Допустим, сын спросит вас: «Папа, а какой самый-самый удивительный мотор на свете»? Что вы ему ответите? 1000-сильный агрегат от Bugatti Veyron? Или новый турбодвигатель AMG? Или мотор Volkswagen с двойным наддувом?
В последнее время появилось немало крутых изобретений, и все эти наддувы-впрыски кажутся удивительными… если не знать . Ибо самый удивительный мотор, о котором я знаю, был сделан в Советском Союзе и, как вы догадались, не для «Лады», а для танка Т-64. Он назывался 5ТДФ, и вот несколько удивительных фактов.
Он был пятицилиндровым, что само по себе необычно. У него было 10 поршней, десять шатунов и два коленчатых вала. Поршни двигались в цилиндрах в противоположных направлениях: сначала навстречу друг другу, потом обратно, снова навстречу и так далее. Отбор мощности осуществялся с обоих коленчатых валов, чтобы было удобно для танка.
Двигатель работал по двухтактному циклу, и поршни играли роль золотников, открывавших впускные и выпускные окна: то есть никаких клапанов и распредвалов у него не было. Конструкция была гениальной и эффективной – двухтактный цикл обеспечивал максимальную литровую мощность, а прямоточная продувка – высокое качество наполнение цилиндров.
Ко всему прочему 5ТДФ был дизелем с непосредственным впрыском, где топливо подавалось в пространство между поршнями незадолго до момента, когда они достигали максимального сближения. Причем, впрыск осуществлялся четырьмя форсунками по хитрой траектории, чтобы обеспечить мгновенное смесеобразование.
Но и этого мало. Двигатель имел турбокомпрессор с изюминкой – огромных размеров турбина и компрессор размещались на валу и имели механическую связь с одним из коленчатых валов. Гениально - на режиме разгона компрессор подкручивался от коленчатого вала, что исключало турбояму, а когда поток выхлопных газов как следует раскручивал турбину, мощность от нее передавалась на коленчатый вал, повышая экономичность мотора (такая турбина называется силовой).
Ко всему прочему мотор был многотопливным, то есть мог работать на дизтопливе, керосине, авиационном топливе, бензине или любой их смеси.
Плюс к этому еще полсотни необычных решений, вроде составных поршней со вставками из жаропрочной стали и системы смазки с сухим картером, как у гоночных автомобилей.
Все ухищрения преследовали две цели: сделать мотор максимально компактным, экономичным и мощным. Для танка важны все три параметра: первый облегчает компоновку, второй улучшает автономность, третий – маневренность.
И результат получился впечатляющим: при рабочем объеме 13,6 литра в самой форсированной версии мотор развивал более 1000 л.с. Для дизеля 60-х годов это был великолепный результат. По удельной литровой и габаритной мощностям мотор превосходил аналоги других армий в несколько раз. Я видел его вживую, и компоновка действительно поражает воображение – прозвище «Чемодан» ему очень идет. Я бы даже сказал «плотно набитый чемодан».
Он не прижился из-за чрезмерной сложности и дороговизны. На фоне 5ТДФ любой автомобильный мотор – даже от Bugatti Veyron – кажется каким-то до нельзя банальным. И чем черт не шутит, техника может сделать виток и снова вернуться к решениям, когда-то использованным на 5ТДФ: двухтактному дизельному циклу, силовым турбинам, многофорсуночному впрыску.
Началось же массовое возвращение к турбомоторам, которые одно время считались слишком сложными для неспортивных машин…
Не будет преувеличением сказать, что большинство самодвижущихся устройств сегодня оснащены двигателями внутреннего сгорания разнообразных конструкций, использующими различные принципиальные схемы работы. Во всяком случае, если говорить об автомобильном транспорте. В данной статье мы рассмотрим более подробно ДВС. Что это такое, как работает данный агрегат, в чем его плюсы и минусы, вы узнаете, прочитав ее.
Принцип работы двигателей внутреннего сгорания
Главный принцип работы ДВС основан на том, что топливо (твердое, жидкое или газообразное) сгорает в специально выделенном рабочем объеме внутри самого агрегата, преобразуя тепловую энергию в механическую.
Рабочая смесь, поступающая в цилиндры такого двигателя, подвергается сжатию. После ее воспламенения при помощи специальных устройств возникает избыточное давление газов, заставляющих поршни цилиндров возвращаться в исходное положение. Так создается постоянный рабочий цикл, преобразующий при помощи специальных механизмов кинетическую энергию в крутящий момент.
На сегодняшний день устройство ДВС может иметь три основных вида:
- часто называемый легким;
- четырехтактный силовой агрегат, позволяющий добиться более высоких показателей мощности и значений КПД;
- обладающие повышенными мощностными характеристиками.
Помимо этого существуют и другие модификации основных схем, позволяющие улучшить те или иные свойства силовых установок данного вида.
Преимущества двигателей внутреннего сгорания
В отличие от силовых агрегатов, предусматривающих наличие внешних камер, ДВС обладает значительными преимуществами. Главными из них являются:
- гораздо более компактные размеры;
- более высокие показатели мощности;
- оптимальные значения КПД.
Необходимо заметить, говоря о ДВС, что это такое устройство, которое в подавляющем большинстве случаев позволяет использовать различные виды топлива. Это может быть бензин, дизельное топливо, природный или керосин и даже обычная древесина.
Такой универсализм принес данной принципиальной схеме двигателя заслуженную популярность, повсеместное распространение и поистине мировое лидерство.
Краткий исторический экскурс
Принято считать, что двигатель внутреннего сгорания ведет отсчет своей истории с момента создания французом де Ривасом в 1807 году поршневого агрегата, использовавшего в качестве топлива водород в газообразном агрегатном состоянии. И хотя с тех пор устройство ДВС подверглось значительным изменениям и модификациям, основные идеи этого изобретения продолжают использоваться и в наши дни.
Первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания увидел свет в 1876 году в Германии. В середине 80-х годов XIX столетия в России был разработан карбюратор, позволявший дозировать подачу бензина в цилиндры мотора.
А в самом конце позапрошлого века знаменитый немецкий инженер предложил идею воспламенения горючей смеси под давлением, что существенно повышало мощностные характеристики ДВС и показатели КПД агрегатов подобного вида, которые до этого оставляли желать много лучшего. С тех пор развитие двигателей внутреннего сгорания шло в основном по пути улучшения, модернизации и внедрения разнообразных улучшений.
Основные виды и типы ДВС
Тем не менее более чем 100-летняя история агрегатов данного вида позволила разработать несколько основных видов силовых установок с внутренним сгоранием топлива. Они отличаются между собой не только составом используемой рабочей смеси, но и конструктивными особенностями.
Бензиновые двигатели
Как явствует из названия, агрегаты данной группы используют в качестве топлива различные виды бензина.
В свою очередь, такие силовые установки принято подразделять на две большие группы:
- Карбюраторные. В таких устройствах топливная смесь перед поступлением в цилиндры обогащается воздушными массами в специальном устройстве (карбюраторе). После чего происходит ее воспламенение при помощи электрической искры. Среди наиболее ярких представителей данного типа можно назвать модели ВАЗ, ДВС которых очень долгое время был исключительно карбюраторного типа.
- Инжекторные. Это более сложная система, в которой впрыск топлива в цилиндры осуществляется посредством специального коллектора и форсунок. Он может происходить как механическим способом, так и посредством специального электронного устройства. Наиболее продуктивными считаются системы прямого непосредственного впрыска "Коммон Рейл". Устанавливаются почти на все современные автомобили.
Инжекторные бензиновые двигатели принято считать более экономичными и обеспечивающими более высокий КПД. Однако стоимость таких агрегатов намного выше, а обслуживание и эксплуатация - заметно сложнее.
Дизельные двигатели
На заре существования агрегатов подобного вида очень часто можно было слышать шутку о ДВС, что это такое устройство, которое ест бензин, как лошадь, а движется намного медленнее. С изобретением дизельного двигателя эта шутка частично потеряла свою актуальность. Главным образом потому, что дизель способен работать на топливе гораздо более низкого качества. А значит, и на гораздо более дешевом, нежели бензин.
Главным принципиальным отличием внутреннего сгорания является отсутствие принудительного воспламенения топливной смеси. Солярка впрыскивается в цилиндры специальными форсунками, а отдельные капли топлива воспламеняются из-за силы давления поршня. Наряду с преимуществами дизельный двигатель обладает и целым рядом недостатков. Среди них можно выделить следующие:
- гораздо меньшая мощность по сравнению с бензиновыми силовыми установками;
- большими габаритами и весовыми характеристиками;
- сложностями с запуском при экстремальных погодных и климатических условиях;
- недостаточной тяговитостью и склонностью к неоправданным потерям мощности, особенно на сравнительно высоких оборотах.
Кроме того, ремонт ДВС дизельного типа, как правило, гораздо более сложен и затратен, нежели регулировка или восстановление работоспособности бензинового агрегата.
Газовые двигатели
Несмотря на дешевизну природного газа, используемого в качестве топлива, устройство ДВС, работающих на газе, несоизмеримо сложнее, что ведет к существенному удорожанию агрегата в целом, его монтажа и эксплуатации в частности.
На силовых установках подобного типа сжиженный или природный газ поступает в цилиндры через систему специальных редукторов, коллекторов и форсунок. Воспламенение топливной смеси происходит так же, как и в карбюраторных бензиновых установках, - при помощи электрической искры, исходящей от свечи зажигания.
Комбинированные типы двигателей внутреннего сгорания
Мало кто знает о комбинированных системах ДВС. Что это такое и где применяется?
Речь идет, конечно же, не о современных гибридных автомобилях, способных работать как на горючем, так и от электрического мотора. Комбинированными двигателями внутреннего сгорания принято называть такие агрегаты, которые объединяют в себе элементы различных принципов топливных систем. Наиболее ярким представителем семейства таких двигателей являются газодизельные установки. В них топливная смесь поступает в блок ДВС практически так же, как и в газовых агрегатах. Но поджиг горючего производится не при помощи электроразряда от свечи, а запальной порцией солярки, как это происходит в обычном дизельном моторе.
Обслуживание и ремонт двигателей внутреннего сгорания
Несмотря на достаточно широкое разнообразие модификаций, все двигатели внутреннего сгорания имеют аналогичные принципиальные конструкции и схемы. Тем не менее, для того чтобы качественно осуществлять обслуживание и ремонт ДВС, необходимо досконально знать его устройство, понимать принципы работы и уметь определять неполадки. Для этого, безусловно, необходимо тщательно изучить конструкцию двигателей внутреннего сгорания различных типов, уяснить для себя назначение тех или иных деталей, узлов, механизмов и систем. Дело это непростое, но очень увлекательное! А главное, нужное.
Специально для пытливых умов, которые желают самостоятельно постичь все таинства и секреты практически любого транспортного средства, примерная принципиальная схема ДВС представлена на фото выше.
Итак, мы выяснили, что собой представляет данный силовой агрегат.
Все схемы открываются в полный размер по клику.
ВСТРЕЧНОЕ ДВИЖЕНИЕ
Особенность двухтактного дизеля профессора Питера Хофбауэра, посвятившего 20 лет своей жизни работе в концерне «Фольксваген», - два поршня в одном цилиндре, движущиеся навстречу друг другу. И название это подтверждает: Opposed Piston Opposed Cylinder (OPOC) - встречные поршни, встречные цилиндры.
