двигатель внутреннего сгорания (варианты)

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания четырехтактный поршневой, содержащий цилиндр с верхними впускными и выпускными окнами, открытие и закрытие которых осуществляется клапанами принудительного действия различной конструкции (тарельчатыми с приводом от распределительного вала или от электромагнита, золотниковыми или дисковыми вращательного действия или другими), отличающийся тем, что в нижней части цилиндра над поршнем при его положении в нижней мертвой точке (НМТ) выполнены нижние выпускные окна, которые перекрываются поршнем при его движении от нижней к верхней мертвой точке (ВМТ), выпускные клапаны открывают верхние выпускные окна цилиндра после открытия поршнем нижних выпускных окон, а впускные клапаны соединены с нагнетателем и закрывают верхние впускные окна цилиндра после закрытия поршнем нижних выпускных окон.

2. Двигатель внутреннего сгорания четырехтактный поршневой, содержащий цилиндр, а также выпускные и впускные клапаны принудительного действия, из которых к последним подведен воздух от нагнетателя, отличающийся тем, что в нижней части цилиндра над поршнем при его положении в нижней мертвой точке выполнены нижние впускные окна, к которым подведен воздух от нагнетателя и которые перекрываются поршнем при его движении от нижней к верхней мёртвой точке, причем на линии подачи воздуха перед нижними впускными окнами установлен самодействующий впускной клапан, а перед самодействующим впускным клапаном установлен запорный клапан с ручным или автоматическим приводом.

3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что в нижней части цилиндра над поршнем при его положении в нижней мертвой точке выполнены нижние выпускные окна, которые расположены так, что перекрываются поршнем при его движении к верхней мертвой точке раньше, чем перекрываются поршнем нижние впускные окна.

4. Двигатель внутреннего сгорания двухтактный поршневой, содержащий цилиндр, впускные и выпускные окна цилиндра, расположенные над поршнем при его положении в нижней мертвой точке, и нагнетатель, от которого воздух подводится к впускным окнам, отличающийся тем, что впускные окна расположены в осевом направлении так, что они закрываются поршнем при его движении к верхней мертвой точке после закрытия поршнем выпускных окон, а перед этими впускными окнами установлен самодействующий впускной клапан.

5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что он содержит продувочные впускные окна, соединенные с нагнетателем, которые закрываются поршнем при его движении к верхней мертвой точке раньше, чем закрываются выпускные окна, а перед самодействующим впускным клапаном установлен запорный клапан с ручным или автоматическим приводом.

6. Двигатель внутреннего сгорания поршневой, содержащий впускные и выпускные окна цилиндра, открытие и закрытие которых осуществляется электромагнитными клапанами, программа работы которых по четырехтактному принципу работы двигателя задается электронным блоком управления, получающим сигнал от датчика скорости вращения вала двигателя, отличающийся тем, что в электронный блок управления дополнительно введена программа работы, которая обеспечивает двухтактный принцип работы двигателя, а в нижней части цилиндра над поршнем при его положении в нижней мертвой точке выполнены нижние впускные и выпускные окна, из которых впускные окна соединены с нагнетателем.

7. Двигатель по п.6, отличающийся тем, что на линии подвода воздуха от нагнетателя перед нижними впускными окнами установлен самодействующий клапан, а нижние впускные окна расположены в осевом направлении так, что они закрываются поршнем при его движении к верхней мертвой точке после закрытия поршнем выпускных окон.

8. Двигатель по п.7, отличающийся тем, что на линии подвода воздуха к самодействующему клапану до или после него установлен запорный клапан с ручным или автоматическим управлением.

9. Двигатель внутреннего сгорания двухтактный поршневой, содержащий два смежных (рядом стоящих) цилиндра двухстороннего действия, у которых поршни движутся в противоположном направлении и в них образованы путем соединения полости одного цилиндра с полостью другого цилиндра объединенные рабочие полости, имеющие в одной полости впускные, а в другой полости выпускные окна, из которых впускные окна соединены с нагнетателем, создающем давление газа выше атмосферного давления, отличающийся тем, что впускные окна объединенных полостей цилиндров расположены в верхней части цилиндров над поршнями смежных цилиндров и снабжены клапанами принудительного действия, которые закрываются после закрытия поршнем выпускных окон.

10. Двигатель по п.9, отличающийся тем, что цилиндры имеют расположенные над поршнем при его положении в нижней мертвой точке нижние впускные окна, соединенные с нагнетателем.

11. Двигатель по п. 9 или 10, отличающийся тем, что он выполнен двухрядным и у него смежные цилиндры двухстороннего действия, имеющие объединенные рабочие полости, установлены во втором ряду через разделяющую перегородку над цилиндрами первого ряда, а объединенные полости цилиндров второго ряда соединены с полостями цилиндров первого ряда.

12. Двигатель внутреннего сгорания четырехтактный поршневой, содержащий цилиндр двухстороннего действия, у которого с двух сторон поршня образованы рабочие полости двигателя, впускные и выпускные окна цилиндра, а также впускные и выпускные клапаны, выполненные в верхней части цилиндра, отличающийся тем, что он имеет два смежных (рядом стоящих) цилиндра двухстороннего действия, поршни которых движутся в противоположном направлении и в них образованы путем соединения полости одного цилиндра с полостью другого цилиндра объединенные рабочие полости.

13. Двигатель по п.12, отличающийся тем, что в нижней части цилиндров над поршнем при его положении в НМТ выполнены нижние выпускные окна, перекрываемые поршнем при его движении от НМТ к ВМТ.

14. Двигатель по п.12 или 13, отличающийся тем, что он выполнен двухрядным и у него смежные цилиндры двухстороннего действия, имеющие объединенные рабочие полости, установлены во втором ряду через разделяющую перегородку над цилиндрами первого ряда, а объединенные полости цилиндров второго ряда соединены с полостями цилиндров первого ряда.

15. Двигатель внутреннего сгорания двухтактный поршневой, содержащий два или более цилиндров, впускные и выпускные окна цилиндров и рабочие полости, которые образованы над поршнем цилиндра при его положении в НМТ, отличающийся тем, что рабочие полости, имеющие одинаковые по углу поворота вала фазы рабочего хода поршня, соединены друг с другом и образуют группы, а в каждой группе полостей одна рабочая полость снабжена перепускными и верхними выпускными клапанами принудительного действия, размещенными в крышке цилиндра, из которых верхние выпускные клапаны открываются и остаются открытыми при выталкивающем ходе поршня, когда он движется в направлении от НМТ к ВМТ, а перепускные клапаны (клапан) соединяют эту рабочую полость после закрытия верхних выпускных клапанов с другими рабочими полостями из этой группы при положении её поршня вблизи ВМТ.

16. Двигатель по п.15, отличающийся тем, что он имеет два смежных цилиндра двухстороннего действия, у которых рабочие полости образованы с двух сторон поршня, а поршни смежных цилиндров работают в противофазе и движутся в противоположном направлении по отношению друг к другу.

17. Двигатель по п.15 или 16, отличающийся тем, что он выполнен двухрядным и у него смежные цилиндры двухстороннего действия установлены во втором ряду через разделяющую перегородку над цилиндрами первого ряда, а нижние рабочие полости цилиндров второго ряда, расположенные под поршнем, соединены с рабочими полостями цилиндров первого ряда.

18. Двигатель внутреннего сгорания двухтактный поршневой, содержащий рабочий и компрессорный цилиндры, а также впускные и выпускные окна цилиндров, отличающийся тем, что рабочий цилиндр в своей верхней части снабжен выпускными клапанами принудительного действия, которые открываются и остаются открытыми при движении поршня рабочего цилиндра от нижней к верхней мертвой точке, а компрессорный цилиндр является стартовым и в своей верхней части снабжен перепускным клапаном принудительного действия для перепуска сжатого газа из компрессорного цилиндра в рабочий цилиндр, который открывается после закрытия выпускных клапанов рабочего цилиндра в момент подхода поршня рабочего цилиндра к верхней мертвой точке.

19. Двигатель по п.18, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным цилиндром, который имеет выпускные клапаны принудительного действия, а рабочий цилиндр снабжен перепускным клапаном, который соединяет рабочий цилиндр с дополнительным цилиндром при положении их поршней вблизи верхней мертвой точки.

20. Двигатель по п.18 или 19, отличающийся тем, что он имеет несколько соединенных последовательно дополнительных цилиндров, у которых предыдущий цилиндр является стартовым для последующего цилиндра.

21. Двигатель по любому из пп.18-20, отличающийся тем, что на линии перепуска газа из компрессорного цилиндра в рабочий цилиндр и из рабочего в дополнительный цилиндр установлена форсунка для впрыска топлива в цилиндр во время перепуска.

22. Двигатель по п.18, отличающийся тем, что он снабжен турбонагнетателем, который на входе в турбину подключен к выхлопному тракту рабочего цилиндра, а на выходе подключен к впускному тракту компрессорного цилиндра.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к области двигателестроения, в частности к поршневым двухтактным и четырехтактным двигателям внутреннего сгорания.

Известны поршневые четырехтактные двигатели, у которых механизм газораспределения включает в себя запорные клапаны, имеющие принудительный привод.

Недостатками известных двигателей являются тяжелые температурные условия работы выпускных клапанов. При использовании выпускных тарельчатых клапанов возникает необходимость применять для их изготовления специальные жаростойкие стали. Тем не менее, типичной поломкой выпускных тарельчатых клапанов является прогорание тарелки клапана, а поэтому нельзя использовать специальные сорта топлива с высокой температурой сгорания и нельзя форсировать двигатель по скорости вращения и степени сжатия газа в цилиндре.

Известны четырехтактные двигатели с золотниковым (крановым) газораспределением [1, 2, 3 и 4]. В 1912 г. четырехтактные двигатели "4-цилиндровой серии" с моторами Henriot с вращающимися клапанами (золотниковое газораспределение) выпускались английской фирмой "Александр Даррак энд - компани. Лимитед". Двигатель этой фирмы не имел движущихся возвратно-поступательно неуравновешенных инерционных масс, что давало возможность форсировать его по скорости вращения. Он отличался бесшумностью работы, хорошим наполнением и очисткой цилиндров, т.к. отсутствие в механизме газораспределения неуравновешенных инерционных масс позволяло увеличивать проходные сечения впускных и выпускных окон цилиндра. Однако непродолжительный опыт эксплуатации таких двигателей выявил и их существенный недостаток, которым является большой нагрев золотника и, как следствие, сложности с его смазкой [1]. В результате двигатели с золотниковым газораспределением в 1913 г. были сняты с производства и к ним до последнего времени не возвращались. В последние 10 лет новая информация о двигателях с золотниковым газораспределением появилась в статьях [3 и 4]. Но большой нагрев золотника со стороны выпускных окон и сложности с его смазкой остаются основным недостатком таких двигателей, который снижает их надежность.

Перспективным направлением в настоящее время считается использование в четырехтактных двигателях тарельчатых запорных клапанов с электромагнитным приводом [5]. Такие клапаны для мотоцикла "Супербайк 999" разрабатывала итальянская фирма DUCATI. Работы в этом направлении ведутся также французской фирмой RENAULT, которая намерена выиграть гонки Формулы-1 в 2002 г. и планирует применить электромагнитные клапаны, которые наиболее просто позволяют изменять фазы газораспределения в зависимости от скорости вращения вала двигателя. Ожидается, что на двигателях XXI века самым перспективным будет способ изменения фаз газораспределения с помощью электромагнитных клапанов [6]. Однако по высказыванию многих специалистов [7], использование в двигателях электромагнитных тарельчатых клапанов связано с большими техническими трудностями, к которым можно отнести:

- тарельчатые клапаны движутся - и имеют большие инерционные массы;

- перед открытием выпускных клапанов остаточное давление газа в цилиндре составляет порядка 0,4 МПа и более, которое действует на клапанную тарелку, прижимает ее к седлу и препятствует открытию клапана. Чем больше площадь проходного сечения выпускных окон и клапанной тарелки, тем большая сила требуется для открытия клапана. Давление газов, действующее на площадь тарелки клапана в момент открытия клапана, может составлять 5 МПа и выше. Для преодоления силы давления газа на клапанную тарелку и сил от инерционных масс необходимо использовать электромагниты большой мощности. Большая мощность электромагнитов влечет за собой необходимость увеличения мощности генератора тока, который будет иметь большой вес и будет отнимать у двигателя часть его энергии;

- чем больше инерционная масса клапана и чем больше сила магнитов, тем больше сила динамических ударов клапана о седло и ограничитель подъема;

- для смягчения ударов клапана о седло и ограничитель подъема требуется использование демпфирующих устройств;

- нельзя помещать катушки соленоидов в зоне выпускного коллектора, где действует высокая температура, а поэтому необходимо удлинять шток клапана, что увеличивает инерционную массу клапана и усложняет его конструкцию.

Проведенный анализ показывает, что у четырехтактных двигателей внутреннего сгорания при использовании выпускных клапанов различной конструкции, в том числе указанных выше, возникает ряд технических проблем, которые вызываются наличием высокой температуры газа в зоне действия выпускных клапанов, а также наличием остаточного давления в цилиндре в момент открытия выпускных клапанов. Эти технические проблемы усложняют конструкцию клапанов, вызывают сокращение их проходного сечения и ограничивают возможности форсирования двигателя по скорости вращения и степени сжатия газа в цилиндре.

Задачей изобретения является повышение надежности и экономичности двигателя, а также повышение его удельной мощности за счет форсирования по скорости вращения и степени сжатия, для чего необходимо уменьшить инерционную массу клапанов, уменьшить давление газа в цилиндре в момент открытия выпускных клапанов, уменьшить количество выхлопных газов, проходящих через выпускные клапаны, и снизить их температуру.

Поставленная задача в части первого варианта достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания четырехтактный поршневой содержит цилиндр с верхними впускными и выпускными окнами, открытие и закрытие которых осуществляется клапанами принудительного действия различной конструкции (тарельчатыми с приводом от распределительного вала или от электромагнита, золотниковыми или дисковыми вращательного действия или другими). Согласно изобретению в нижней части цилиндра над поршнем при его положении в нижней мертвой точке (НМТ) выполнены нижние выпускные окна, которые перекрываются поршнем при его движении от нижней к верхней мертвой точке (ВМТ), выпускные клапаны открывают верхние выпускные окна цилиндра после открытия поршнем нижних выпускных окон, а впускные клапаны соединены с нагнетателем и закрывают верхние впускные окна цилиндра после закрытия поршнем нижних выпускных окон.

