогенератора.

Цилиндры двигателя могут быть снабжены направляющими.

Кинематическая связь при этом осуществляется с помощью зубчатых передач.

Плоскостью цилиндров здесь названа плоскость, в которой расположены и пересекаются оси пар цилиндров.

Кривошипно - шатунными плоскостями здесь названы плоскости, проходящие по поверхностям кривошипов, или кривошипных зубчатых колес, в местах соединения кривошипов, или кривошипных зубчатых колес с шатунами кривошипно-шатунных механизмов.

На фиг. 1 изображен предлагаемый двигатель с кривошипными зубчатыми дисками в кривошипно-шатунном механизме и схема его работы, где: 1 цилиндр, 2 - поршень, 3 - кривошипный зубчатый диск, 5 -. шатун, 6 - вал.

На фиг.2 изображен предлагаемый двигатель с обычными кривошипами в кривошипно-шатунном механизме и схема его работы, где: 1 цилиндр, 2 - поршень, 4 - кривошип, 5 - шатун, 6 - вал.

На фиг.З и фиг.4 приведены разные варианты компоновки предлагаемого двигателя с разными способами съема энергии, вырабатываемой двигателем. Изображенные двигатели имеют в каждой кривошипно- шатунной плоскости пару кривошипно - шатунных механизмов с кривошипным зубчатым диском и пару кривошипно - шатунных механизмов с обычными кривошипами. Двигатель на фиг. 3 выполнен таким образом, что съем энергии происходит с двух валов, где: 1 цилиндр, 2 - поршень, 3 - кривошипный зубчатый диск, 4 - кривошип, 5 - шатун, 6 - вал, 7 - вал съема энергии, 8 - зубчатое колесо.

Двигатель на фиг. 4 выполнен таким образом, что съем энергии происходит со всех четырех валов, где 1 цилиндр, 2 - поршень, 3 - кривошипный зубчатый диск, 4 - кривошип, 5 - шатун, 6 - вал, 7 - вал съема энергии, 8 - зубчатое колесо.

На фиг. 5 изображен предлагаемый двигатель внутреннего сгорания, работающий как гидропривод - он снабжен четырьмя гидравлическими шестеренчатыми насосами, кинематически связанными с цилиндрами, где: 9 - гидравлический шестеренчатый насос, 10 - вход насоса, 11- выход насоса.

На фиг.6 изображен двигатель как генератор электрической энергии, где 12 - ротор, 13 - статор.

Предлагаемый двигатель работает следующим образом (на примере, изображенном на фиг.1).

Оппозитно друг другу установленные цилиндры 1, то есть цилиндры, имеющие общую ось и расположенные оппозитно друг другу и. направленные своими полостями навстречу друг другу, составляют пару цилиндров. Каждый цилиндр снабжен соответствующим ему поршнем 2, установленным в его полости неподвижно, или подвижно в пределах регулировки степени сжатия. Поршни, относящиеся к одной паре цилиндров, установлены на общей оси и направлены головками навстречу соответствующему цилиндру. Оси двух пар цилиндров находятся в одной плоскости, где пересекаются под прямым углом в плоскости цилиндров. Каждый цилиндр установлен с возможностью возвратно - поступательного движения вдоль оси пары цилиндров и цилиндры каждой пары цилиндров при работе двигателя сближаются и отдаляется друг от друга таким образом, что соответствующие им поршни занимают в цилиндрах поочередно крайние мертвые точки, или точки, близкие к крайним - верхнюю и нижнюю.