Похожую схему еще в середине прошлого века использовали в авиации и танкостроении, например, на немецких «Юнкерсах» или советском танке T-64. Дело в том, что в традиционном двухтактном двигателе оба окна для газообмена перекрывает один поршень, а в двигателях с встречными поршнями в зоне хода одного поршня располагается впускное окно, в зоне хода второго - выпускное. Такая конструкция позволяет раньше открывать выпускное окно и благодаря этому лучше очищать камеру сгорания от отработавших газов. И заранее закрывать, чтобы сберечь некоторое количество рабочей смеси, которое у двухтактного двигателя обычно выбрасывается в выхлопную трубу.
В чем же изюминка конструкции профессора? В центральном (между цилиндрами) расположении коленвала, обслуживающего сразу все поршни. Это решение привело к довольно замысловатой конструкции шатунов. Их по паре на каждой шейке коленвала, причем на внешние поршни приходится по паре шатунов, расположенных по обе стороны цилиндра. Это схема позволила обойтись одним коленвалом (у прежних моторов их было два, размещенных по краям двигателя) и сделать компактный, легкий агрегат. В четырехтактных двигателях циркуляцию воздуха в цилиндре обеспечивает сам поршень, в моторе OPOC - турбонаддув. Для лучшей эффективности быстро разогнать турбину помогает электромотор, который в определенных режимах становится генератором и рекуперирует энергию.
Опытный образец, сделанный для армии без оглядки на экологические нормы, при массе 134 кг развивает 325 л.с. Подготовлен и гражданский вариант - с примерно на сотню сил меньшей отдачей. Как заявляет создатель, в зависимости от исполнения мотор ОРОС на 30–50% легче прочих дизелей сравнимой мощности и в два - четыре раза компактнее. Даже по ширине (это самое внушительное габаритное измерение) ОРОС всего вдвое превосходит один из самых компактных автомобильных агрегатов в мире - двухцилиндровый фиатовский «Твинэйр».
Мотор OPOC - образец модульной конструкции: двухцилиндровые блоки можно компоновать в многоцилиндровые агрегаты, соединяя их электромагнитными муфтами. Когда полная мощность не требуется, для экономии топлива один или несколько модулей могут отключаться. В отличие от обычных двигателей с отключаемыми цилиндрами, где коленвал шевелит даже «отдыхающие» поршни, механических потерь можно избежать. Интересно, а как обстоят дела с топливной экономичностью и вредными выбросами? Разработчик предпочитает обходить этот вопрос молчанием. Понятное дело - тут позиции двухтактников традиционно слабы.
РАЗДЕЛЬНОЕ ПИТАНИЕ
Еще один пример ухода от традиционных догм. Кармело Скудери покусился на святое правило четырехтактных моторов: весь рабочий процесс должен происходить строго в одном цилиндре. Изобретатель поделил цикл между двумя цилиндрами: один отвечает за впуск смеси и ее сжатие, второй - за рабочий ход и выпуск. При этом традиционные четыре такта двигатель, именуемый мотором с разделенным циклом (SCC - Split Cycle Combustion), проходит всего за один оборот коленвала, то есть в два раза быстрее.
Вот как этот мотор работает. В первом цилиндре поршень сжимает воздух и подает его в соединительный канал. Клапан открывается, форсунка впрыскивает топливо, и смесь под давлением врывается во второй цилиндр. Сгорание в нем начинается при движении поршня вниз, в отличие от двигателя Отто, где смесь поджигают чуть раньше, чем поршень достигнет верхней мертвой точки. Таким образом, сгорающая смесь не препятствует в начальной стадии горения движущему навстречу поршню, а, наоборот, подталкивает его. Создатель мотора обещает удельную мощность в 135 л.с. с литра рабочего объема. Причем при значительном сокращении вредных выбросов благодаря более эффективному сгоранию смеси - например, с уменьшением выхода NOx на 80% в сравнении с этим же показателем для традиционного ДВС. Заодно утверждают, что SCC на 25% экономичнее равных по мощности атмосферных моторов. Однако лишний цилиндр - это дополнительная масса, увеличение габаритов, возрастающие потери на трение. Что-то не верится... Особенно если взять в пример новое поколение наддувных двигателей, сделанных под девизом даунсайзинга.
Кстати, для этого двигателя придумана оригинальная схема рекуперации и наддува «в одном флаконе» под названием Air-Hybrid. Во время торможения двигателем цилиндр рабочего хода отключается (клапаны закрыты), а цилиндр сжатия наполняет специальный резервуар сжатым воздухом. При разгоне происходит обратное: не работает цилиндр сжатия, а в рабочий нагнетается запасенный воздух - своего рода наддув. Собственно, при такой схеме не исключается и полный пневморежим, когда воздух будет толкать поршни в одиночку.
МОЩНОСТЬ ИЗ ВОЗДУХА
Профессор Лино Гуззелла также использовал идею накопления сжатого воздуха в отдельном резервуаре: один из клапанов открывает путь от баллона к камере сгорания. В остальном это обычный двигатель с турбонаддувом. Опытный образец построили на базе 0,75-литрового двигателя, предложив его как замену… 2-литровому атмосферному мотору.
Разработчик для оценки эффективности своего творения предпочитает сравнивать его с гибридными силовыми агрегатами. Причем при схожей экономии топлива (около 33%) конструкция Гуззеллы удорожает мотор всего лишь на 20% - сложная бензоэлектрическая установка обходится почти в десять раз дороже. Однако в тестовом образце топливо экономится не столько за счет наддува из баллона, сколько благодаря малому рабочему объему самого двигателя. Но перспективы у сжатого воздуха в работе обычного ДВС все же есть: его можно использовать для пуска мотора в режиме «старт-стоп» или для движения автомобиля на малых скоростях.
КРУТИТСЯ, ВЕРТИТСЯ ШАР…
Среди необычных ДВС мотор Герберта Хюттлина выделяется наиболее примечательной конструкцией: традиционные поршни и камеры сгорания здесь размещены внутри шара. Поршни движутся в нескольких направлениях. Во-первых, навстречу друг другу, образуя между собой камеры сгорания. Кроме того, они соединены попарно в блоки, посаженные на единую ось и вращающиеся по хитрой траектории, заданной кольцевой фигурной шайбой. Корпус поршневых блоков объединен с шестерней, передающей крутящий момент на выходной вал.