Поставленная задача в части второго варианта достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания четырехтактный поршневой содержит цилиндр, а также выпускные и впускные клапаны принудительного действия, из которых к последним подведен воздух от нагнетателя. Согласно изобретению в нижней части цилиндра над поршнем при его положении в нижней мертвой точке выполнены нижние впускные окна, к которым подведен воздух от нагнетателя и которые перекрываются поршнем при его движении от нижней к верхней мертвой точке, причем на линии подачи воздуха перед нижними впускными окнами установлен самодействующий впускной клапан, а перед самодействующим впускным клапаном установлен запорный клапан с ручным или автоматическим приводом.

Поставленная задача достигается также тем, что в нижней части цилиндра над поршнем при его положении в нижней мертвой точке могут быть выполнены нижние выпускные окна, которые расположены так, что перекрываются поршнем при его движении к верхней мертвой точке раньше, чем перекрываются поршнем нижние впускные окна.

Поставленная задача в части третьего варианта достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания двухтактный поршневой содержит цилиндр, впускные и выпускные окна цилиндра, расположенные над поршнем при его положении в нижней мертвой точке, и нагнетатель, от которого воздух подводится к впускным окнам. Согласно изобретению впускные окна расположены в осевом направлении так, что они закрываются поршнем при его движении к верхней мертвой точке после закрытия поршнем выпускных окон, а перед этими впускными окнами установлен самодействующий впускной клапан.

Поставленная задача достигается также тем, что он может содержать продувочные впускные окна, соединенные с нагнетателем, которые закрываются поршнем при его движении к верхней мертвой точке раньше, чем закрываются выпускные окна, а перед самодействующим впускным клапаном установлен запорный клапан с ручным или автоматическим приводом.

Поставленная задача в части четвертого варианта достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания поршневой содержит впускные и выпускные окна цилиндра, открытие и закрытие которых осуществляется электромагнитными клапанами, программа работы которых по четырехтактному принципу работы двигателя задается электронным блоком управления, получающим сигнал от датчика скорости вращения вала двигателя. Согласно изобретению в электронный блок управления дополнительно введена программа работы, которая обеспечивает двухтактный принцип работы двигателя, а в нижней части цилиндра над поршнем при его положении в нижней мертвой точке выполнены нижние впускные и выпускные окна, из которых впускные окна соединены с нагнетателем.

Поставленная задача достигается также тем, что на линии подвода воздуха от нагнетателя перед нижними впускными окнами может быть установлен самодействующий клапан, а нижние впускные окна расположены в осевом направлении так, что они закрываются поршнем при его движении к верхней мертвой точке после закрытия поршнем выпускных окон.

Поставленная задача достигается также тем, что на линии подвода воздуха к самодействующему клапану до или после него может быть установлен запорный клапан с ручным или автоматическим управлением.

Поставленная задача в части пятого варианта достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания двухтактный поршневой содержит два смежных (рядом стоящих) цилиндра двухстороннего действия, у которых поршни движутся в противоположном направлении и в них образованы путем соединения полости одного цилиндра с полостью другого цилиндра объединенные рабочие полости, имеющие в одной полости впускные, а в другой полости выпускные окна, из которых впускные окна соединены с нагнетателем, создающим давление газа выше атмосферного давления. Согласно изобретению впускные окна объединенных полостей цилиндров расположены в верхней части цилиндров над поршнями смежных цилиндров и снабжены клапанами принудительного действия, которые закрываются после закрытия поршнем выпускных окон.

Поставленная задача достигается также тем, что цилиндры могут иметь расположенные над поршнем при его положении в нижней мертвой точке нижние впускные окна, соединенные с нагнетателем.

Поставленная задача достигается также тем, что он может быть выполнен двухрядным и у него смежные цилиндры двухстороннего действия, имеющие объединенные рабочие полости, установлены во втором ряду через разделяющую перегородку над цилиндрами первого ряда, а объединенные полости цилиндров второго ряда соединены с полостями цилиндров первого ряда.

Поставленная задача в части шестого варианта достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания четырехтактный поршневой, содержащий цилиндр двухстороннего действия, у которого с двух сторон поршня образованы рабочие полости двигателя, впускные и выпускные окна цилиндра, а также впускные и выпускные клапаны, выполненные в верхней части цилиндра, согласно изобретению имеет два смежных (рядом стоящих) цилиндра двухстороннего действия, поршни которых движутся в противоположном направлении, и в них образованы путем соединения полости одного цилиндра с полостью другого цилиндра объединенные рабочие полости.

Поставленная задача достигается также тем, что в нижней части цилиндров над поршнем при его положении в НМТ могут быть выполнены нижние выпускные окна, перекрываемые поршнем при его движении от НМТ к ВМТ.

Поставленная задача достигается также тем, что он может быть выполнен двухрядным и у него смежные цилиндры двухстороннего действия, имеющие объединенные рабочие полости, установлены во втором ряду через разделяющую перегородку над цилиндрами первого ряда, а объединенные полости цилиндров второго ряда соединены с полостями цилиндров первого ряда.

Поставленная задача в части седьмого варианта достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания двухтактный поршневой содержит два или более цилиндров, впускные и выпускные окна цилиндров и рабочие полости, которые образованы над поршнем цилиндра при его положении в НМТ. Согласно изобретению рабочие полости, имеющие одинаковые по углу поворота вала фазы рабочего хода поршня, соединены друг с другом и образуют группы, а в каждой группе полостей одна рабочая полость снабжена перепускными и верхними выпускными клапанами принудительного действия, размещенными в крышке цилиндра, из которых верхние выпускные клапаны открываются и остаются открытыми при выталкивающем ходе поршня, когда он движется в направлении от НМТ к ВМТ, а перепускные клапаны (клапан) соединяют эту рабочую полость после закрытия верхних выпускных клапанов с другими рабочими полостями из этой группы при положении ее поршня вблизи ВМТ.

Поставленная задача достигается также тем, что он может иметь два смежных цилиндра двухстороннего действия, у которых рабочие полости образованы с двух сторон поршня, а поршни смежных цилиндров работают в противофазе и движутся в противоположном направлении по отношению друг к другу.

Поставленная задача достигается также тем, что он может быть выполнен двухрядным и у него смежные цилиндры двухстороннего действия установлены во втором ряду через разделяющую перегородку над цилиндрами первого ряда, а нижние рабочие полости цилиндров второго ряда, расположенные под поршнем, соединены с рабочими полостями цилиндров первого ряда.

Поставленная задача в части восьмого варианта достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания двухтактный поршневой содержит рабочий и компрессорный цилиндры, а также впускные и выпускные окна цилиндров. Согласно изобретению рабочий цилиндр в своей верхней части снабжен выпускными клапанами принудительного действия, которые открываются и остаются открытыми при движении поршня рабочего цилиндра от нижней к верхней мертвой точке, а компрессорный цилиндр является стартовым и в своей верхней части снабжен перепускным клапаном принудительного действия для перепуска сжатого газа из компрессорного цилиндра в рабочий цилиндр, который открывается после закрытия выпускных клапанов рабочего цилиндра в момент подхода поршня рабочего цилиндра к верхней мертвой точке.

Поставленная задача достигается также тем, что он может быть снабжен дополнительным цилиндром, который имеет выпускные клапаны принудительного действия, а рабочий цилиндр снабжен перепускным клапаном, который соединяет рабочий цилиндр с дополнительным цилиндром при положении их поршней вблизи верхней мертвой точки.

Поставленная задача достигается также тем, что он может иметь несколько соединенных последовательно дополнительных цилиндров, у которых предыдущий цилиндр является стартовым для последующего цилиндра.

Поставленная задача достигается также тем, что на линии перепуска газа из компрессорного цилиндра в рабочий цилиндр и из рабочего в дополнительный цилиндр может быть установлена форсунка для впрыска топлива в цилиндр во время перепуска.

Поставленная задача достигается также тем, что он может быть снабжен турбонагнетателем, который на входе в турбину подключен к выхлопному тракту рабочего цилиндра, а на выходе подключен к впускному тракту компрессорного цилиндра.

Изобретения поясняются при помощи чертежей:

на фиг.1 представлен первый вариант двигателя, описанный в пункте 1 формулы изобретения;

на фиг.2 - второй вариант двигателя, описанный в пунктах 2-3 формулы изобретения;

на фиг.3 - то же, с дополнительным выпускным окном;

на фиг.4 представлен третий вариант двигателя, описанный в пунктах 4-5 формулы изобретения;

на фиг.5 - то же, с дополнительным продувочным окном;

на фиг.6 представлен четвертый вариант двигателя, описанный в пунктах 6-8 формулы изобретения;

на фиг.7 представлен пятый вариант двигателя, описанный в пунктах 9-11 формулы изобретения;

на фиг.8 - то же, двухрядный двигатель, имеющий два смежных цилиндра двухстороннего действия во втором ряду;

на фиг.9 представлен шестой вариант двигателя, описанный в пунктах 12-14 формулы изобретения;

на фиг.10 - то же, в двухрядном исполнении;

на фиг.11 представлен седьмой вариант двигателя, описанный в пунктах 15-17 формулы изобретения;

на фиг.12 - то же, с цилиндрами двухстороннего действия;

на фиг.13 - то же, в двухрядном исполнении;

на фиг.14 представлен восьмой вариант двигателя, описанный в пунктах 18-22 формулы изобретения;

на фиг.15 - то же, с дополнительным цилиндром;

на фиг.16 - диаграмма фаз работы компрессорного и рабочего цилиндров.

Первый вариант двигателя, описанный в первом пункте формулы изобретения и показанный на фиг.1, содержит: 1 - рабочий цилиндр; 2 - поршень цилиндра 1; 3 - окна цилиндра выпускные нижние; 4 - коллектор выпускных газов; 5 - турбонагнетатель; 6 - цилиндрический золотник; 7 - окна цилиндра выпускные верхние; 8 - окна цилиндра впускные, верхние; 9 - регулятор производительности нагнетателя 5; 10 - форсунку низкого давления для подачи топлива; 11 - окна золотника 6; 12 - камеру выпуска; 13 - выпускное окно камеры 12; 14 - свечу зажигания; 15 - камеру впуска; 16 - впускное окно камеры 15; 17 - впускной коллектор; 18 - вал привода золотника 6; 19 - перегородку, отделяющую камеру выпуска 12 от камеры впуска 15; 20 - форсунку двойного назначения, подающую в цилиндр одновременно топливо и сжатый воздух; 21 - топливную форсунку высокого давления.

Принцип работы двигателя заключается в следующем. После загорания и расширения газа в цилиндре 1 в нем вырастает давление. В результате поршень 2 совершает рабочий ход и движется от ВМТ к НМТ. При подходе к НМТ поршень 2 открывает нижние выпускные окна 3 и происходит выпуск сгоревших газов, имеющих к моменту начала выпуска из цилиндра избыточное давление порядка 0,4 МПа и высокую температуру. Сгоревший газ поступает в выпускной коллектор 4, а затем в глушитель шума или на турбину турбонагнетателя 5. Когда поршень 2 от НМТ начинает движение к ВМТ, выпускные окна 3 еще остаются открытыми и давление в цилиндре продолжает снижаться. К моменту закрытия поршнем 2 выпускных окон 3 давление в цилиндре успевает снизиться до избыточного давления порядка 0,05 МПа, т.е. в несколько раз, а следовательно, почти весь газ успевает выйти из цилиндра через окна 3. При снижении давления газа в цилиндре по законам термодинамики соответственно падает температура выхлопных газов. После открытия выпускных окон 3, когда давление в цилиндре резко снизилось, или после полного закрытия поршнем 2 нижних выпускных окон 3, когда почти весь сгоревший газ из цилиндра вышел, а оставшийся в цилиндре газ имеет сниженную температуру, золотниковый клапан 6 открывает верхние выпускные окна 7, которые при четырехтактном принципе работы двигателя остаются открытыми на всем выталкивающем ходе поршня от НМТ к ВМТ. Выталкивание поршнем 2 из цилиндра 1 остатков охлажденных выхлопных газов происходит с меньшим газодинамическим сопротивлением окон 7, т.к. основная масса газа уже вышла через окна 3. В результате значительно облегчаются температурные условия работы золотникового клапана и затрачивается меньшая энергия на выталкивание поршнем оставшихся в цилиндре сгоревших газов.

Снижение скорости прохождения газа через окна позволяет снизить проходное сечение верхних выпускных окон, а в случае использования тарельчатых клапанов появляется возможность уменьшить их инерционную массу. В ВМТ заканчивается выталкивание из цилиндра 1 сгоревших выхлопных газов и происходит закрытие золотником 6 выпускных окон 7. После закрытия окон 7 золотник открывает впускные окна 8 цилиндра. При их открытии и движении поршня 2 от ВМТ к НМТ происходит процесс заполнения цилиндра чистым воздухом, который под давлением поступает от нагнетателя 5. Впускные окна 8 цилиндра 1 остаются открытыми на всем ходу поршня от ВМТ к НМТ. Наличие избыточного давления газа на поршень при его движении к НМТ позволяет совершать поршню полезную работу, что повышает кпд двигателя. При открытии поршнем 2 нижних выпускных окон 3 давление в цилиндре падает, т.к. цилиндр сообщается с атмосферой. Впускные окна 8 цилиндра закрываются золотником только после закрытия поршнем 2 нижних выпускных окон 3 с небольшой задержкой. После закрытия выпускных окон 3 впускные окна 8 еще какое-то время остаются открытыми и за это время через них происходит заполнение замкнутого объема цилиндра с давлением выше атмосферного, которое может создать нагнетатель 5.

Необходимое для заданного режима работы двигателя количество воздуха, поступающего в цилиндр от нагнетателя 5, регулируется регулятором производительности нагнетателя, например дроссельной заслонкой 9. При большом дросселировании воздуха, поступающего от нагнетателя, в цилиндре при движении поршня 2 от ВМТ к НМТ может создаться вакуум. В этом случае при открытии поршнем 2 выпускных окон 3 произойдет подсос в цилиндр 1 выхлопных газов из выпускного коллектора 4, в котором имеется избыточное давление, т.к. он связан с глушителем шума или нагнетателем 5, имеющими свое газодинамическое сопротивление. Подсос в цилиндр выхлопных газов на режиме работы двигателя со сниженной мощностью нельзя считать отрицательным явлением, т.к. этот режим работы двигателя исследован, описан и применяется в современных двигателях [8]. При уменьшении дросселирования воздуха от нагнетателя вакуум в цилиндре не образуется и подсос выхлопных газов в цилиндр прекратится. Возможна работа двигателя без нагнетателя 5. Тогда в цилиндре не будет создаваться избыточное давление и не будет эффекта наддува воздуха в цилиндр. В этом случае впускные окна 8 целесообразно закрывать сразу после закрытия поршнем 2 выпускных окон 3. Изменение количества воздуха, поступающего в цилиндр, позволяет менять режим работы двигателя по мощности. В варианте двигателя с искровым зажиганием после закрытия поршнем 2 выпускных окон 3 непосредственно в цилиндр подается топливо через форсунку низкого давления 10 или через форсунку двойного назначения 20, которая подает в цилиндр одновременно топливо и сжатый воздух в оптимальном соотношении в зависимости от режима работы двигателя по мощности.