Изображенная на фиг.1 фаза А соответствует началу работы двигателя. Вертикально расположенная пара цилиндров находятся в крайнем положении, при этом соответствующие поршни находятся внутри соответствующих цилиндров. Далее горизонтально расположенная пара цилиндров начинает поступательное движение вдоль оси навстречу друг другу. При этом в каждый цилиндр этой пары цилиндров подают одновременно рабочее тело, а именно топливно - воздушную смесь. Топливно - воздушная смесь поступает в полости каждого из пары цилиндров через клапаны для свежего рабочего тела. При этом осуществляется первый такт - впуск рабочего тела в полость цилиндра. Цилиндры продолжают движение навстречу друг другу, заставляя вращаться навстречу друг другу зубчатые кривошипные диски 3, к которым присоединены соответствующие им шатуны 5. При этом все цилиндры проходят фазу Б, где они располагаются на одинаковом расстоянии от центра -двигателя Когда каждый цилиндр доходит до точки, где поршень занимает нижнюю мертвую точку, происходит сильное сжатие и воспламенение топливно - воздушной смеси - второй такт работы двигателя. При горении топливно - воздушная смесь увеличивается в объеме и заставляет двигаться цилиндры одной пары в противоположном друг другу направлении к верхней мертвой точке - третий такт работы двигателя, где происходит выпуск отработавшей смеси четвертый такт работы - фаза В. Поскольку каждый цилиндр связан через шатуны с двумя соседними кривошипными дисками, они при движении цилиндров заставляют вращаться кривошипные диски, а поскольку те насажены на валы 6 неподвижно, то и эти валы также вращаются. Поскольку двигатель выполнен таким образом, что при сближении одной пары цилиндров другая пара цилиндров отдаляется друг от друга, то есть их циклы противоположны, в разное время крутящий момент от цилиндров получают разные валы, однако они продолжают вращаться, получая дополнительный крутящий момент по инерции от шатунов. Вторая пара цилиндров осуществляет цикл аналогично описанному. Двигатель должен быть выполнен так, чтобы при достижении одной парой цилиндров верхней мертвой точки вторая пара цилиндров занимала положение, близкое к нижней мертвой точке. Таким образом, при работе двигателя в каждом цилиндре осуществляются следующие такты: впуск рабочего тела через входной клапан, сжатие рабочего тела и его воспламенение, рабочий ход - сгорание и расширение рабочего тела и выпуск рабочего тела через выходной клапан. При этом цилиндр совершает только два хода вдоль оси - от нижней мертвой точки к верхней и от верхней мертвой точки к нижней. Этого достаточно, чтобы придать валам крутящий момент через кривошипно-шатунные механизмы. Каждый вал получает вращающий момент от двух цилиндров, работающих в противофазе. В результате кпд двигателя повышается в сравнении с прототипом. Вращающий момент получают одновременно четыре вала, что также повышает кпд двигателя. Движение цилиндров в общей плоскости и сцепление между собой кривошипных зубчатых дисков способствует равномерной работе двигателя без тряски и шума. Если нанести износостойкое покрытие с низкой шероховатостью на основные детали двигателя, например, покрытие микродуговым оксидированием внутренней поверхности цилиндров и боковых поверхностях поршней, трение поверхностей будет минимальным и минимальным будет выделение тепла, что дает возможность либо вообще обойтись от системы охлаждения двигателя, либо существенно ее упростить.

Каждый зубчатый кривошипный диск неподвижно закреплен на соответствующем валу, которому он передает вращательное движение. Вращательный момент от валов передается валам съема энергии 7. Например, как изображено на фиг.З, энергия может передаваться от двух валов двигателя двум валам съема энергии. Передача крутящего момента происходит посредством зубчатой передачи от кривошипного зубчатого колеса зубчатому колесу, неподвижно установленному на валу съема энергии. На фиг. 4 показан вариант передачи крутящего момента от всех валов двигателя четырем валам съема энергии. Далее крутящий момент посредством зубчатых передач может быть передан по назначению, например, на основной вал.

Аналогично описанному, осуществляется работа двигателя внутреннего сгорания, где вместо зубчатых кривошипных дисков используется традиционный кривошип, только кривошипы работают в автономном режиме, без взаимного соприкосновения, как показано на фиг.2.

Предлагаемый двигатель может выполнять роль гидропривода, как изображено на фиг.5. При этом цилиндры двигателя кинематически соединены с шестеренчатыми гидравлическими насосами 9. Основой такого насоса является шестеренчатая передача, получающая вращательный момент от вала двигателя и осуществляющая перемещение соответствующего вещества, например, масла, от входа 10 к выходу 11.

Предлагаемый двигатель может выполнять роль электрогенератора, как показано на рис. 6. При этом ин имеет два ротора 12 и один статор 13.

Каждый ротор выполнен в форме металлической чаши с окнами, установленной на вал съема энергии. Роторы остановлены снизу и сверху двигателя оппозитно друг другу и таким образом, чтобы их вращение было противоположно друг другу. Между роторами неподвижно установлен статор в форме металлического кольца. При вращении роторов вырабатывается электрическая энергия, которая снимается известными способами. Таким образом, предлагаемый двигатель внутреннего сгорания имеет высокий кпд в сравнении с существующими, низкий уровень шума и вибраций, и не требует сложной системы охлаждения.

Краткое описание фигур чертежей

На фиг. 1 изображен предлагаемый двигатель с кривошипными зубчатыми дисками в кривошипно-шатунном механизме и схема его работы.

На фиг.2 изображен предлагаемый двигатель с обычными кривошипами в кривошипно-шатунном механизме и схема его работы.

На фиг.З изображен вариант компоновки предлагаемого двигателя со съемом энергии с двух валов.

На фиг.4 изображен вариант компоновки предлагаемого двигателя, со съемом энергии с четырех валов.

На фиг. 5 изображен предлагаемый двигатель внутреннего сгорания, работающий как гидропривод.

На фиг.6 изображен двигатель, как генератор электрической энергии..

Промышленная применимость

Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания может использоваться для совершения определенной механической работы, например, как двигатель автомобилей, иного транспорта, или силовых приводов различных агрегатов.