Из-за жесткой связи между блоками при наполнении смесью одной камеры сгорания одновременно происходит выпуск отработавших газов в другой. Таким образом, за поворот поршневых блоков на 180 градусов происходит 4-тактный цикл, за полный оборот - два рабочих цикла.
Первый показ шарового двигателя на Женевском автосалоне привлек всеобщее внимание. Концепция, безусловно, интересная - за работой 3D-модели можно наблюдать часами, пытаясь разобраться, как работает та или иная система. Однако за красивой идеей должно последовать воплощение в металле. А разработчик пока ни слова не говорит о хотя бы приблизительных значениях основных показателей агрегата - мощности, экономичности, экологичности. И, главное, о технологичности и надежности.
МОДНАЯ ТЕМА
Роторно-лопастной двигатель изобрели чуть меньше века назад. И, наверное, еще долго не вспоминали бы о нем, не появись амбициозный проект российского народного автомобиля. Под капотом «ё-мобиля» пусть и не сразу, но должен появиться именно роторно-лопастной двигатель, да еще в паре с электромотором.
Вкратце о его устройстве. На оси установлены два ротора с парой лопастей на каждом, образующих камеры сгорания переменной величины. Роторы вращаются в одном направлении, но с разными скоростями - один догоняет другой, смесь между лопастями сжимается, проскакивает искра. Второй начинает движение по окружности, чтобы на следующем круге «подтолкнуть» соседа. Посмотрите на рисунок: в правой нижней четверти происходит впуск, в правой верхней - сжатие, затем против часовой стрелки - рабочий ход и выпуск. Воспламенение смеси осуществляется в верхней точке окружности. Таким образом, за один оборот ротор происходит четыре рабочих такта.
Очевидные преимущества конструкции - компактность, легкость и хороший КПД. Однако есть и проблемы. Из них главная - точная синхронизация работы двух роторов. Задача эта непростая, а решение должно быть недорогим, иначе «ё-мобиль» никогда не станет народным.
Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Двигатель внутреннего сгорания включает в себя, по меньшей мере, один модуль цилиндра. Модуль содержит вал, имеющий первый кулачок с несколькими рабочими выступами, аксиально установленный на валу, второй соседний кулачок с несколькими рабочими выступами и дифференциальную зубчатую передачу к первому кулачку с несколькими рабочими выступами для вращения вокруг оси в обратном направлении вокруг вала. Цилиндры каждой пары расположены диаметрально противоположно по отношению к валу с кулачками. Поршни в паре цилиндров жестко взаимосвязаны. Кулачки с несколькими рабочими выступами содержат 3+n рабочих выступов, где n является нулем или целым четным числом. Возвратно-поступательное движение поршней в цилиндрах сообщает вращательное движение валу через связь между поршнями и поверхностями кулачков с несколькими рабочими выступами. Технический результат заключается в улучшении крутящего момента и характеристик управления циклом двигателя. 13 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. В частности, изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с улучшенным управлением различными циклами в процессе эксплуатации двигателя. Изобретение также относится к двигателям внутреннего сгорания с более высокими характеристиками крутящего момента. Двигатели внутреннего сгорания, которые используются в автомобилях, как правило, являются двигателями возвратно-поступательного типа, в которых поршень, колеблющийся в цилиндре, приводит в движение коленчатый вал через шатун. Имеются многочисленные недостатки в традиционной конструкции поршневого двигателя с кривошипно-шатунным механизмом, недостатки в основном связаны с возвратно-поступательным движением поршня и шатуна. Были разработаны многочисленные конструкции двигателя с целью преодоления ограничений и недостатков традиционных двигателей внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом. Данные разработки включают в себя роторные двигатели, такие как двигатель Ванкеля, и двигатели, в которых кулачок или кулачки используются вместо, по крайней мере, коленчатого вала и в некоторых случаях также шатуна. Двигатели внутреннего сгорания, в которых кулачок или кулачки заменяют коленчатый вал, описаны, например, в заявке N 17897/76 на австралийский патент. Однако в то время как достижения в двигателе данного типа дали возможность преодолеть некоторые недостатки традиционных поршневых двигателей с кривошипно-шатунным механизмом, двигатели, использующие кулачок или кулачки вместо коленчатого вала, не эксплуатируются в полном масштабе. Известны также случаи использования двигателей внутреннего сгорания, имеющих противоположно движущиеся взаимосвязанные поршни. Описание такого устройства приводится в заявке N 36206/84 на австралийский патент. Однако ни в этом раскрытии предмета изобретения, ни в подобных документах нет предложения о возможности использования концепции противоположно движущихся взаимосвязанных поршней совместно с чем-то другим, нежели коленчатым валом. Задача изобретения заключается в создании двигателя внутреннего сгорания кулачкового роторного типа, который может иметь улучшенный крутящий момент и более высокие характеристики управления циклами двигателя. Задачей изобретения является также создание двигателя внутреннего сгорания, который дает возможность преодолеть, по меньшей мере некоторые недостатки существующих двигателей внутреннего сгорания. В широком смысле изобретение предлагает двигатель внутреннего сгорания, включающий в себя, по меньшей мере, один модуль цилиндра, указанный модуль цилиндра содержит: - вал, имеющий первый кулачок с несколькими рабочими выступами, аксиально установленный на валу, и второй соседний кулачок с несколькими рабочими выступами и дифференциальной зубчатой передачей к первому кулачку с несколькими рабочими выступами для вращения вокруг оси в обратном направлении вокруг вала; - по меньшей мере, одну пару цилиндров, цилиндры каждой