Форсунка двойного назначения описана в источниках информации [9 и 10]. При подходе поршня к ВМТ в цилиндре заканчивается процесс сжатия топливовоздушной смеси и происходит ее воспламенение от свечи зажигания 14, которая может быть объединена с форсункой 10 [8]. Газ расширяется и начинается рабочий ход поршня. Далее все циклы и фазы работы двигателя повторяются. Открытие верхних выпускных окон 7 цилиндра 1 происходит при их совмещении с окнами 11 золотника 6, которые сообщаются с камерой выпуска 12, имеющей выпускное окно 13. Газ из выпускной камеры 12 поступает в выпускной коллектор 4 и далее выпускается в атмосферу или подводится к турбине турбонагнетателя 5. Открытие впускных окон 8 цилиндра 1 происходит при их совмещении с окнами 11 золотника 6, которые сообщаются с впускной камерой 15, имеющей впускное окно 16. Окно 16 соединено с впускным коллектором 17, к которому подается воздух от нагнетателя 5. Цилиндрический золотник 6 имеет вал 18, который связан по вращению с валом двигателя. Внутри золотника выполнена перегородка 19, которая отделяет камеру выпуска 12 от камеры впуска 15.

В дизельном варианте работы двигателя топливо подается в цилиндр форсункой высокого давления 21 в конце цикла сжатия газа в цилиндре, когда создаются в результате высокой степени сжатия газа температурные условия для самовоспламенения топливовоздушной смеси. Процесс сгорания, выпуска, выталкивания и сжатия газа такой же, как в двигателе с искровым зажиганием. Снижение температуры золотника 6 на стороне выпуска газа из окон 7 позволяет создать лучшие условия смазки золотника, а следовательно, позволяет устранить основной недостаток золотникового газораспределения - его недостаточную надежность. Недостаточная надежность была препятствием для широкого использования золотникового газораспределения в двигателях внутреннего сгорания. Снижение температурных условий работы золотника 6 позволяет также форсировать двигатель по степени сжатия и скорости его вращения.

При использовании выпускных тарельчатых клапанов с электромагнитным приводом появляется возможность снижения силы соленоидов и уменьшения их размеров, т.к. уменьшается давление в цилиндре перед открытием выпускных клапанов, на которые действует сила от давления газов. Появляется возможность уменьшить площадь проходного сечения выпускных окон 7, а следовательно, уменьшить габариты и инерционную массу выпускных клапанов, т.к. большая часть сгоревших газов выпускается через нижние выпускные окна 3. Снижение температурного режима работы выпускных клапанов позволяет размещать катушки соленоидов непосредственно в камере выпуска газа 12. В варианте тарельчатых клапанов с приводом их от кулачкового распределительного вала снижение температуры выхлопных газов позволяет отказаться от использования для изготовления выпускных клапанов специальных жаростойких сталей, снизить площадь проходного сечения и инерционную массу клапанов, а также позволяет форсировать двигатель по степени сжатия и скорости вращения.

Второй вариант двигателя описан в пунктах 2 и 3 формулы изобретения и поясняется на фиг.2 и 3. Двигатель содержит: 1 - рабочий цилиндр; 2 - поршень цилиндра; 8 - верхние впускные окна цилиндра; 7 - верхние выпускные окна цилиндра; 6 - цилиндрический золотник вращательного действия; 11 - окна золотника: 19 - перегородку золотника; 15 - камеру впуска; 12 - камеру выпуска; 16 - впускное окно камеры 15; 13 - выпускное окно камеры 12; 5 - нагнетатель; 10 - форсунку или 14 - свечу зажигания; 22 - нижние впускные окна цилиндра; 23 - самодействующий впускной клапан; 24 - запорный клапан; 9 - регулятор производительности нагнетателя 5; 18 - вал привода золотника 6; 25 - выпускные окна цилиндра нижние.

Принцип работы двигателя на фиг.2 заключается в следующем. Двигатель содержит цилиндр 1 и поршень 2. В цилиндре 1 выполнены впускные 8 и выпускные 7 окна, открытие и закрытие которых осуществляется клапанами принудительного действия различной конструкции. В качестве примера рассматривается золотниковое (крановое) газораспределение, которое не имеет неуравновешенных движущихся инерционных масс. В качестве запорных клапанов используется полый цилиндрический золотник 6, который имеет на стенке цилиндра окна 11. При вращении золотника 6 его окна 11 совмещаются с в окнами 7 и 8 цилиндра. Перегородка 19 разделяет внутреннюю полость золотника на впускную 15 и выпускную 12 камеры, с которыми периодически соединяются окна цилиндра. Впускная камера 15 имеет впускное окно 16, а выпускная камера 12 - выпускное окно 13. К впускному окну 16 подведен воздух от турбонагнетателя 5, а выпускное окно 13 соединено с его турбиной. Цилиндр 1 имеет форсунку 10 для подачи топлива, которая может быть объединена со свечой зажигания 14 [7]. В нижней части цилиндра 1 над поршнем 2 при его положении в нижней мертвой точке выполнены нижние впускные окна 22, к которым подведен воздух от нагнетателя 5. На линии подвода воздуха перед нижними впускными окнами 22 установлен самодействующий впускной клапан 23, перед которым установлен запорный клапан 24 с ручным или автоматическим управлением по сигналу от датчика мощности двигателя. Турбонагнетатель 5 имеет регулятор производительности 9. Золотник 6 имеет приводной вал 18, связанный по вращению с валом двигателя.

Двигатель может работать как дизель с самовоспламенением топлива в результате высокой степени сжатия или может иметь принудительное зажигание топлива.

В дизельном варианте при положении поршня 2 в верхней мертвой точке в момент окончания такта сжатия в цилиндр 1 через форсунку высокого давления 21 впрыскивается порция топлива, которая смешивается с воздухом и самовоспламеняется. Газ расширяется и поршень 2 движется от ВМТ к НМТ, совершая свой рабочий ход. При подходе поршня к НМТ золотник 6 открывает выпускные окна 7 цилиндра и происходит выпуск сгоревших газов, которые попадают в камеру выпуска 13, а затем подводятся к турбине турбонагнетателя 5. В это же время поршень 2, двигаясь к НМТ, раскрывает впускные окна 22, где установлен самодействующий впускной клапан 23. Но клапан 23 не открывается, т.к. его открытие происходит под действием разности давления до и после клапана. При выпуске из цилиндра сгоревших газов давление в цилиндре всегда больше, чем давление газа, которое создает нагнетатель 5. Поэтому в начале выпуска газа из цилиндра самодействующий впускной клапан 23 не открывается. При падении давления в цилиндре самодействующий клапан 23 откроется, и в цилиндр поступит свежая порция воздуха от нагнетателя, которая разбавит выхлопные газы и снизит их температуру. Далее поршень начинает движение от НМТ к ВМТ при открытых выпускных окнах 7 и перекрывает впускные окна 22. Соответственно закрывается самодействующий клапан 23. При движении поршня от НМТ к ВМТ происходит выталкивающий ход поршня, и цилиндр очищается от остатков сгоревших газов.

При положении поршня в ВМТ выпускные окна 7 закрываются, а после их закрытия открываются впускные окна 8, которые остаются открытыми на всем ходе поршня от ВМТ к НМТ. Через окна 8 в результате всасывающего хода поршня газ от нагнетателя 5 поступает в цилиндр, но текущее давление в цилиндре всегда будет меньше, чем давление газа перед впускными окнами 8, т.к. последние имеют свое газодинамическое сопротивление. Чтобы уменьшить газодинамическое сопротивление впускных клапанов и увеличить коэффициент наполнения цилиндра, стремятся увеличить проходное сечение впускных клапанов. Но при этом увеличиваются инерционные массы клапанов, например тарельчатых, которые совершают возвратно-поступательное движение. Для уменьшения инерционных масс приходится использовать несколько впускных клапанов на один цилиндр, что усложняет конструкцию газораспределительного устройства. При подходе к НМТ поршень раскрывает впускные окна 22 и т.к. давление газа, идущего от нагнетателя, выше, чем давление газа в цилиндре, происходит открытие самодействующего впускного клапана 23. Газ от нагнетателя 5 начинает поступать в цилиндр дополнительно через нижние впускные окна 15, что увеличивает коэффициент наполнения цилиндра к моменту подхода поршня к НМТ. При начале движения поршня от НМТ к ВМТ начинается процесс сжатия газа в цилиндре, давление газа растет и становится больше, чем давление газа, поступающего от нагнетателя 5. В результате клапан 23 закрывается. Когда поршень подойдет к ВМТ, заканчивается процесс сжатия газа, происходит загорание топлива, и все циклы работы двигателя повторяются.

При варианте двигателя с принудительным зажиганием топливо в цилиндр может подаваться в начале процесса сжатия газа через форсунку 10 низкого давления или через форсунку 20 двойного назначения, которая подает в цилиндр одновременно топливо и сжатый воздух [9]. В конце такта сжатия топливовоздушная смесь поджигается от свечи зажигания. В остальном принцип работы двигателя с принудительным зажиганием не отличается от принципа работы дизельного двигателя, который был описан выше.

Нижние впускные окна 22 служат для увеличения коэффициента наполнения двигателя при его максимальной мощности. На режиме работы двигателя с малыми оборотами и пониженной мощностью поступление воздуха в цилиндр ограничивается. Поэтому на этом режиме работы двигателя впускные окна 22, через которые подается дополнительный воздух, можно из работы исключить. Для этого перед самодействующим клапаном 23 на линии подвода воздуха установлен запорный клапан 24 с ручным или автоматическим приводом.

На фиг.3 показан двигатель по второму варианту, у которого в нижней части цилиндра над поршнем при его положении в нижней мертвой точке дополнительно выполнены нижние выпускные окна 25. Окна 25 расположены в осевом направлении так, что перекрываются поршнем при его движении к ВМТ раньше, чем перекрываются поршнем нижние впускные окна 22. Нижние выпускные окна 25 служат для облегчения работы выпускных клапанов, имеющих принудительный привод. В этом случае, когда поршень 2 совершает рабочий ход, он при подходе к НМТ сначала начинает открывать нижние впускные окна 22. Но в этот момент давление в цилиндре еще высокое и самодействующий впускной клапан 23 открыться не может. При открытии нижних выпускные окон 25 происходит выпуск из цилиндра основной массы газа. Затем начинают открываться верхние выпускные окна 7. К моменту открытия выпускных окон 7 давление выхлопных газов в цилиндре снизилось и соответственно снизилась их температура. Когда давление в цилиндре будет ниже, чем давление газа, идущего от нагнетателя 5, на какое-то время откроется впускной клапан 23, и в цилиндр поступит часть свежего газа, которая дополнительно снизит температуру выхлопных газов. На выталкивающем ходе поршня 2 при его движении от НМТ к ВМТ из цилиндра будут выталкиваться только остатки сгоревших газов с пониженной температурой. В результате снижается температурный режим работы выпускных клапанов и в частности золотника 6. Улучшаются условия его смазки и повышается надежность газораспределительного устройства. В этих условиях для повышения экономичности двигателя можно поднять степень сжатия газа в цилиндре.

После полного выпуска сгоревших газов на всасывающем ходе поршня 2 при его движении от ВМТ к НМТ открываются верхние впускные окна 8, и через них в цилиндр 1 начинает поступать газ от нагнетателя 5. При подходе поршня 2 к НМТ открываются нижние впускные окна 22, и открывается впускной самодействующий клапан 23, через который в цилиндр поступит дополнительный газ от нагнетателя 5. Однако пока не закроются нижние выпускные окна 25, давление в цилиндре не может подняться выше атмосферного давления. Когда поршень 2 закроет нижние выпускные окна 25, нижние впускные окна 22 еще некоторое время остаются приоткрытыми, т.к. они расположены в осевом направлении выше, чем расположены нижние выпускные окна 25. За это время давление в цилиндре может подняться до давления, которое создает нагнетатель 5, что вызовет эффект наддува газа в цилиндр. Увеличение общего проходного сечения впускных окон за счет использования дополнительно нижних впускных окон позволяет повысить коэффициент наполнения цилиндра.

Подвод газа от нагнетателя 5 дополнительно к нижним впускным окнам 22 позволяет уменьшить проходное сечение верхних впускных клапанов 8 без снижения коэффициента наполнения цилиндра, а следовательно, позволяет уменьшить инерционные массы клапанов с принудительным приводом, а также высвободить свободную площадь в крышке цилиндров для ее лучшего охлаждения за счет уменьшения количества впускных клапанов. В качестве самодействующего клапана 23 могут быть использованы самодействующие лепестковые пластинчатые клапаны, которые имеют малые инерционные массы рабочих пластин, отличаются высокой надежностью, допускают большую цикличность работы и широко используются в быстроходных двухтактных двигателях. Их использование в качестве впускных клапанов для достижения максимальной мощности четырехтактного двигателя наряду с уменьшением инерционных масс впускных клапанов принудительного действия позволит повысить скорость вращения двигателя, а следовательно, повысить его литровую мощность и снизить его удельную массу.

Ближайшим аналогом третьего варианта, описанного в пунктах 4 и 5 формулы изобретения, является двухтактный двигатель по патенту РФ [11]. Его недостатком является невозможность осуществления наддува цилиндра с целью повышения его литровой мощности. Это связано с тем, что у него при движении поршня к нижней мертвой точке сначала открываются выпускные окна, которые расположены в осевом направлении выше, чем впускные окна, а после сброса давления в цилиндре открываются впускные окна. Поэтому во время продувки и заполнения цилиндра через впускные окна нельзя поднять давление в цилиндре выше атмосферного давления. Для осуществления наддува и поднятия давления в цилиндре выше атмосферного давления необходимо закрыть выпускные окна раньше, чем закрываются впускные окна.

Третий вариант описываемого изобретения по пунктам 4-5 формулы содержит: 1 - рабочий цилиндр; 2 - поршень цилиндра 1; 22 - впускное окно для наддува воздуха в цилиндр; 25 - выпускное окно; 26 - верхнюю кромку окна 22; 27 - верхнюю кромку окна 25; 28 - днище поршня; 29 - углубление в днище поршня; 5 - нагнетатель; 9 - регулятор производительности нагнетателя; 23 - самодействующий впускной клапан; 10 - форсунку для прямого впрыска топлива в цилиндр; 14 - свечу зажигания; 30 - впускные продувочные окна; 31 - верхнюю кромку окна 30; 24 - запорный клапан с ручным или автоматическим управлением.