Claims

Формула изобретения.

1. Двигатель внутреннего сгорания, включающий четыре полых цилиндра, каждый из которых снабжен поршнем, установленным в его полости и соосно с ним, входом для поступления в полость цилиндра свежего рабочего тела и выходом для удаления из полости цилиндра отработанного рабочего тела, характеризующийся тем, что цилиндры расположены попарно таким образом, что цилиндры одной пары имеют общую ось, и установлены оппозитно друг другу с возможностью возвратно - поступательного движения вдоль этой оси, сближаясь и отдаляясь друг от друга, причем оси названных пар цилиндров расположены в общей плоскости цилиндров и пересекаются между собой под прямым углом, а поршни цилиндров установлены в названной плоскости цилиндров между цилиндрами каждой пары, при этом он имеет четыре вала, установленных перпендикулярно плоскости цилиндров с возможностью вращения, каждый из которых кинематически соединен с соответствующими цилиндрами кривошипно- шатунными механизмами таким образом, что возвратно - поступательное движение названных цилиндров преобразуется во вращательное движение названных валов.

2. Двигатель по п.1, характеризующийся тем, что он выполнен таким образом, что при сближении цилиндров одной пары, цилиндры другой пары отдаляются друг от друга.

3. Двигатель по п.1, характеризующийся тем, что поршни цилиндров установлены ограниченно подвижно.

4. Двигатель по п.1, характеризующийся тем, что поршни цилиндров установлены неподвижно.

5. Двигатель по п.1, характеризующийся тем, что кривошипно-шатунные механизмы расположены в двух кривошипно - шатунных плоскостях, по четыре механизма в каждой плоскости, причем эти плоскости расположены симметрично относительно плоскости цилиндров.

6. Двигатель по п.5, характеризующийся тем, что каждый кривошипно - шатунный механизм одной кривошипно-шатунной плоскости содержит кривошипный зубчатый диск, установленный неподвижно на соответствующий вал, к которому в общей точке подвижно присоединена одним концом пара шатунов, а вторым концом каждый шатун пары шатунов подвижно соединен с соответствующим цилиндром, при этом шатуны пары шатунов соединены с соседними цилиндрами.

7. Двигатель по п.5, характеризующийся тем, что каждый кривошипно - шатунный механизм одной кривошипно-шатунной плоскости содержит кривошип, установленный неподвижно на соответствующий вал, к которому в общей точке подвижно присоединена одним концом пара шатунов, а вторым концом каждый шатун пары шатунов подвижно соединен с соответствующим цилиндром, при этом шатуны пары шатунов соединены с соседними цилиндрами.

8. Двигатель по п.5, характеризующийся тем, что в одной кривошипно- шатунной плоскости одна пара кривошипно - шатунных механизмов содержат кривошипные зубчатые диски, установленные неподвижно на соответствующие валы, а вторая пара кривошипно - шатунных механизмов содержат кривошипы, установленные неподвижно на соответствующие валы, к которым в общей точке подвижно присоединена одним концом пара шатунов, а вторым концом каждый шатун пары шатунов подвижно соединен с соответствующим цилиндром, при этом шатуны пары шатунов соединены с соседними цилиндрами, а кривошипно-шатунные механизмы одной пары установлены напротив друг друга.

9. Двигатель по п.5, характеризующийся тем, что каждый цилиндр подвижно соединен с двумя парами шатунов, причем названные пары шатунов расположена в разных кривошипно - шатунных плоскостях.

10. Двигатель по п.1, характеризующийся тем, что при нахождении поршней в цилиндрах одной пары цилиндров в положении верхней мертвой точки, поршни в цилиндрах второй пары цилиндров находятся в положении, близком к нижней мертвой точке.

11. Двигатель по п.1, характеризующийся тем, что рабочим телом является топливно - воздушная смесь.

12. Двигатель по п.1, характеризующийся тем, что внутренняя поверхность каждого цилиндра и внешняя поверхность каждого поршня имеют износостойкое покрытие, с низкой шероховатостью.

13. Двигатель по п.1, характеризующийся тем, что он содержит четыре гидравлических шестеренчатых насоса, каждый из которых кинематически связан с цилиндрами.

14. Двигатель по п.1, характеризующийся тем, что он содержит два ротора, каждый из которых вьшолнен в форме металлической чаши с окнами, и расположенных сверху и снизу двигателя оппозитно друг другу, и статор, выполненный в форме металлического кольца и расположенный между роторами, причем роторы кинематически связаны с цилиндрами двигателя таким образом, что они вращаются в противоположных направлениях.

15. Двигатель по п.13, или 14, характеризующийся тем, что кинематическая связь осуществляется с помощью зубчатых передач.

16. Двигатель по п.1, характеризующийся тем, что каждый цилиндр снабжен направляющими