пары расположены диаметрально противоположно по отношению к валу с кулачками с несколькими рабочими выступами, которые вставлены между ними; - поршень в каждом цилиндре, поршни в паре цилиндров жестко взаимосвязаны; в котором кулачки с несколькими рабочими выступами содержат 3+n рабочих выступов, где n является нулем или целым четным числом; и в котором возвратно-поступательное движение поршней в цилиндрах сообщает вращательное движение валу через связь между поршнями и поверхностями кулачков с несколькими рабочими выступами. Двигатель может содержать от 2 до 6 модулей цилиндра и по две пары цилиндров на каждый модуль цилиндра. Пары цилиндров могут быть расположены под углом 90 o друг к другу. Преимущественно каждый кулачок имеет три рабочих выступа, и каждый выступ является асимметричным. Жесткая взаимосвязь поршней включает в себя четыре шатуна, проходящие между парой поршней с шатунами, находящимися на одинаковом расстоянии друг от друга по периферии поршня, причем для шатунов предусмотрены направляющие втулки. Дифференциальная зубчатая передача может быть установлена внутри двигателя совместно с кулачками, вращающимися в обратном направлении, или с наружной стороны двигателя. Двигатель может быть двухтактным двигателем. Кроме того, связь между поршнями и поверхностями кулачков с несколькими рабочими выступами осуществляется через роликовые подшипники, которые могут иметь общую ось, или их оси могут быть смещены по отношению друг к другу и оси поршня. Из вышесказанного следует, что коленчатый вал и шатуны традиционного двигателя внутреннего сгорания заменены линейным валом и кулачками с несколькими рабочими выступами в двигателе в соответствии с изобретением. Использование кулачка вместо устройства шатуна/коленчатого вала обеспечивает возможность более эффективного контроля за позиционированием поршня в процессе работы двигателя. Например, период нахождения поршня в верхней мертвой точке (TDC) может быть продлен. Далее из подробного описания изобретения следует, что несмотря на наличие двух цилиндров, по меньшей мере, в одной паре цилиндров, в действительности создано устройство цилиндр-поршень двойного действия при помощи противоположно расположенных цилиндров с взаимосвязанными поршнями. Жесткая взаимосвязь поршней также устраняет перекашивающее кручение и сводит до минимума контакт между стенкой цилиндра и поршнем, таким образом, уменьшая трение. Использование двух кулачков, вращающихся в противоположном направлении, дает возможность достичь более высокого крутящего момента, чем при использовании традиционных двигателей внутреннего сгорания. Это объясняется тем, что как только поршень начинает рабочий такт, он имеет максимальное механическое преимущество по отношению к рабочему выступу кулачка. Обратимся теперь к более конкретным деталям двигателей внутреннего сгорания в соответствии с изобретением, такие двигатели, как указано выше, включают в себя, по меньшей мере, один модуль цилиндра. Двигатель с одним модулем цилиндра является предпочтительнее, хотя двигатели могут иметь от двух до шести модулей. В двигателях с несколькими модулями одиночный вал проходит через все модули или как единый элемент, или как взаимосвязанные части вала. Аналогично, блоки цилиндра двигателей с несколькими модулями могут быть выполнены как одно целое друг с другом или отдельно. Модуль цилиндра обычно имеет одну пару цилиндров. Однако двигатели в соответствии с изобретением могут также иметь две пары цилиндров на один модуль. В модулях цилиндров, имеющих две пары цилиндров, пары, как правило, расположены под углом 90 o друг к другу. Что касается кулачков с несколькими рабочими выступами в двигателях в соответствии с изобретением, то предпочтение отдается кулачку с тремя рабочими выступами. Это обеспечивает возможность шести циклов зажигания на один оборот кулачка в двухтактном двигателе. Однако двигатели могут также иметь кулачки с пятью, семью, девятью или большим количеством рабочих выступов. Рабочий выступ кулачка может быть асимметричным для регулирования скорости поршня на определенной стадии цикла, например, для увеличения продолжительности нахождения поршня в верхней мертвой точке (TDC) или в нижней мертвой точке (BDC). По оценке специалистов в данной области техники увеличение продолжительности нахождения в верхней мертвой точке (TDC) улучшает сгорание, в то время как увеличение продолжительности нахождения в нижней мертвой точке (BDC) способствует улучшению продувки. Регулирование скорости поршня при помощи рабочего профиля дает возможность регулировать также ускорение поршня и приложение крутящего момента. В частности, это дает возможность получить более значительный крутящий момент сразу же после верхней мертвой точки, чем в традиционном поршневом двигателе с кривошипно-шатунным механизмом. Другие конструктивные особенности, обеспечиваемые переменной скоростью поршня, включают в себя регулирование скорости открывания отверстия по сравнению со скоростью закрытия и регулированием скорости сжатия по отношению к скорости сгорания. Первый кулачок с несколькими рабочими выступами может устанавливаться на вал любым способом, известным в данной области техники. Альтернативно, вал и первый кулачок с несколькими рабочими выступами могут изготавливаться как единый элемент. Дифференциальная зубчатая передача, которая обеспечивает возможность вращения в обратном направлении первого и второго кулачков с несколькими рабочими выступами, также синхронизирует вращение кулачков в обратном направлении. Способ дифференциальной зубчатой передачи кулачков может быть любым способом, известным в данной области техники. Например, конические зубчатые колеса могут устанавливаться на противоположных поверхностях первого и второго кулачков с несколькими рабочими выступами с, по меньшей мере, одним зубчатым колесом между ними. Предпочтительно, устанавливаются два диаметрально противоположных зубчатых колеса. Поддерживающий