Принцип работы двигателя, изображенного на фиг.4, заключается в следующем.

В цилиндре 1 над поршнем 2 при его положении в нижней мертвой точке выполнены впускные окна 22, а также выпускные окна 25. Указанные окна перекрываются поршнем 2 при его движении от НМТ к ВМТ. Впускные окна 22 расположены в осевом направлении по ходу поршня так, что они при движении поршня к ВМТ перекрываются поршнем 2 после перекрытия поршнем 2 выпускных окон 25. Это условие может быть обеспечено, если у окон 22 их верхняя кромка 26 будет расположена выше верхней кромки 27 выпускных окон 25, или за счет изменения формы той части днища 28 поршня 2, которая перекрывает окна 22 или окна 25. Например, со стороны впускных окон 22 в днище 28 может быть выполнено углубление 29, которое на фиг.4 показано пунктиром. В последнем случае высота и расположение окон 22 и окон 25 в осевом направлении могут быть одинаковыми.

Впускные окна 22 соединены с нагнетателем 5, который имеет регулятор производительности 9. На линии подвода воздуха от нагнетателя 5 к впускным окнам 22 установлен самодействующий впускной клапан 23, который открывается и закрывается при появлении разности давления до и после клапана. Впускной клапан сможет открыться, когда давление в цилиндре будет меньше, чем давление перед клапаном. Цилиндр 1 снабжен форсункой 10 для подачи топлива в цилиндр и свечой зажигания 14, которые могут быть объединены в одном узле [8]. Форсунка может иметь двойное назначение и подавать в цилиндр одновременно топливо и сжатый воздух в оптимальном соотношении для заданного режима работы двигателя. Форсунка 20 двойного назначения описана в источнике информации [9]. Двигатель может работать как дизель с самовоспламенением топлива в результате высокой степени сжатия в цилиндре или с принудительным зажиганием топливной смеси от свечи зажигания.

При подходе поршня 2 к ВМТ происходит воспламенение топливной смеси и поршень 2, двигаясь от ВМТ к НМТ, начинает свой рабочий ход. При подходе поршня 2 к НМТ сначала начинают раскрываться поршнем впускные окна 22, но самодействующий впускной клапан 23 не открывается, т.к. давление в цилиндре выше, чем давление перед клапаном. Затем поршень 2 начинает открывать выпускные окна 25 и начинается выпуск из цилиндра 1 сгоревших газов. После открытия окон 25 давление в цилиндре резко падает. Когда давление в цилиндре будет ниже, чем давление воздуха перед клапаном, впускной клапан 23 открывается и начинается продувка цилиндра свежим воздухом, пока поршень 2 не закроет выпускные окна 25. После закрытия выпускных окон 25 впускные окна 22 еще какое-то время остаются открытыми. За это время в цилиндре 1 может подняться давление до величины давления, которое может создать нагнетатель 5. Давление в цилиндре в зависимости от режима работы двигателя по мощности может регулироваться за счет изменения количества подаваемого в цилиндр воздуха регулятором производительности нагнетателя 9. После закрытия впускных окон 22 в варианте двигателя с принудительным зажиганием в цилиндр впрыскивается топливо через форсунку низкого давления 10 или подается одновременно топливо и сжатый воздух через форсунку 20 двойного назначения. В дизельном варианте двигателя топливо подается в цилиндр через форсунку 21 высокого давления в конце такта сжатия. При подходе поршня к ВМТ происходит воспламенение топливной смеси, и циклы работы двигателя повторяются.

В конструктивном варианте двигателя, показанном на фиг.5, двигатель дополнительно имеет продувочные впускные окна 30, соединенные с нагнетателем 5. Окна 30 закрываются поршнем 2 при его движении к ВМТ раньше, чем закрываются выпускные окна 25. Соответственно верхняя кромка 31 окна 30 расположена ниже, чем верхняя кромка 27 окна 25. В этом варианте двигателя перед самодействующим впускным клапаном 23 или после него может быть установлен запорный клапан 24 с ручным или автоматическим приводом, а двигатель может работать с повышенной или пониженной мощностью. При работе двигателя в номинальном режиме с пониженной мощностью запорный клапан 24 закрывается и в работе остаются только впускные продувочные окна 30. В этом случае двигатель будет работать без наддува, т.к. с использованием только впускных продувочных окон 30 в цилиндре при открытых выпускных окнах 25 нельзя поднять давление выше атмосферного давления. При необходимости увеличить мощность двигателя за счет подачи в цилиндр воздуха с давлением выше атмосферного давления запорный клапан 24 открывается. В варианте двигателя на фиг.5 самодействующий впускной клапан 23 будет работать в кратковременном облегченном режиме, т.к. режим повышенной мощности двигателя не требуется постоянно. Запорный клапан 24 может быть использован для закрытия впускных окон 22 как аварийный клапан при поломке рабочих пластин самодействующего клапана 23. В этом случае двигатель будет продолжать работать с использованием впускных окон 25, но не сможет развить максимальной мощности. Кратковременное форсирование мощности двигателя при его работе с наддувом может быть использовано, например, в случае использования двигателя в авиации, когда необходимо увеличивать мощность двигателя при взлете самолета.

Наиболее близким аналогом четвертого варианта двигателя, описанного в пунктах 6-8 формулы изобретения, является поршневой четырехтактный двигатель, газораспределение в котором осуществляется электромагнитными тарельчатыми клапанами неразгруженного типа. Электромагнитные клапаны управляются электронной программой управления, которая запускается в работу от датчика скорости вращения вала двигателя [6 и 7].

Недостатками известного двигателя являются:

- тарельчатые клапаны движутся возвратно-поступательно и имеют большие инерционные массы;

- перед открытием выпускных клапанов остаточное давление газа в цилиндре составляет порядка 0,4 МПа и более, которое действует на клапанную тарелку, прижимает ее к седлу клапана и препятствует открытию клапана. Чем больше площадь проходного сечения выпускных окон и клапанной тарелки, тем большая сила требуется для открытия клапана. Давление газа, действующее на тарелку клапана в момент его открытия, может составлять 5 МПа и выше. Для преодоления силы давления газа на клапанную тарелку и сил инерции необходимо использовать электромагниты большой мощности. Большая мощность электромагнитов влечет за собой необходимость увеличения мощности генератора тока, который будет иметь большой вес и будет отнимать у двигателя часть его энергии;

- чем больше инерционная масса клапана и чем больше сила магнитов, тем больше сила динамических ударов клапанов о седло и ограничитель подъема;

- для смягчения ударов клапана о седло и ограничитель подъема требуется использование демпфирующих устройств;

- выпускные клапаны работают в тяжелых температурных условиях, а поэтому для их изготовления необходимо использовать специальные жаростойкие материалы;

- нельзя помещать катушки соленоидов в зоне выпускного коллектора, где действует высокая температура, а поэтому необходимо удлинять шток клапана, что увеличивает инерционную массу клапана и усложняет его конструкцию;

- двигатель может работать только по четырехтактному циклу, при котором рабочий ход поршня в цилиндре происходит за два оборота вала.

Четвертый вариант двигателя представлен на фиг.6 и содержит: 1 - рабочий цилиндр; 2 - поршень цилиндра 1; 8 - впускные окна цилиндра верхние; 7 - выпускные окна цилиндра верхние; 32 - впускные электромагнитные тарельчатые клапаны; 33 - выпускные электромагнитные тарельчатые клапаны; 34 - катушки соленоидов; 35 - электронный блок программ управления; 36 - переключатель программ; 22 - нижние впускные окна; 25 - нижние выпускные окна; 26 - верхнюю кромку окон 22; 27 - верхнюю кромку окон 25; 30 - нижние впускные продувочные окна; 31 - верхнюю кромку окон 30; 5 - турбонагнетатель; 9 - регулятор производительности нагнетателя; 23 - самодействующий впускной клапан; 24 - запорный клапан; 10 - форсунку для прямой подачи топлива в цилиндр и 14 - свечу зажигания.

Принцип работы двигателя заключается в следующем. Двигатель содержит цилиндр 1 и поршень 2. В цилиндре 1 выполнены верхние впускные 8 и верхние выпускные окна 7, открытие и закрытие которых осуществляется тарельчатыми впускными 32 и выпускными клапанами 33. Привод клапанов осуществляется от электромагнитов 34, которые работают по программам блока управления 35. Программы блока управления функционально связаны с датчиком скорости вращения двигателя. Блок управления 35 может содержать несколько программ управления, в том числе: изменение фаз газораспределения в зависимости от скорости вращения двигателя при его работе по четырехтактному циклу; программы работы двигателя по четырехтактному или двухтактному принципу работы; программы работы двигателя в обычном или форсированном режиме работы; пусковая программа для перевода цилиндров на работу без сжатия газа и другие программы. Для изменения программ работы двигателя блок управления снабжен переключателем программ 36, который может иметь ручной или автоматический привод. В нижней части цилиндра над поршнем при его положении в НМТ выполнены нижние впускные 22 и нижние выпускные 25 окна. Верхняя кромка 26 впускных окон 22 расположена выше верхней кромки 27 выпускных окон 25. Дополнительно в нижней части цилиндра выполнены нижние впускные окна 30, верхняя кромка 31 которых расположена ниже верхней кромки 27 выпускных окон 25. К впускным клапанам 32 и к нижним впускным окнам 22 и 30 подведен воздух от турбонагнетателя 5, который снабжен регулятором производительности 9. От выпускных клапанов 33 и от нижних выпускных окон 25 выхлопные газы подводятся к турбине турбонагнетателя. На линии подвода воздуха перед нижними впускными окнами 22 установлен самодействующий впускной клапан 23 и запорный клапан 24, имеющий ручной или автоматический привод.

Двигатель 1 имеет форсунку 10 низкого или 21 высокого давления для прямого впрыска топлива в цилиндр 1. Форсунка 10 может быть объединена со свечой зажигания 14. Принцип работы двигателя позволяет его использовать в качестве дизельного двигателя с самовоспламенением топлива в результате высокой степени сжатия или в качестве двигателя с искровым зажиганием. Работа двигателя по четырехтактному циклу заключается в следующем. При искровом зажигании в начале такта сжатия газа, когда поршень 2 перекрыл все нижние окна, а впускные 32 и выпускные 33 клапаны закрыты, в цилиндр через форсунку 10 низкого давления впрыскивается порция топлива. Возможен вариант использования форсунки 20 двойного назначения, через которую в цилиндр подается одновременно топливо и сжатый воздух [9]. При подходе поршня 2 к ВМТ и окончании такта сжатия происходит воспламенение топливной смеси от свечи зажигания 14. В дизельном варианте топливо в цилиндр подается через форсунку 21 высокого давления в конце такта сжатия. После загорания газ расширяется, давление в цилиндре растет, и поршень 2, совершая рабочий ход, начинает движение от ВМТ к НМТ. При подходе поршня 2 к НМТ сначала начинают открываться нижние впускные окна 22. Но самодействующий впускной клапан 23 не открывается и сжатый газ из цилиндра через окна 22 не выходит. Затем поршень 2 сначала начинает открывать выпускные окна 25. В результате начинается выпуск сгоревших газов, и давление в цилиндре резко падает. К моменту начала открытия впускных продувочных окон 30 давление в цилиндре будет ниже, чем давление, создаваемое нагнетателем перед впускными окнами 22 и 30. Поэтому открывается самодействующий клапан 23 и начинается продувка цилиндра через впускные окна 22 и 30, а продувочный газ выходит через открытые выпускные окна 25. При подходе поршня 2 к НМТ открываются выпускные клапаны 33, и продувка цилиндра продолжается уже через впускные окна 22 и 30 и через выпускные окна 7 и 25. Продувка цилиндра и очистка его от сгоревших газов продолжается, пока поршень 2 не перекроет продувочные окна 30 и выпускные окна 25. К моменту окончания продувки остатки выхлопных газов в цилиндре разбавились чистым воздухом, идущим от нагнетателя, и температура выхлопных газов резко снизилась.

Наличие выпускных окон 25 позволяет открывать выпускные клапаны 33, когда давление в цилиндре уже упало до атмосферного давления, т.е. в несколько раз снимается нагрузка на тарелку выпускных клапанов 33 при их открытии, если сравнивать условия их работы без выпускных окон 25. Поэтому появляется возможность в несколько раз снизить мощность электромагнитов 34 выпускных клапанов 33 и снизить силу динамических ударов клапана о его седло и ограничитель подъема. После закрытия выпускных окон 25 в цилиндр продолжает поступать газ от нагнетателя 5 через еще открытые впускные окна 22, пока они не закроются. За это время дополнительно разбавляются выхлопные газы и снижается их температура. Поршень 2 продолжает свое движение к ВМТ и через открытое выпускное окно 7 выталкивает уже охлажденный и чистый газ. В результате выпускные клапаны 33 и катушки электромагнитов 34 получают возможность работы в облегченном тепловом и динамическом режиме. Кроме того, т.к. в работе при выпуске газа участвуют дополнительно выпускные окна 25, появляется возможность уменьшить проходное сечение клапанов 33, а следовательно, уменьшить их инерционную массу. При подходе поршня 2 к ВМТ выпускные клапаны 33 закрываются и открываются впускные клапаны 32. При движении поршня от ВМТ к НМТ начинается такт впуска в цилиндр свежего воздуха, который под давлением поступает от нагнетателя и давит на поршень. Поэтому на всасывающем ходе поршня создается положительный момент вращения на валу двигателя. В результате двигатель получает дополнительную энергию и улучшается его кпд. При подходе поршня к НМТ сначала открываются впускные окна 22, и в цилиндр через самодействующий клапан 23 поступает дополнительный воздух, минуя впускные клапаны 32, которые к этому моменту почти закрылись и имеют большое газодинамическое сопротивление.

При открытии выпускных окон 25 часть газа пойдет обратно на турбину нагнетателя 5 и давление в цилиндре на короткое время упадет. После закрытия поршнем выпускных окон 25 впускные окна 22 еще некоторое время остаются открытыми, т.к. их верхняя кромка расположена выше верхней кромки выпускных окон 25. За это время в цилиндр продолжает поступать воздух от нагнетателя 5 через самодействующий впускной клапан 23 до тех пор, пока давление в цилиндре за счет сжатия газа поршнем станет выше, чем давление, создаваемое нагнетателем. После закрытия поршнем впускных окон 22 в цилиндре начинается такт сжатия газа, но высокое давление уже не будет действовать на рабочие пластины самодействующего клапана 23, т.к. впускные окна 22 уже закрыты. В варианте двигателя с искровым зажиганием в начале такта сжатия в цилиндр подается топливо через форсунку 10 низкого давления и далее циклы работы четырехтактного двигателя повторяются.

При необходимости увеличить мощность двигателя последний может быть переведен на двухтактный принцип работы, при котором количество рабочих ходов поршня при заданной скорости вращения вала двигателя увеличивается в два раза. Соответственно увеличивается мощность двигателя. Команда на изменение принципа работы двигателя поступает на переключатель программ 36 блока управления 35. В этом случае впускные 32 и выпускные 33 клапаны закрываются, частота работы форсунок или свечей зажигания увеличивается в два раза и в работе остаются только впускные окна 22 и 30 и выпускные окна 25.

Работа двигателя по двухтактному циклу заключается в следующем. При движении поршня от ВМТ к НМТ в цилиндре происходит расширение газа после его загорания и поршень совершает рабочий ход. Сначала поршень начинает раскрывать впускные окна 22. Но давление в цилиндре большое и самодействующий впускной клапан 23 не открывается. Затем начинают открываться выпускные окна 25 и происходит выпуск из цилиндра сгоревших газов. Давление в цилиндре быстро падает и становится ниже, чем давление воздуха, поступающего от нагнетателя 5. В этот момент начинается продувка цилиндра от сгоревших газов, т.к. открывается самодействующий впускной клапан 23 и открывается впускное окно 30. Продувка продолжается, пока не закроется выпускное окно 25. После закрытия окна 25 газ продолжает поступать в цилиндр через впускное окно 22, пока не закроется самодействующий клапан 23, когда давление в цилиндре станет выше, чем давление воздуха перед клапаном 23. В результате в начале такта сжатия давление в цилиндре будет равно давлению, которое создает в текущий момент нагнетатель 5. Давление и количество подаваемого в цилиндр воздуха может регулироваться регулятором производительности 9. Самодействующий клапан 23 позволяет использовать эффект наддува воздуха в цилиндр, а следовательно позволяет увеличить литровую мощность двигателя в несколько раз. При отсутствии необходимости увеличения мощности двигателя можно закрыть запорный клапан 24 и наддув воздуха в цилиндр прекратится. После закрытия впускных окон 22 открытыми останутся впускные окна 30. Соответственно периодическое отключение подачи воздуха через впускные окна 22 позволит увеличить долговечность рабочих пластин клапана 23. Запорный клапан 24 может также использоваться для закрытия окон 22 как аварийный клапан при поломке рабочих пластин клапана 23, чтобы не допустить выпуск сгоревших газов из цилиндра в линию подачи воздуха от нагнетателя.

Наличие управляемых электромагнитных клапанов позволяет облегчить запуск двигателя, т.к. во время раскрутки двигателя можно перевести электромагнитные клапаны в открытое положение и использовать их как декомпрессионные клапаны. В результате можно снизить мощность и массу электрического стартера.

Наиболее близким аналогом пятого варианта двигателя, описанного в пунктах 9-11 формулы изобретения, является двухтактный двигатель внутреннего сгорания [11] на группу изобретений, где в варианте 2 (пункт 2 формулы) на фиг.10 изображен двухтактный двигатель внутреннего сгорания, имеющий два смежных цилиндра двухстороннего действия, у которого поршни, расположенные в смежных цилиндрах, движутся в противоположном направлении, а рабочие полости, имеющие одинаковые текущие по углу поворота вала фазы работы, соединены между собой и образуют объединенные рабочие полости, имеющие общую камеру сжатия. В этом варианте впускные окна объединенных рабочих полостей соединены с источником продувки, например с турбонагнетателем, а кривошипно-шатунный механизм за счет смещения кривошипов поршней между собой по углу поворота вала обеспечивает опережение открытия и закрытия поршнем выпускных окон по отношению к впускным окнам цилиндра. Такое выполнение двигателя позволяет осуществлять после закрытия поршнем выпускных окон наддув цилиндров с давлением газа выше атмосферного и получать весовой коэффициент наполнения цилиндров больше единицы.

Недостатком прототипа является необходимость смещения кривошипов поршней по углу поворота вала, что усложняет конструкцию механизма движения поршней. Кроме того, т.к. поршни подходят к ВМТ не одновременно, ограничивается возможность сокращения объема камеры сжатия, а следовательно, ограничивается возможность увеличения степени сжатия двигателя. Нельзя обеспечить опережение открытия выпускных окон по отношению к впускным окнам в варианте двухрядного двигателя, когда нижние рабочие полости цилиндров второго ряда соединяются с рабочими полостями цилиндров первого ряда.

Пятый вариант двигателя изображен на фиг.7 и 8 и содержит: 37 - рабочий цилиндр двухстороннего действия левый; 38 - рабочий цилиндр двухстороннего действия правый; 39 - поршень цилиндра 37; 40 - поршень цилиндра 38; 41 - рабочую полость над поршнем 39; 42 - рабочую полость под поршнем 39; 43 - рабочую полость над поршнем 40; 44 - рабочую полость под поршнем 40; 45 - шток, соединяющий поршни с механизмом движения; 46 - канал для соединения полостей, имеющих одинаковые фазы работы; 47 - окно канала 46 полости 43; 48 - окно канала 46 полости 42; 8 - впускные окна полости 41 верхние; 6 - выпускные окна золотника 6; 16 - впускное окно камеры 15; 5 - нагнетатель; 9 - регулятор производительности нагнетателя; 30 - нижние продувочные впускные окна цилиндров; 25 - нижние выпускные окна цилиндров; 10 - форсунку для подачи в цилиндр топлива; 20 - двойную форсунку для подачи одновременно топлива и сжатого воздуха; 14 - свечу зажигания.

Вариант выполнения на фиг.8 имеет дополнительные позиции: 49 - разделяющая перегородка; 50 - цилиндр первого ряда левый; 51 - поршень цилиндра 50; 52 - цилиндр первого ряда правый; 53 - поршень цилиндра 52; 54 - шток, соединяющий поршни первого и второго ряда; 55 - рабочая полость цилиндра 50; 56 - рабочая полость цилиндра 52; 57 - верхние впускные окна полостей 55 и 56; 30 - нижние продувочные окна; 25 - выпускные окна полостей 55 и 56.

Принцип работы двигателя, изображенного на фиг.7, заключается в следующем.

Двигатель имеет два смежных цилиндра 37 и 38 двухстороннего действия, т.к. в них с двух сторон поршня 39 и поршня 40 образованы рабочие полости 41, 42, 43 и 44. Оба цилиндра бесшатунные, т.к. кинематическая связь поршней с механизмом движения осуществляется с помощью штоков 45. Механизм движения поршней, который может иметь различную конструкцию, обеспечивает движение поршней 39 и 40 в противоположных направлениях. В результате рабочая полость 41, расположенная над поршнем 39, работает в противофазе с рабочей полостью 43. Соответственно в противофазе работают рабочие полости 42 и 44, расположенные под поршнями 39 и 40. Смежные цилиндры двухстороннего действия имеют две объединенные рабочие полости, из которых каждая имеет две соединенные друг с другом рабочие полости. Объединенные рабочие полости имеют общую камеру сжатия. При этом объединяются рабочие полости, имеющие одинаковые фазы работы. Для этого рабочая полость 41 с помощью канала 46 соединена с рабочей полостью 44, а рабочая полость 42 соединена с помощью такого же канала с рабочей полостью 43. Обе объединенные рабочие полости имеют одинаковый принцип работы и расположены по отношению друг к другу зеркально. Поэтому можно рассматривать принцип работы только одной объединенной рабочей полости, например объединенной рабочей полости, состоящей из полостей 42 и 43, соединенных каналом 46. В разрезе двигателя на фиг.7 канал, соединяющий полости 41 и 44, не показан. Канал 46 соединяет окно 47 одного цилиндра с окном 48 другого цилиндра. Отношение общего объема рабочей полости, который находится над поршнями при их положении в НМТ, к объему камеры сжатия двух рабочих полостей, который находится над поршнями при их положении в ВМТ, определяет расчетную степень сжатия газа в цилиндрах. В объем камеры сжатия двух рабочих полостей включается объем полости канала, который соединяет эти полости.

Открытие и закрытие верхних впускных окон 8 осуществляется цилиндрическим золотником 6, который по вращению имеет кинематическую связь с валом двигателя. Золотник 6 размещен в камере впуска 15 и имеет на своей наружной цилиндрической поверхности окна 11, которые при вращении золотника совмещаются с окнами цилиндра 8. Камера впуска 15 имеет впускное окно 16, которое соединяется с нагнетателем 5. Нагнетатель 5 имеет регулятор производительности 9, который может быть выполнен, например, в виде дроссельной заслонки. Длина окон и размещение их по дуге окружности золотника определяют заданные фазы работы двухтактного двигателя. Золотник используется как распределительный клапан механизма газораспределения двигателя. Для механизма газораспределения, работающего по заданной программе, могут быть использованы клапаны различной конструкции, в том числе тарельчатые, электромагнитные, дисковые и другие.

Цилиндры рабочих полостей имеют перекрываемые поршнем нижние продувочные впускные окна 30 и нижние выпускные окна 25. В каждой рабочей полости или по одной на одну объединенную полость установлены форсунки 10 для подачи в цилиндр топлива. Форсунки 20 могут подавать в цилиндр одновременно топливо и сжатый воздух. Форсунки могут быть объединены со свечой зажигания 14.

В разрезе двигателя на фиг.7 видно, что поршни цилиндров в рабочих полостях 42 и 43 находятся в НМТ. При подходе к НМТ поршень сначала открывает нижние выпускные окна 25 и сгоревший газ из полости поступает в атмосферу. В этот момент в цилиндре происходит резкое падение давления.

Затем начинают открываться нижние продувочные впускные окна 30 и в камере 43 или 41 - верхние впускные окна 8, через которые газ поступает от нагнетателя 5, и происходит продувка цилиндра от сгоревших газов, пока поршень при своем движении от НМТ к ВМТ не закроет нижние выпускные окна 25. Во время продувки полостей 42 и 43 давление в них не поднимается выше атмосферного давления, т.к. окна 25 открыты и сообщаются с атмосферой. После закрытия поршнем 39 окон 25 впускные окна 8 еще некоторое время остаются открытыми. За это время давление в полостях 42 и 43 поднимается выше атмосферного и сравнивается с давлением, которое может создать нагнетатель 5. При этом после закрытия выпускных окон 25 воздух от нагнетателя 5 поступает в рабочую полость 43 через верхние впускные окна 8, а в рабочую полость 42 через те же окна 8 и канал 46. Количество воздуха, подаваемого в цилиндр, регулируется регулятором производительности 9. После закрытия выпускных окон 25 поршни продолжают движение к мертвым точкам, и начинается процесс сжатия газа в полостях 42 и 43.

В варианте двигателя с принудительным зажиганием в этот момент через форсунки 10 низкого давления в цилиндры подается топливо или через форсунки 20 одновременно топливо и сжатый воздух [9]. При подходе поршней к ВМТ происходит воспламенение топливовоздушной смеси от свечи зажигания, которая может быть расположена только в полости 43 и 41. Вариант рассматриваемого двигателя на фиг.7 позволяет сжигать бедную топливовоздушную смесь, если в полость 42 подавать небольшое количество топлива для образования бедной смеси, а в полость 43 подавать количество топлива для образования нормальной топливовоздушной смеси. Тогда после зажигания смеси в полости 43 газ, имеющий большое давление и температуру, через канал 46 поступает в полость 42, размешивает и зажигает в ней бедную рабочую смесь. В этом случае канал 46 и рабочая полость 43 используются как естественная форкамера, которая поджигает в полости 42 бедную смесь. Возможен вариант, когда бедная смесь подается в рабочую полость 43. Тогда форкамерой для рабочей полости 43 будут канал 46 и рабочая полость 42. В дизельном варианте двигателя в цилиндр подается топливо в конце цикла сжатия газа через форсунку высокого давления 21. После загорания смеси и расширения газа поршни совершают рабочий ход и движутся от ВМТ к НМТ. При подходе поршней к НМТ открываются выпускные окна 25, и происходит выпуск сгоревших газов в атмосферу. Далее все циклы работы рабочих полостей 42 и 43 повторяются.

Также происходит работа объединенных рабочих полостей 41 и 44. Рабочий ход поршней в объединенных полостях 41 и 44 и в объединенных полостях 42 и 43 чередуется через 180° градусов угла поворота вала двигателя.

Схема движения поршней в противоположном (оппозитном) направлении у двухтактного двигателя позволяет разгрузить коренные подшипники коленчатого вала, т.к. векторы сил от двух поршней взаимно уничтожаются и создают на валу только крутящий момент. Такая конструктивная схема двухтактного двигателя позволяет эффективно обеспечивать наддув цилиндра и создавать давление в цилиндре в начале сжатия выше атмосферного давления. Современные нагнетатели на впуске в цилиндр могут создавать давление в три раза большее, чем атмосферное давление. В результате в три раза повысится весовой коэффициент наполнения цилиндра и соответственно пропорционально увеличится литровая мощность двигателя. Увеличение литровой мощности позволяет пропорционально уменьшить удельную массу двигателя на единицу мощности. Можно ожидать, что удельная масса двухтактного двигателя с цилиндрами двухстороннего действия составит 0,15 кг на одну лошадиную силу, т.к. четырехтактный двигатель с цилиндрами двухстороннего действия С.С.Баландина имел удельную массу 0,3 кг на одну лошадиную силу [12]. В отличие от четырехтактного двигателя С.С.Баландина предлагаемый двухтактный двигатель не имеет неуравновешенных инерционных масс и тарельчатых клапанов, которые двигаются возвратно-поступательно. Поэтому появляется возможность увеличить скорость вращения вала двигателя, что даст дополнительное увеличение его литровой мощности.

Двухрядный двигатель пятого варианта, изображенный на фиг.8, дополнительно содержит смежные цилиндры 50 и 52 одностороннего действия первого ряда, установленные через разделяющую перегородку 49 под смежными цилиндрами 37 и 38 двухстороннего действия второго ряда. Поршни соосных цилиндров первого и второго ряда связаны между собой штоками 54. Над поршнями 51 и 53 образованы рабочие полости 55 и 56 двигателя, которые имеют верхние впускные окна 57, нижние продувочные окна 30 и выпускные окна 25, а также могут иметь форсунку 10 для подачи топлива. Впускные окна 57 сообщаются с каналом 46. Как видно на фиг.8, полость 42 имеет соединение с полостью 56, а полость 44 соответственно имеет соединение с полостью 55 (в разрезе на фиг.8 соединение не показано). В результате в двухрядном варианте двигатель имеет 6 рабочих полостей и две объединенные полости, каждая из которых объединяет три рабочих полости. Принцип работы объединенных рабочих полостей в двухрядном двигателе такой же, как в двигателе, изображенном на фиг.7.