элемент, в котором свободно вращается вал, предусмотрен для поддерживающих зубчатых колес, что дает определенные преимущества. Жесткая взаимосвязь поршней, как правило, включает в себя по меньшей мере два шатуна, которые устанавливаются между ними и крепятся к нижней поверхности поршней, смежных с периферией. Предпочтительно используются четыре шатуна, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга по периферии поршня. В модуле цилиндра предусмотрены направляющие втулки для шатунов, взаимосвязывающих поршни. Направляющие втулки обычно имеют конфигурацию, которая обеспечивает возможность бокового движения шатунов при расширении и сжатии поршня. Соприкосновение между поршнями и поверхностями кулачков способствует уменьшению вибрации и потерь в результате трения. С нижней стороны поршня имеется роликовый подшипник для соприкосновения с каждой поверхностью кулачка. Следует отметить, что взаимосвязь поршней, включающих в себя пару противоположно движущихся поршней, обеспечивает возможность регулирования зазора между площадью контакта поршня (будь то роликовый подшипник, каретка или тому подобное) и поверхностью кулачка. Более того, такой способ контакта не требует канавок или того подобного в боковых поверхностях кулачков с целью получения традиционного шатуна, как в случае с некоторыми двигателями аналогичной конструкции. Данная характеристика двигателей аналогичной конструкции при превышении скорости приводит к износу и чрезмерному шуму, данные недостатки в значительной степени устраняются в настоящем изобретении. Двигатели, согласно изобретению, могут быть двухтактными или четырехтактными. В первом случае, смесь топлива обычно подается с наддувом. Однако любой вид подачи топлива и воздуха могут использоваться совместно в четырехтактном двигателе. Модули цилиндров в соответствии с изобретением могут также служить воздушными или газовыми компрессорами. Другие аспекты двигателей согласно изобретению соответствуют тому, что обычно известно в данной области техники. Однако следует отметить, что требуется только подача масла под очень низким давлением на дифференциальную зубчатую передачу кулачков с несколькими рабочими выступами, уменьшая таким образом, потери мощности при помощи масляного насоса. Более того, другие элементы двигателя, включая поршни, могут получать масло путем разбрызгивания. В этом отношении следует отметить, что разбрызгивание масла на поршни при помощи центробежной силы служит также для охлаждения поршней. Преимущества двигателей в соответствии с изобретением включают в себя следующее: - двигатель имеет компактную конструкцию с небольшим количеством движущихся деталей; - двигатели могут работать в любом направлении при применении кулачков с несколькими симметричными рабочими выступами; - двигатели являются более легкими, чем традиционные поршневые двигатели с кривошипно-шатунным механизмом; - двигатели более легко изготавливаются и собираются, чем традиционные двигатели;
- более продолжительный перерыв в работе поршня, который становится возможным благодаря конструкции двигателя, обеспечивает возможность использования более низкой, чем обычная, степени сжатия;
- устранены детали с возвратно-поступательным движением, такие как шатуны вала поршня-кривошипа. Другими преимуществами двигателей в соответствии с изобретением благодаря применению кулачков с несколькими рабочими выступами являются следующие: кулачки могут более легко изготавливаться, чем коленчатые валы; кулачки не требуют дополнительных противовесов; и кулачки удваивают действие как маховик, таким образом, обеспечивая большее количество движения. Рассмотрев изобретение в широком смысле, приведем теперь конкретные примеры осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, кратко описанные ниже. Фиг. 1. Поперечное сечение двухтактного двигателя, включающего в себя один модуль цилиндра с поперечным сечением по оси цилиндров и поперечным сечением по отношению к валу двигателя. Фиг. 2. Часть поперечного сечения по линии A-A фиг. 1. Фиг. 3. Часть поперечного сечения по линии B-B фиг. 1, показывающая деталь нижней части поршня. Фиг. 4. График, показывающий положение конкретной точки на поршне при пересечении одного асимметричного рабочего выступа кулачка. Фиг. 5. Часть поперечного сечения другого двухтактного двигателя, включающего в себя один модуль цилиндра с поперечным сечением в плоскости центрального вала двигателя. Фиг. 6. Вид с торца одного из блоков шестерен двигателя, показанного на фиг. 5. Фиг. 7. Схематический вид части двигателя, показывающий поршень в соприкосновении с кулачками с тремя рабочими выступами, которые вращаются в обратном направлении. Фиг. 8. Деталь поршня, имеющего подшипники, соприкасающиеся со смещенным кулачком. Одинаковые позиции на фигурах пронумерованы одинаково. На фиг. 1 показан двухтактный двигатель 1, включающий в себя один модуль цилиндра, который имеет одну пару цилиндров, состоящую из цилиндров 2 и 3. Цилиндры 2 и 3 имеют поршни 4 и 5, которые взаимосвязаны четырьмя шатунами, два из которых видны в позициях 6a и 6b. Двигатель 1 также включает в себя центральный вал 7, с которым связаны кулачки с тремя рабочими выступами. Кулачок 9 фактически совпадает с кулачком 8, как показано на фигуре, ввиду того, что поршни находятся в верхней мертвой точке или в нижней мертвой точке. Поршни 4 и 5 соприкасаются с кулачками 8 и 9 через роликовые подшипники, положение которых, в общем, указывается в позициях 10 и 11. Другие конструктивные особенности двигателя 1 включают в себя водяную рубашку 12, свечи зажигания 13 и 14, маслоотстойник 15, датчик 16 масляного насоса и уравновешивающие валы 17 и 18. Расположение впускных отверстий указано позициями 19 и 20, которое также соответствует положению выхлопных отверстий. На фиг. 2 более детально показаны кулачки 8 и 9 вместе с валом 7 и дифференциальной зубчатой передачей, которые будут вкратце описаны. Поперечное сечение, показанное