Наиболее близким аналогом шестого варианта двигателя, описанного в пунктах 12-14 формулы изобретения, является четырехтактный бесшатунный двигатель С.С.Баландина [см. 12] с цилиндром двухстороннего действия. Его рабочие полости и клапаны принудительного действия расположены с двух сторон поршня. Недостатком такого четырехтактного двигателя является сложность его конструкции из-за необходимости размещения клапанов принудительного действия в нижней части цилиндра двухстороннего действия со стороны штока, соединяющего поршень цилиндра с механизмом движения, а также тяжелые температурные условия работы нагнетательных клапанов.

Шестой вариант двигателя изображен на фиг.9 и 10 и содержит: 37 - цилиндр двухстороннего действия левый; 38 - цилиндр двухстороннего действия правый; 39 - поршень цилиндра 37; 40 - поршень цилиндра 38; 41 - рабочую полость цилиндра 37 над поршнем 39; 42 - рабочую полость цилиндра 37 под поршнем 39; 43 - рабочую полость цилиндра 38 над поршнем 40; 44 - рабочую полость цилиндра 38 под поршнем 40; 45 - штоки поршней; 46 - канал, соединяющий полость над поршнем одного цилиндра с полостью под поршнем другого цилиндра; 47 - окно полости цилиндра над поршнем; 48 - окно полости цилиндра под поршнем; 8 - верхнее впускное окно полостей 41 и 43; 7 - верхнее выпускное окно полостей 41 и 43; 32 – клапаны впускные; 33 - клапаны выпускные; 34 - катушки соленоидов электромагнитных клапанов; 35 - блок программного управления электромагнитными клапанами; 36 - переключатель программ; 15 - камеру впуска цилиндров; 16 - впускное окно камеры впуска 15; 58 - впускной коллектор; 5 - турбонагнетатель; 12 - камеру выпуска; 13 - выпускное окно камеры 12; 59 - выпускной коллектор; 25 - нижние выпускные окна; 9 - регулятор производительности нагнетателя 5; 10 - форсунку низкого или 21 высокого давления для подачи в цилиндр топлива; 14 - свечу зажигания.

В двухрядном исполнении двигатель, показанный на фиг.10, дополнительно содержит: 49 - перегородку, разделяющую цилиндры первого ряда от цилиндров второго ряда; 50 - цилиндр первого ряда левый; 52 - цилиндр первого ряда правый; 51 - поршень цилиндра 50; 53 - поршень цилиндра 52; 54 - шток, соединяющий соосные поршни цилиндров первого и второго ряда; 55 - рабочую полость цилиндра 50; 56 - рабочую полость цилиндра 52; 57 - впускное и выпускное окно рабочей полости 56 цилиндра 52.

Принцип работы двигателя, изображенного на фиг.9, заключается в следующем.

В цилиндрах 37 и 38 двухстороннего действия с двух сторон поршней образованы рабочие полости 41, 42, 43 и 44. Оба цилиндра бесшатунные, т.к. у них кинематическая связь поршней с механизмом движения осуществляется с помощью штоков 45. Механизм движения поршней, который может иметь различную конструкцию, обеспечивает движение поршней в противоположных направлениях. В результате рабочая полости 41 работает в противофазе с рабочей полостью 43, а рабочая полость 42 работает в противофазе с рабочей полостью 44. В смежных цилиндрах 37 и 38 образованы объединенные рабочие полости путем соединения полостей, имеющих одинаковые текущие фазы работы и у которых создается общая рабочая полость и общая камера сжатия. Для объединения рабочая полость 41 соединена с рабочей полостью 44, а рабочая полость 42 соединена с рабочей полостью 43. Соединение каждых двух полостей осуществляется индивидуальными каналами 46, объем которых входит в общий объем камеры сжатия. Канал 46 соединяет окно 47 одного цилиндра с окном 48 другого цилиндра. На фиг.9 в разрезе показан канал 46, соединяющий полости 42 и 43. Такой же канал соединяет полости 41 и 44 (на фиг.9 в разрезе не показан).

Отношение объема общей рабочей полости, который находится в цилиндре при положении поршней в НМТ, к объему камеры сжатия, который находится в цилиндре при положении поршней в ВМТ, определяет степень сжатия газа в цилиндрах. Цилиндры рабочих полостей 41 и 43 в своей верхней части имеют впускные окна 8 и выпускные окна 7. Открытие и закрытие впускных и выпускных окон, расположенных в верхней части цилиндров, осуществляется соответственно впускными 32 и выпускными клапанами 32 принудительного действия, которые могут иметь различную конструкцию. На фиг.9 изображен четырехтактный двигатель, у которого в качестве клапанов принудительного действия используются, например, электромагнитные клапаны с приводом от катушек соленоидов 34. Работа электромагнитных клапанов осуществляется от блока программы управления 35, у которого программы управления запускаются по сигналу от датчика скорости вращения вала двигателя. Блок программ управления 35 может включать в себя несколько программ управления клапанами. В частности могут быть программы с изменением фаз газораспределения в зависимости от скорости вращения вала двигателя с целью увеличения крутящего момента на низких оборотах [6]. Для переключения программ управления используется переключатель программ 36 с ручным или автоматическим управлением. Впускные окна 8 цилиндров соединены с камерами впуска 15, которые имеют впускные окна 16, соединенные с коллектором впуска 58. Коллектор впуска 58 соединен с турбонагнетателем 5, который создает давление сжатого воздуха выше атмосферного. Выпускные окна 7 соединены с камерой выпуска 12, имеющей выпускное окно 13, которое соединено с выпускным коллектором 59. От коллектора 59 выхлопные газы подводятся к турбине турбонагнетателя 5. В рабочих полостях 41, 42, 43 и 44 над поршнем при его положении в ВМТ выполнены нижние выпускные окна 25, которые соединены с выпускным коллектором 59. Турбонагнетатель 5 имеет регулятор производительности 9. Все рабочие полости могут иметь форсунки 10 или 21 для подачи топлива. Рабочие полости 41 и 43 имеют свечи зажигания 14.

Для понимания принципа работы двигателя достаточно рассмотреть работу одной объединенной рабочей полости, например, объединенной полости, которая образуется соединением полости 42 и 43, т.к. эти полости являются зеркальными для полостей 41 и 44, которые образуют вторую объединенную рабочую полость. При рассмотрении принципа работы двигателя условно для рабочей полости можно считать, что ее поршень находится в НМТ, когда поршень открывает нижние выпускные окна 25 в этой полости. Например, в цилиндре 37 для полости 42 поршень 39 находится в НМТ, когда он поднимается вверх и открывает окна 25 этой полости. Этот же поршень 39 в этот момент будет находиться в ВМТ для полости 41, в которой окна 25 будут закрыты.

На фиг.9 показано положение поршня 39 в НМТ для полости 42 и положение поршня 40 в НМТ для полости 43. При четырехтактном принципе работы двигателя полный цикл его работы совершается за два оборота вала. Поэтому при положении поршня в НМТ можно считать, что или закончился рабочий ход поршня, или закончился цикл всасывания (заполнения цилиндра). Для начала рассмотрения всех фаз работы двигателя условно считаем, что поршни находятся в НМТ и закончился процесс заполнения рабочих полостей 42 и 43 воздухом, который поступает в цилиндры от турбонагнетателя 5 через открытые впускные клапаны 32. При этом на всасывающем ходе поршней в полость 43 воздух поступает непосредственно через впускные окна 8 с клапанами 32, а в полость 42 - из полости 43 и через канал 46. При движении поршней к НМТ, пока окна 25 закрыты поршнем, заполнение рабочих полостей может идти с избыточным давлением, которое может создать нагнетатель 5. При открытии поршнем окон 25 избыточное давление, если оно было в цилиндре, стравливается и поступает на турбину турбонагнетателя 5, что улучшает продувку цилиндров и снижает температуру выхлопных газов. После закрытия окон 25 впускные окна 8 еще некоторое время остаются открытыми, и за это время избыточное давление в цилиндре восстанавливается. После закрытия поршнем выпускных окон 25 и впускных окон 8 клапанами 32 в объединенной рабочей полости начинается процесс сжатия газа. При искровом зажигании в этот момент в цилиндры подается топливо через форсунку низкого давления 10. Форсунка может быть установлена в рабочих полостях 42 и 43. В этом случае через форсунку 10 рабочей полости 42 можно подать небольшое количество топлива для образования бедной топливовоздушной смеси, а через другую форсунку 10 можно подать количество топлива для образования нормальной топливовоздушной смеси в рабочей полости 43. При подходе поршней к ВМТ происходит зажигание смеси от свечи зажигания 14 сначала нормальной топливовоздушной смеси в рабочей полости 43. Затем газ, имеющий большой давление и температуру, через канал 46 с большой скоростью поступает в полость 42 и зажигает в ней бедную смесь.

В этом случае полость 43 и канал 46 работают как форкамера для перемешивания и зажигания бедной смеси в полости 42. После загорания топлива давление в полостях 42 и 43 выравнивается, поршни начинают свой рабочий ход и движутся от ВМТ к НМТ. При подходе поршней к НМТ, когда давление в цилиндре снизится и составит величину порядка 0,4 МПа, открываются нижние выпускные окна 25 и сгоревший газ начинает поступать в выпускной коллектор и через него на турбину турбонагнетателя 5. За время открытия и закрытия поршнем выпускных окон 25 давление в цилиндре снизится в несколько раз. Соответственно при расширении и снижении давления газа по законам термодинамики снижается его температура. После открытия или после закрытия выпускных окон 25 открываются выпускные клапаны 33 и остатки сгоревших газов со сниженной температурой через окна 7 поступают в камеру выпуска 12, а затем в выпускной коллектор 59 и на турбину турбонагнетателя 5. При этом значительно облегчаются условия работы выпускных клапанов 33, т.к. они открываются при меньшем давлении в цилиндре, что позволяет снизить мощность электромагнита соленоида и работа их происходит при сниженной температуре газа, что позволяет разместить катушки электромагнитов ближе к выпускным окнам, а следовательно, снизить инерционную массу клапана.

Выпускные клапаны 33 остаются открытыми на всем выталкивающем ходе поршня от НМТ к ВМТ. В ВМТ выпускные клапаны 33 закрываются, а когда поршни начнут двигаться к НМТ, открываются впускные клапаны 32 и начинается всасывающий ход поршней, а затем циклы работы четырехтактного двигателя повторяются. При этом на всасывающем ходе поршня 39 газ в полость 42 попадает через канал 46. Через канал 46 также выталкиваются остатки сгоревших газов из полости 42 при движении поршня 39 от НМТ к ВМТ. В дизельном варианте двигателя топливо подается в цилиндры в конце такта сжатия через форсунку 21 высокого давления, когда в результате большой степени сжатия и повышения температуры газа в цилиндре создаются условия для его самовоспламенения. В остальном принцип работы дизельного двигателя такой же, как у двигателя с принудительным зажиганием. Конструктивное выполнение двигателя на фиг.9 позволяет отказаться от использования впускных и выпускных клапанов с принудительным приводом для полостей 42 и 44, что упрощает конструкцию двигателя и снижает его удельную массу на единицу мощности. Используя эффект форкамеры, когда горящий газ, проходя через канал 46 из одной полости в другую, поджигает в ней сверхбедную смесь, можно повысить экономичность двигателя. Наличие нижних выпускных окон 25 позволяет уменьшить проходное сечение и уменьшить массу выпускных клапанов, а также облегчить температурный режим их работы. Снижается давление на тарелку клапана при открытии электромагнитного клапана, а следовательно, можно уменьшить силу соленоидов и их размеры.

На фиг.10 показан двухрядный двигатель, у которого цилиндры 37 и 38 второго ряда установлены через разделяющую перегородку 49 над цилиндрами 50 и 52 первого ряда. Цилиндры первого ряда имеют поршни 51 и 53. Поршни первого и второго ряда, расположенные соосно, жестко связаны между собой штоками 54. Каждая объединенная полость второго ряда соединена через окно 57 с имеющей такие же фазы работы рабочей полостью первого ряда. В результате образуется объединенная рабочая полость, состоящая из трех рабочих полостей, расположенных в различных цилиндрах. Рабочие полости цилиндров первого ряда могут иметь отдельную форсунку для подачи топлива. Впуск и выпуск газа в рабочих полостях цилиндров первого ряда происходит через окно 57 канала 46, когда поршень совершает ход выталкивания или впуска газа. Зажигание во всех трех объединенных полостях может происходить от одной свечи зажигания, расположенной в крышке цилиндра второго ряда, что облегчает обслуживание двигателя.

Для открытия и закрытия впускных и выпускных окон цилиндра могут быть использованы клапаны с принудительным приводом различной конструкции, в том числе тарельчатые клапаны с приводом от кулачкового распределительного вала, золотниковые или дисковые вращательного действия и другие.

Наиболее близким аналогом седьмого варианта двигателя, описанного в пунктах 15-17 формулы изобретения, является двухтактный двигатель [11]. Вариант, показанный на фиг.22, имеет два соединенных между собой цилиндра, у которых образована общая камера сжатия.

Недостатками известного двигателя можно считать:

- невозможность обеспечения высокой экономичности двигателя, т.к. отсутствуют условия для сжигания в цилиндрах сверх бедной смеси топлива и воздуха;

- для предупреждения детонации при искровом зажигании требуется вести охлаждение цилиндров, а отвод тепла от цилиндров ухудшает процесс сгорания топлива и снижает термический кпд двигателя. Нельзя сжигать различные низкооктановые сорта топлива, т.к. топливо в цилиндры подается в начале такта сжатия, а в процессе сжатия может произойти самовоспламенение топлива. Нельзя по условиям детонации топлива увеличивать степень сжатия в цилиндрах;

- по условиям обеспечения качественной продувки цилиндров нельзя увеличивать сопротивление выхлопного тракта, а поэтому нельзя использовать энергию выхлопных газов для привода турбонагнетателя и нельзя использовать эффективные глушители шума выхлопных газов, которые имеют повышенное газодинамическое сопротивление;

- низкая экономичность двигателя, т.к. к моменту выпуска газа в цилиндре еще остается большое давление, а выпуск газа при большом давлении не позволяет полностью использовать энергию газа при расширении и создает большой уровень шума при выпуске газа из цилиндров;

- невозможность увеличения степени расширения газа при сгорании с целью снижения давления газа в цилиндре перед открытием выпускных клапанов, т.к. для этого требуется увеличивать степень сжатия газа в цилиндре, что вызовет детонацию;

- расход энергии на сжатие газа поршнем в цилиндре.

Перечисленные недостатки относятся также к большинству известных двухтактных двигателей.

Изложенная сущность изобретения по варианту 7 поясняется на фиг.11, 12 и 13. На фиг.11 изображен двигатель, имеющий две рабочие полости и два рядом стоящих цилиндра, поршни которых движутся в одном направлении и имеют одинаковые фазы работы по углу поворота вала. На фиг.12 изображен двигатель, имеющий четыре рабочих полости и два рядом стоящих цилиндра двухстороннего действия, у которого рабочие полости в каждом цилиндре образованы с двух сторон поршня, а поршни в смежных цилиндрах совершают движение в противоположном (оппозитном) направлении, но имеют одинаковые фазы работы по углу поворота вала. На фиг.13 изображен двухрядный двигатель, у которого во втором ряду над цилиндрами первого ряда через разделяющую перегородку установлены два смежных цилиндра двухстороннего действия, а поршни в смежных цилиндрах совершают движение в противоположном направлении.

Седьмой вариант двигателя содержит: 60 - рабочий цилиндр левый; 61 - рабочий цилиндр правый; 62 - поршень цилиндра 60; 63 - поршень цилиндра 61; 64 - рабочую полость цилиндра 60; 65 - рабочую полость цилиндра 61; 66 - окно перепускное для соединения цилиндра 60 с цилиндром 61; 7 - верхние выпускные окна; 25 - нижние выпускные окна цилиндров; 67 - окно перепускное для соединения цилиндра 61 с цилиндром 60; 5 - нагнетатель, например турбонагнетатель; 9 - регулятор производительности нагнетателя, например, дроссельную заслонку; 10 - форсунку для подачи в цилиндр топлива (как вариант форсунка может быть объединена со свечой зажигания 14, может быть использована форсунка 20 двойного назначения для подачи в цилиндр одновременно топлива и сжатого воздуха); 6 - золотник вращательного действия; 11 - окна золотника 6; 15 - камеру впуска; 12 - камеру выпуска; 68 - перепускной канал золотника 6; 16 - впускное окно камеры 15; 13 - выпускное окно камеры 12; 61 - перегородку золотника, разделяющую камеры 12 и 15.

На фиг.12 - 37 - цилиндр двухстороннего действия левый; 38 - цилиндр двухстороннего действия правый; 39 - поршень цилиндра 37; 40 - поршень цилиндра 38; 41 - рабочая полость цилиндра 37 со стороны крышки цилиндров; 42 - рабочая полость под поршнем 39; 43 - рабочая полость цилиндра 38 со стороны крышки цилиндров; 44 - рабочая полость под поршнем 40; 7 - верхние выпускные окна цилиндров; 66 - перепускные окна цилиндров; 6 - золотник; 11 - окна золотника; 25 - нижние выпускные окна; 30 - нижние впускные окна; 48 - окно перепускное в полости 42; 46 - канал перепускной для соединения полостей; 69 - окно перепускное.

На фиг.13-49 - разделяющая перегородка между цилиндрами первого и второго ряда; 50 - цилиндр первого ряда левый; 52 - цилиндр первого ряда правый; 49 - поршень цилиндра 47; 51 - поршень цилиндра 50; 55 - рабочая полость цилиндра 50; 56 - рабочая полость цилиндра 52; 57 - окно соединительное для соединения полости второго ряда с полостью первого ряда; 25 - выпускные окна полостей 55 и 56.

Принцип работы двигателя, изображенного на фиг.11, заключается в следующем.

Механизм движения обеспечивает синхронное движение поршней 62 и 63 в одном направлении, а их фазы работы по углу поворота вала совпадают. Над поршнями образованы рабочие полости 64 и 65. Цилиндр 60 имеет перепускное окно 66, которое соединяет цилиндр 60 с цилиндром 61 и через которое газ может проходить из цилиндра 61 в цилиндр 60 и обратно, а также верхние выпускные окна 7 и нижнее выпускное окно 25, расположенное над поршнем при его положении в НМТ. Выпускные окна 7 и 25 при выпуске из цилиндра сгоревших газов соединяются или с глушителем шума выхлопных газов, или с турбиной турбонагнетателя. Цилиндр 61 имеет нижнее выпускное окно 25, верхние впускные окна 8 и верхнее перепускное окно 67. Окна 8 соединяют цилиндр с источником наддува, например с турбонагнетателем 5, а перепускное окно 67 соединяет цилиндр 61с цилиндром 60. Через окно 67 газ проходит в двух направлениях - из цилиндра 61 в цилиндр 60 и обратно. Турбонагнетатель 5 имеет регулятор производительности 9. Каждый из цилиндров может иметь форсунку 10 для подачи в цилиндр топлива и свечу зажигания 14, которая может быть объединена с форсункой. Вместо форсунки 10 может быть установлена форсунка 20 - двойного назначения. Через форсунку 20 после закрытия выпускных окон 25 в цилиндр подается одновременно топливо и сжатый воздух в оптимальном соотношении в зависимости от режима работы двигателя.

Открытие и закрытие окон 66, 7, 8 и 67 осуществляется цилиндрическим золотником 6 вращательного действия, который имеет окна 11, соединенные с камерами впуска 15 и камерой выпуска 12. Золотник 6 также имеет перепускной канал 68, который соединяет окна 66 и 67. Камера впуска 15 имеет впускное окно 16, а камера выпуска 12 имеет выпускное окно 13. Камера впуска 15 отделена от камеры выпуска 12 перегородкой 69, которая выполнена в золотнике 6.

Двигатель, изображенный на фиг.11, может иметь несколько режимов работы, в том числе с подачей топлива в оба цилиндра и с подачей топлива только в цилиндр 60.

Принцип работы двигателя с подачей топлива в оба цилиндра заключается в следующем.

При движении поршней от ВМТ к НМТ заканчивается их рабочий ход. При открытии поршнями выпускных окон 25 происходит выпуск из цилиндров сгоревших газов. При положении поршней в НМТ окна 25 полностью открыты. Основная масса газов из цилиндров уже вышла и давление в цилиндрах по величине приближается к атмосферному давлению. В этот момент начинается продувка цилиндра 61 воздухом, который идет от нагнетателя 5, заходит через окно 16 в камеру впуска 15 и через совмещенные окна 11 и 8 поступает в цилиндр 61, вытесняя из него остатки сгоревших газов. Продувка цилиндра 61 продолжается, пока поршень 63 не закроет окно 25. После закрытия окна 25 впускные окна 8 еще некоторое время остаются открытыми и за это время в цилиндре 61 давление вырастет до величины давления, которое вырабатывает нагнетатель 5. После открытия или закрытия поршнем 62 окна 25 в цилиндре 60 золотник 6 открывает выпускные окна 7, которые остаются открытыми на большей части хода поршня от НМТ к ВМТ. Наличие нижних выпускных окон 25 в цилиндре 60 позволяет снизить температурный режим работы золотника 6 на стороне верхних выпускных окон 7, т.к. через них проходит только часть оставшегося в цилиндре газа, который имеет сниженную температуру. При движении поршней к ВМТ после закрытия выпускных окон 25 в цилиндре 60 идет его очистка от остатков сгоревших газов за счет выталкивающего хода поршня 62, а в цилиндре 61 после закрытия выпускных окон 25 начинается процесс сжатия газа. В начале сжатия в цилиндре 61, когда окна 25 уже закрыты, через форсунку 10 низкого давления в цилиндр 61 впрыскивается порция топлива, достаточная для образования в нем сверхбедной смеси, которая при сжатии поршнем 63 не самовоспламеняется. При подходе поршня 62 к ВМТ выпускные окна 7 в цилиндре 60 закрываются, и в нем за оставшийся ход поршня 62 до ВМТ давление практически не успевает вырасти. После закрытия окон 7 в цилиндр 60 через форсунку низкого давления 10 подается порция топлива для образования в цилиндре 60 нормальной топливовоздушной смеси. Если использовать форсунку 20 двойного назначения, в цилиндр 60 можно подать одновременно топливо и сжатый воздух. При этом не требуется подавать сжатый воздух с большим давлением, т.к. давление в цилиндре 60 в этот момент практически отсутствует. В источнике [13] отмечается, что технология подачи топлива непосредственно в цилиндр после закрытия окон... "открывает рай для двухтактных двигателей".

В другом источнике [14] отмечается, что... "Будущее двухтактных двигателей, очевидно, за системами впрыска топлива, которые позволят, наконец, разделить процессы продувки и наполнения цилиндра". При положении поршней 62 и 63 в ВМТ или вблизи от ВМТ перепускной канал 68 золотникового клапана 6 совмещается с перепускными окнами 66 и 67. В результате сжатый в цилиндре 61 газ поступает в камеру сжатия цилиндра 60 и смешивается с нормальной топливной смесью, которая уже была в нем образована. Суммарный объем камер сжатия цилиндров в отношении к объему рабочей полости определяет расчетную степень сжатия газа. Т.к. в цилиндре 61 происходило сжатие сверхбедной смеси, которая не воспламеняется при сжатии, а в цилиндре 60 вместо сжатия происходил выталкивающий ход поршня, расчетную степень сжатия можно выбрать выше, чем степень сжатия, которая используется у двигателей с искровым зажиганием. Кроме того, т.к. отсутствуют условия для детонации, можно отказаться от охлаждения цилиндров. В ВМТ топливовоздушная смесь в цилиндре 60 поджигается от свечи зажигания 14. Давление в цилиндре 60 резко растет и газ, имеющий большое давление и температуру, из цилиндра 60 ,как из форкамеры, врывается в цилиндр 61, перемешивает и поджигает в нем сверхбедную смесь. Давление в цилиндрах выравнивается, и начинается рабочий ход поршней, которые двигаются от ВМТ к НМТ. При этом, если сжатие газа происходило только в цилиндре 61, то расширение газа после его загорания будет происходить в обоих цилиндрах, т.е. увеличивается коэффициент расширения газа в два раза. Рабочий ход поршней заканчивается при начале открытия окон 25, через которые сгоревший газ начнет выходить в атмосферу. Увеличение коэффициента расширения газа позволяет снизить давление газа к началу его выпуска через окна 25, что позволяет более полно использовать энергию газа при расширении. Далее циклы работы двигателя повторяются. Т.к. имеется возможность поднять степень сжатия газа без угрозы возникновения детонации в цилиндрах, двигатель может работать на различных сортах низкооктанового топлива, т.е. может быть всеядным. Двигатель может работать и на дизельном топливе с воспламенением его в результате сжатия. При этом отпадает необходимость использования для подачи дизельного топлива форсунок высокого давления, т.к. в цилиндр 60 дизельное топливо можно подавать через форсунку низкого давления, а расчетную степень сжатия в цилиндре 61 можно увеличить.

Принцип работы двигателя с подачей топлива только в цилиндр 60 заключается в следующем.

При движении поршней к ВМТ, после закрытия выпускных окон 25, в цилиндре 60 остатки сгоревшего газа без противодавления через открытые окна 7 поступают в атмосферу или на турбину турбонагнетателя 5, а в цилиндре 61, после закрытия окон 25, происходит сжатие чистого газа без топлива до расчетной величины, которая может быть увеличена. При подходе поршня 62 к ВМТ после закрытия выпускных окон 7 в камеру сжатия цилиндра 60, в которой давление газа еще отсутствует, через форсунку 10 низкого давления подается порция любого вида топлива, в том числе низкооктанового, для образования в цилиндре 60 нормальной топливовоздушной смеси. После окончания подачи топлива в цилиндр 60 перепускной канал 68 золотника 6 соединяет перепускные окна 66 и 67 и происходит соединение рабочих полостей 64 и 65. Из полости 65 сжатый газ, имеющий высокую температуру, поступает в камеру сжатия цилиндра 60. Для зажигания топливовоздушной смеси в цилиндре 60 используется свеча зажигания 14 или в дизельном варианте происходит самовоспламенение топлива. После загорания топлива в цилиндре 60 газ расширяется, и его часть через перепускной канал 68 перепускается обратно в цилиндр 61. В результате давление в цилиндрах выравнивается и начинается рабочий ход поршней. При этом если сжатие газа происходило в одном цилиндре, то его расширение после загорания будет происходить в двух цилиндрах. Энергия расширения газа будет передаваться не на один поршень 62, а на оба поршня. В результате к моменту открытия выпускных окон 25, когда начнется выпуск сгоревших газов, в два раза увеличивается коэффициент расширения газа.

Соответственно в два раза снизится давление газа в цилиндре к моменту начала выпуска сгоревших газов. Снижение давления газа к началу его выпуска позволяет более полно использовать энергию расширения газа и повысить экономичность двигателя, а также позволяет снизить уровень шума выходящих выхлопных газов.

Принцип работы двигателя, изображенного на фиг.12, заключается в следующем.

Двигатель содержит два смежных (рядом стоящих) цилиндра 37 и 38 двухстороннего действия, у которых с двух сторон поршня 27 и поршня 28 образованы рабочие полости 41, 42, 43 и 44. Поршни 39 и 40 связаны с механизмом движения поршней и движутся в противоположных направлениях. В результате рабочие полости 41 и 44 работают в противофазе по отношению к рабочим полостям 42 и 43. Рабочие полости, у которых фазы работы по углу поворота вала совпадают, образуют группы полостей. В каждой группе полостей одна рабочая полость со стороны крышки цилиндров имеет верхние выпускные окна 7 и верхнее перепускное окно 67. Открытие и закрытие окон 7 осуществляется цилиндрическим золотником 6, который на своей цилиндрической поверхности имеет окна 11. Дополнительно рабочие полости 41 и 43 со стороны крышки цилиндров имеют нижние выпускные окна 25, расположенные над поршнем при его положении в НМТ. Рабочие полости 42 и 44, расположенные со стороны механизма движения поршней, имеют нижние впускные окна 30 и выпускные окна 25, а также верхнее перепускное окно 48, которое соединено с перепускным каналом 46. Канал 46 соединяет две рабочие полости 42 и 43, имеющие одинаковые фазы работы, и со стороны крышки цилиндров имеет выход через перепускное окно 69 к золотнику 6, который имеет перепускной канал 68, соединяющий перепускные окна 67 и 69 при подходе поршней к ВМТ. Выпускные окна 25 соединены с турбиной турбонагнетателя 5, который имеет регулятор производительности 9, например дроссельную заслонку. Окна 11 золотника 6 соединены с камерой выпуска 15, которая имеет выпускное окно 16 и соединяется с турбиной нагнетателя 5. Рабочие полости могут иметь индивидуальные форсунки 10 для подачи топлива и свечи зажигания 14, например объединенные с форсункой 10. Рабочие полости 41 и 44 работают в противофазе по отношению к рабочим полостям 42 и 43 и расположены по отношению друг к другу зеркально. Канал, соединяющий рабочие полости 41 и 44 в разрезе, на фиг.12 не показан. Принцип работы групп полостей, работающих в противофазе, не отличается друг от друга. Поэтому достаточно рассмотреть принцип работы только одной группы полостей, например полостей 42 и 43.