на фиг. 2, повернуто на 90 o по отношению к фиг. 1 и рабочие выступы кулачка находятся в немного другом положении по сравнению с положениями, показанными на фиг. 1. Дифференциальная или синхронизирующая зубчатая передача включает в себя коническое зубчатое колесо 21 на первом кулачке 8, коническое зубчатое колесо 22 на втором кулачке 9 и ведущие шестерни 23 и 24. Ведущие шестерни 23 и 24 поддерживаются зубчатой опорой 25, которая прикреплена к корпусу 26 вала. Корпус 26 вала, предпочтительно, является частью модуля цилиндра. На фиг. 2 показан также маховик 27, шкив 28 и подшипники 29-35. Первый кулачок 8 в основном изготовлен за одно целое с валом 7. Второй кулачок 9 может вращаться в обратном направлении по отношению к кулачку 8, но регулируется по времени к вращению кулачка 8 дифференциальной зубчатой передачей. На фиг. 3 показана нижняя сторона поршня 5, показанного на фиг. 1 для того, чтобы представить деталь роликовых подшипников. На фиг. 3 показан поршень 5 и вал 36, проходящий между бобышками 37 и 38. Роликовые подшипники 39 и 40 установлены на валу 36, которые соответствуют роликовым подшипникам, как указано цифрами 10 и 11 на фиг. 1. Взаимосоединенные шатуны могут быть видны в поперечном сечении на фиг. 3, один из них указан позицией 6а. Показаны муфты, через которые проходят взаимосоединенные шатуны, одна из которых указана цифрой 41. Несмотря на то, что фиг. 3 выполнена в более крупном масштабе, чем фиг. 2, из нее следует, что роликовые подшипники 39 и 40 могут соприкасаться с поверхностями 42 и 43 кулачков 8 и 9 (фиг. 2) в процессе эксплуатации двигателя. Работа двигателя 1 может быть оценена по фиг. 1. Движение поршня 4 и 5 слева направо при рабочем такте в цилиндре 2 вызывает вращение кулачков 8 и 9 через их контакт с роликовым подшипником 10. В результате происходит эффект работы "ножниц". Вращение кулачка 8 оказывает воздействие на вращение вала 7, в то время как обратное вращение кулачка 9 также способствует вращению кулачка 7 при помощи дифференциальной зубчатой передачи (см. фиг. 2). Благодаря действию "ножниц" достигается более значительный крутящий момент при рабочем такте, чем в традиционном двигателе. Действительно, соотношение диаметра поршня/длины хода поршня, показанное на фиг. 1, может стремиться к значительно большей площади конфигурации с сохранением адекватного крутящего момента. Еще одной конструктивной особенностью двигателей в соответствии с изобретением, показанным на фиг. 1, является то, что эквивалент картера двигателя герметизирован по отношению к цилиндрам в отличие от традиционных двухтактных двигателей. Это дает возможность использовать топливо без масла, таким образом, уменьшая компоненты, выделяемые двигателем в воздух. Регулирование скорости поршня и продолжительность нахождения в верхней мертвой точке (TDC) и нижней мертвой точке (BDC) при использовании рабочего выступа асимметричного кулачка показаны на фиг. 4. Фиг. 4 - это график конкретной точки на поршне при его колебании между средней точкой 45, верхней мертвой точкой (TDC) 46 и нижней мертвой точкой (BDC) 47. Благодаря рабочему выступу асимметричного кулачка скорость поршня может регулироваться. Во-первых, поршень находится в верхней мертвой точке 46 в течение более продолжительного периода времени. Быстрое ускорение поршня в позиции 48 обеспечивает возможность более высокого крутящего момента при такте сгорания, в то время как более низкая скорость поршня в позиции 49 в конце такта сгорания обеспечивает возможность более эффективного регулирования отверстия. С другой стороны, более высокая скорость поршня в начале такта 50 сжатия обеспечивает возможность более быстрого закрытия для повышения экономии топлива, в то время как низкая скорость поршня в конце 51 данного такта обеспечивает более высокие механические преимущества. На фиг. 5 показан другой двухтактный двигатель, имеющий одноцилиндровый модуль. Двигатель показан в частичном поперечном сечении. В действительности половина блока двигателя удалена для того, чтобы показать внутреннюю деталь двигателя. Поперечное сечение представляет собой плоскость, совпадающую с осью центрального вала двигателя (см. ниже). Таким образом, блок двигателя разделен по средней линии. Однако некоторые компоненты двигателя также показаны в поперечном сечении, такие как поршни 62 и 63, несущие бобышки 66 и 70, кулачки с тремя рабочими выступами 60 и 61 и втулка 83, связанная с кулачком 61. Все эти позиции будут рассмотрены ниже. Двигатель 52 (фиг. 5) включает в себя блок 53, головки 54 и 55 цилиндров и цилиндры 56 и 57. Свеча зажигания включена в головку каждого цилиндра, но для ясности на чертеже не показана. Вал 58 может вращаться в блоке 53 и поддерживается роликовыми подшипниками, один из которых указан позиций 59. Вал 58 имеет первый кулачок 60 с тремя рабочими выступами, прикрепленными к нему, кулачок расположен рядом с кулачком 61 с тремя рабочими выступами, который вращается в обратном направлении. Двигатель 52 включает в себя пару жестко взаимосвязанных поршней 62 в цилиндре 56 и 63 в цилиндре 57. Поршни 62 и 63 связаны четырьмя шатунами, два из которых указаны в позициях 64 и 65. (Шатуны 64 и 65 находятся в другой плоскости по отношению к остальной части поперечного сечения чертежа. Аналогичным образом, точки соприкосновения шатунов и поршней 62 и 63 не находятся в одной и той же плоскости остальной части поперечного сечения. Соотношение между шатунами и поршнями, по существу, такое же, как для двигателя, показанного на фиг. 1-3). Перемычка 53а проходит внутри блока 53 и включает в себя отверстия, через которые проходят шатуны. Данная перемычка сдерживает шатуны и, следовательно, поршни на одной прямой с осью модуля цилиндра. Роликовые подшипники вставлены между нижними сторонами поршней и поверхностями кулачков с тремя рабочими выступами. Что касается поршня 62, то на нижней стороне поршня установлена несущая бобышка 66, которая удерживает вал 67 для роликовых подшипников 68 и 69. Подшипник 68 соприкасается с кулачком 60, в то время как подшипник 69 соприкасается с кулачком 61. Предпочтительно, поршень 63 включает в себя идентичную несущую бобышку 70 с валом и подшипниками. Следует также отметить с учетом несущей бобышки 70, что перемычка 53b имеет соответствующее отверстие для обеспечения возможности прохождения несущей бобышки. Перемычка 53а имеет аналогичное отверстие, но часть перемычки, показанная на чертеже, находится в той же плоскости, что и шатуны 64 и 65. Вращение в обратном направлении кулачка 61 по отношению к кулачку 60 осуществляется дифференциальной зубчатой передачей 71, установленной с наружной стороны блока цилиндров. Корпус 72 предусмотрен для удерживания и покрытия компонентов зубчатой передачи. На фиг. 5 корпус 72 представлен в поперечном сечении, в то время как зубчатая передача 71 и вал 58 показаны не в поперечном сечении. Зубчатая передача 71 включает в себя солнечную шестерню 73 на валу 58. Солнечная шестерня 73 соприкасается с ведущими шестернями 74 и 75, которые, в свою очередь, соприкасаются с планетарными шестернями 76 и 77. Планетарные шестерни 76 и 77 соединены через валы 78 и 79 со вторым комплектом планетарных шестерен 80 и 81, которые установлены с солнечной шестерней 73 на втулке 83. Втулка 83 является коаксиальной по отношению к валу 58 и отдаленный от центра конец втулки прикреплен к кулачку 61. Ведущие шестерни 74 и 75 установлены на валы 84 и 85, валы поддерживаются подшипниками в корпусе 72. Часть зубчатой передачи 71 показана на фиг. 6. Фиг. 6 - это вид с торца вала 58, если смотреть снизу фиг. 5. На фиг. 6 солнечная шестерня 73 видна около вала 57. Ведущая шестерня 74 показана в соприкосновении с планетарной шестерней 76 на валу 78. На фигуре показана также вторая планетарная шестерня 76 на валу 78. На фигуре показана также вторая планетарная шестерня 80 в контакте с солнечной шестерней 32 на втулке 83. Из фиг. 6 следует, что вращение по часовой стрелке, например, вала 58 и солнечной шестерни 73 оказывает динамическое воздействие на вращение против часовой стрелки - по часовой стрелке солнечной шестерни 82 и втулки 83 через ведущую шестерню 74 и планетарные шестерни 76 и 80. Следовательно, кулачки 60 и 61 могут вращаться в обратном направлении. Другие конструктивные особенности двигателя, показанные на фиг. 5, и принцип работы двигателя являются такими же, как у двигателя, показанного на фиг. 1 и 2. В частности, направленное вниз тяговое усилие поршня придает кулачкам действие, подобное ножницам, что может привести к обратному вращению с помощью дифференциальной зубчатой передачи. Следует подчеркнуть, что в то время как в двигателе, показанном на фиг. 5, используются обыкновенные шестерни в дифференциальной зубчатой передаче может также применяться коническая зубчатая передача. Аналогичным образом, обыкновенные шестерни могут использоваться в дифференциальной зубчатой передаче, показанной на фиг. 1 и 2, двигателя. В двигателях, которые приводятся в качестве примеров на фиг. 1-3 и 5, совмещены оси роликовых подшипников, которые соприкасаются с поверхностями кулачков с тремя рабочими выступами. Для дальнейшего улучшения характеристик крутящего момента оси роликовых подшипников могут быть смещены. Двигатель со смещенным кулачком, который соприкасается с подшипниками, схематически показан на фиг. 7. На данной фигуре, которая является видом по центральному валу двигателя, показаны кулачок 86, кулачок 87, вращающийся в обратном направлении, и поршень 88. Поршень 88 включает в себя несущие бобышки 89 и 90, которые несут роликовые подшипники 91 и 92, подшипники показаны в контакте с рабочими выступами 93 и 99 соответственно кулачков с тремя рабочими выступами 86 и 87. Из фиг. 7 следует, что оси 95 и 96 подшипников 91 и 92 смещены по отношению друг к другу и по отношению оси поршня. При расположении подшипников на определенном расстоянии от оси поршня увеличивается крутящий момент при помощи увеличения механического преимущества. Деталь другого поршня со смещенными подшипниками на нижней стороне поршня приводится на фиг. 8. Поршень 97 показан с подшипниками 98 и 99, помещенными в корпуса 100 и 101 на нижней стороне поршня. Отсюда следует, что оси 102 и 103 подшипников 98 и 99 смещены, но не в такой степени, как смещены подшипники на фиг. 7. Отсюда следует, что более значительное разделение подшипников, как показано на фиг. 7, увеличивает крутящий момент. Вышеописанные конкретные варианты осуществления изобретения относятся к двухтактным двигателям, следует отметить, что общие принципы относятся к двух- и четырехтактным двигателям. Ниже отмечается, что многие изменения и модификации могут производиться в двигателях, как показано в вышеприведенных примерах без отступления от пределов и объема изобретения.
Двигатель со встречным движением поршней - конфигурация двигателя внутреннего сгорания с расположением поршней в два ряда один напротив другого в общих цилиндрах таким образом, что поршни каждого цилиндра движутся навстречу друг другу и образуют общую камеру сгорания. Коленвалы механически синхронизированы, причем выпускной вал вращается с опережением относительно впускного на 15-22°, мощность отбирается либо с одного из них, либо с обоих (например, при приводе двух гребных винтов или двух фрикционов). Компоновка автоматически обеспечивает прямоточную продувку - самую совершенную для двухтактной машины и отсутствие газового стыка.
Встречается и другое название этого типа двигателей - двигатель с противоположно-движущимися поршнями (двигатель с ПДП ).
Устройство двигателя со встречным движением поршней:
1 - впускной патрубок; 2 - нагнетатель; 3 - воздухопровод; 4 - предохранительный клапан; 5 - выпускной КШМ; 6 - впускной КШМ (запаздывает на ~20° от выпускного); 7 - цилиндр со впускными и выпускными окнами; 8 - выпуск; 9 - рубашка водяного охлаждения; 10 - свеча зажигания. изометрия