Двигатель может иметь несколько режимов работы, в том числе с подачей топлива в две рабочие полости и с подачей топлива в одну рабочую полость. Принцип работы двигателя с подачей топлива в две рабочие полости заключается в следующем.

При подходе поршня 39 к НМТ у рабочей полости 42 сначала открываются выпускные окна 25, и происходит выпуск сгоревших газов из рабочей полости 42. В это же время происходит выпуск сгоревших газов из рабочей полости 43 через выпускное окно 25. После падения давления газов в полости 42 происходит ее продувка через окно 30 воздухом, поступающим от нагнетателя 5. Продувка и заполнение полости 42 чистым воздухом происходит, пока не закроются поршнем впускные окна 30 и выпускные окна 25. После закрытия окон через форсунку 10 в рабочую полость 42 подается порция топлива, достаточная для образования в цилиндре сверхбедной смеси, которая не самовоспламеняется при сжатии ее поршнем. В рабочей полости 43 после закрытия поршнем 40 нижних выпускных окон 25 золотник 6 открывает верхние выпускные окна 7, которые остаются открытыми при выталкивающем ходе поршня от НМТ к ВМТ. При подходе поршня 40 к ВМТ окна 7 закрываются. После закрытия окон 7 давление газа в полости 43 отсутствует и в нее подается топливо через форсунку 10 низкого давления в количестве, достаточном для образования в полости 43 нормальной топливной смеси. После окончания подачи топлива в полость 43 перепускной канал 68 золотника 6 соединяет перепускные окна 69 и 67. В результате сжатый в полости 42 газ, имеющий высокую температуру, через перепускной канал 46 поступает в полость 43 и сжимает нормальную топливную смесь. После сжатия топливная смесь в рабочей полости 43 поджигается от свечи зажигания. Газ после загорания расширяется и с большим давлением поступает из полости 43 в рабочую полость 42. При этом полость 43 и канал 46 используется как форкамера. Поток горячего газа, идущий из канала 46, перемешивает газ в камере сжатия рабочей полости 42 и поджигает в ней сверхбедную смесь. Затем давление в полостях 42 и 43 выравнивается, т.к. окна 69 и 67, соединяющие эти полости, еще остаются открытыми. Под действием давления газа поршни движутся к НМТ и совершают рабочий ход, пока не откроются выпускные окна 25.

Такой принцип работы двигателя позволяет сжигать низкооктановые сорта топлива и сверхбедную топливовоздушную смесь. При этом, т.к. нормальная топливовоздушная смесь подается в полость 43 с низким давлением, исключается возможность детонации при сжатии газа. Эта особенность работы двигателя позволяет повысить температурный режим работы цилиндров или совсем отказаться от их охлаждения, что улучшит процесс сгорания топлива после его загорания и позволит повысить экономичность работы двигателя.

Принцип работы двигателя с подачей топлива только в одну рабочую полость заключается в следующем.

При подходе поршня 40 к ВМТ выпускные окна 25 рабочей полости 43 закрываются. В этот момент давление газа в полости 43 может быть равно атмосферному давлению. После закрытия окон 7 в рабочую полость 43 подается топливо через форсунку 10 низкого давления или подается одновременно топливо и сжатый воздух через форсунку 20 двойного назначения [10] в количестве, достаточном для образования нормальной топливовоздушной смеси. К этому моменту в полости 42 закончился процесс сжатия газа поршнем 39. После подачи топлива в полость 43 золотник 6 своим каналом 68 соединяет окна 69 и 67 и происходит соединение полостей 42 и 43. Сжатый газ из камеры сжатия полости 42 частично переходит в камеру сжатия полости 43 и давление в обоих цилиндрах выравнивается. Величина давления газа в момент соединения полостей 42 и 43 является расчетной и соответствует выбранной степени сжатия газа. Степень сжатия может быть значительно увеличена, т.к. сжатие газа в полости 42 производилось без подачи в цилиндры топлива и отсутствует опасность его детонации. После подачи в полость 43 топлива и соединения полостей 42 и 43 происходит зажигание топливовоздушной смеси от свечи зажигания 14, которая может быть объединена с форсункой 10. Возможен также дизельный вариант работы двигателя, когда выбирается высокая степень сжатия газа для создания температурных условий в камере сжатия, необходимых для самовоспламенения топливовоздушной смеси. После загорания топлива давление в обеих полостях 42 и 43 выравнивается и начинается рабочий ход поршней до начала открытия выпускных окон 25.

Принцип работы полостей 41 и 44 не отличается от принципа работы полостей 42 и 43.

Схема работы объединенных полостей в двух смежных цилиндрах двухстороннего действия обеспечивает чередование рабочего хода поршней через 180° угла поворота вала.

Принцип работы двигателя, изображенного на фиг.13, заключается в следующем. Смежные цилиндры двухстороннего действия второго ряда 37 и 38 установлены через разделяющую перегородку 49 над цилиндрами одностороннего действия 50 и 52 первого ряда, в которых над поршнями 51 и 53 образованы рабочие полости 55 и 56. Рабочая полость 56 имеет окно 57, которое соединено с окном 48 рабочей полости 42, а также с каналом 46. Рабочая полость 55 также имеет окно 57, которое соединено с полостью 44 второго ряда (окно 57 рабочей полости 55 в разрезе на фиг.13 не показано, т.к. рассматривается работа только полости 56). Дополнительно рабочие полости 55 и 56 имеют нижние выпускные окна 25, через которые происходит выпуск сгоревших газов. Двухрядный двигатель позволяет образовать две группы рабочих полостей, из которых каждая включает в себя три соединенные друг с другом рабочие полости. Отличие двигателя на фиг.13 от двигателя на фиг.12 заключается в том, что он имеет в каждой группе полостей не две, а три соединенные друг с другом рабочие полости. Принцип работы групп полостей у двигателя на фиг.13 такой же, как принцип работы групп полостей у двигателя на фиг.12.

Наиболее близким аналогом восьмого варианта двигателя является двухтактный двигатель Скрипова [16]. Его недостатками являются:

- низкая надежность по условиям работы самодействующего впускного клапана, который установлен в верхней горячей части рабочего цилиндра и на который действует после взрыва газа максимальная температура и давление, достигающее 10 МПа и выше. Открытие самодействующего впускного клапана происходит при перепаде давления 0,45 МПа, которое для самодействующего клапана считается очень высоким. В закрытом состоянии на рабочие пластины клапана действует давление порядка 10 МПа, а поэтому необходимо увеличивать прочность рабочих пластин и соответственно их массу;

- через клапан во время его открытия за короткое время проходит большой объем газа с высокой скоростью. Поэтому пластины клапана испытывают сильные динамические удары о седло и ограничитель подъема, что приводит к их быстрой поломке. В таких жестких условиях работы по давлению и температуре самодействующие клапаны имеют низкую надежность, которая еще более снижается при повышении скорости вращения двигателя. Поэтому нельзя форсировать двигатель по скорости вращения;

- низкая экономичность и малая литровая мощность, т.к. заполнение цилиндра идет сразу после выпуска сгоревших газов при открытых выпускных окнах, а поэтому нельзя при заполнении цилиндра поднять в нем давление выше атмосферного. Продувка одного рабочего цилиндра идет от двухкомпрессорных цилиндров, сжимающих газ до 0,4 МПа и имеющих литровый объем в два раза больший, чем объем рабочего цилиндра, а поэтому половина объема поступающего в цилиндр газа выбрасывается через выпускные окна в атмосферу, т.е. затрачивается лишняя энергия на сжатие этой части газа в компрессорных цилиндрах. Кроме того, затрачивается энергия на сжатие газа в рабочем цилиндре и на сжатие газа в компрессорных цилиндрах, а сжатый в компрессорных цилиндрах газ дросселируется с высокого на низкое давление, что приводит к бесполезной трате энергии;

- по условиям качественной продувки цилиндра нельзя увеличивать сопротивление выпускного тракта, а поэтому нельзя использовать бросовую энергию выхлопных газов для привода турбонагнетателя и нельзя использовать эффективные глушители шума, которые имеют собственное сопротивление;

- при сжатии газа в цилиндре поршнем по условиям детонации нельзя использовать низкооктановые сорта топлива и нельзя увеличивать степень сжатия и степень расширения газа в цилиндре;

- отсутствуют условия для сжигания в цилиндре бедной и сверхбедной смеси.

Восьмой вариант, описанный в пунктах 18-22 формулы изобретения, поясняется на фиг.14 и 15. Двигатель содержит: 70 - компрессорный цилиндр; 71 - рабочий цилиндр; 72 - поршень цилиндра 70; 73 - впускные окна цилиндра 70; 74 - выпускные окна цилиндра 70; 75 - поршень цилиндра 71; 76 - впускное окно цилиндра 71; 7 - верхние выпускные окна; 25 - нижние выпускные окна; 14 - свечу зажигания; 6 - золотник вращательного действия; 11 - окна золотника; 77 - перепускной канал золотника; 15 - камеру впуска; 12 - камеру выпуска; 69 - перегородку золотника; 16 - впускное окно камеры 15; 13 - выпускное окно камеры 12; 5 - турбонагнетатель; 10 - форсунку низкого давления для подачи в цилиндр топлива; 20 - форсунку для одновременной подачи топлива и сжатого воздуха; 78 - дополнительный цилиндр; 79 - поршень цилиндра 78; 80 - впускное окно цилиндра 78.

На фиг.16 показаны диаграмма I фаз работы компрессорного цилиндра и диаграмма II фаз работы рабочего цилиндра.

Диаграмма I имеет характерные точки и фазы работы: 1 - открытие выпускного окна 74 компрессорного цилиндра 70 (начало перепуска); 2 - закрытие выпускного окна 74 (конец перепуска); 3 - открытие впускных окон 73; 4 - закрытие впускных окон 73; (4-1) - фаза сжатия газа (воздуха) поршнем 72; (1-2) - фаза перепуска сжатого воздуха из цилиндра 70 в цилиндр 71 и впрыска топлива в рабочий цилиндр 71 форсункой 20; (3-4) - фаза всасывания и заполнения цилиндра 70 воздухом.

Диаграмма II имеет характерные точки и фазы работы: 1 - открытие впускного окна 76 и заполнение цилиндра 71 сжатым газом (воздухом), который перепускается из цилиндра 70; 2 - закрытие впускного окна 76; 3 - зажигание топливной смеси от свечи зажигания 14; 4 - открытие выпускных окон 25 и 7 и начало выпуска сгоревших газов; (4-5) - фаза выталкивания поршнем 75 из цилиндра 71 остатков сгоревшего газа; 5 - закрытие выпускных окон 7 и конец выпуска сгоревших газов; (1-2) - поступление сжатого газа из цилиндра 70; 3 - зажигание топливовоздушной смеси; (3-4) - рабочий ход поршня 75; (6-7) - перепуск газа после его загорания из рабочего цилиндра 71 в дополнительный цилиндр 78; (6-4 пунктирная линия) - расширение газа в рабочем цилиндре 71 после его перепуска в дополнительный цилиндр 78 в варианте без подачи топлива в цилиндр 78.

На фиг.14 показан двигатель, имеющий два взаимосвязанных цилиндра, из которых цилиндр 70 является компрессорным стартовым, а цилиндр 71 является рабочим цилиндром. Компрессорный и рабочий цилиндры имеют двухтактный принцип работы. При движении поршней 72 и 75 от ВМТ к НМТ в компрессорном цилиндре 70 открываются впускные окна 73, и происходит цикл всасывания с поступлением в цилиндр воздуха от нагнетателя 5 (точки 3-4 на диаграмме I), а в рабочем цилиндре 71 после зажигания топливной смеси (точка 3 на диаграмме II) поршень 75 совершает рабочий ход (точки 3-4 на диаграмме II). При подходе поршня 75 к НМТ сначала он открывает нижние выпускные окна 25, и происходит выпуск из цилиндра 71 части сгоревших газов, которые подводятся к турбине турбонагнетателя 5. Другая часть сгоревших газов остается в цилиндре, т.к. в нем отсутствует продув сгоревших газов воздухом. Величина остаточного давления в цилиндре, которое требуется для преодоления сопротивления турбины турбокомпрессора, на работу двигателя не влияет. При подходе поршня 75 к НМТ заканчивается цикл впуска воздуха в компрессорный цилиндр и золотник 6 закрывает впускные окна 73. При движении поршней 72 и 75 от НМТ к ВМТ в компрессорном цилиндре 70 окна 73 и 74 закрыты и происходит цикл сжатия чистого воздуха (точки 4-1 на диаграмме I). В рабочем цилиндре 71 после полного открытия или закрытия нижних выпускных окон 25 золотник 6 открывает верхние выпускные окна 7, которые остаются открытыми на большей части хода поршня 75 от НМТ к ВМТ (точки 4-5 на диаграмме II). В результате в цилиндре 71 происходит очистка цилиндра от остатков сгоревших газов методом выталкивания газов поршнем так, как это происходит в четырехтактном двигателе. Через выпускные окна 7 газ поступает в выпускную камеру 12, а затем подводится к турбине турбонагнетателя 5. При приближении поршня 75 к ВМТ выпускные окна 7 закрываются. После их закрытия, когда избыточное давление в цилиндре 71 практически отсутствует, золотник 6 своим перепускным каналом 77 соединяет окна 74 и 76 и сжатый в цилиндре 70 газ по образовавшейся линии перепуска через перепускной канал 77 поступает в цилиндр 71 (точки 1-2 на диаграмме I и II). При этом через форсунку 20 низкого давления, которая установлена на линии перепуска газа, подается топливо, которое эжектируется и распыляется потоком сжатого газа, поступающего из цилиндра 70.

Впрыск топлива в струю сжатого газа позволяет получить мелкое распыление топлива, что улучшает полноту его сгорания. В ВМТ с некоторым опережением (точка 3 на диаграмме II) происходит зажигание топливной смеси в цилиндре 2 и поршень 75 совершает рабочий ход (до точки 4 на диаграмме II). После подхода поршня 72 к ВМТ и окончания выталкивания поршнем 72 объема сжатого газа из цилиндра 70 золотник закрывает линию перепуска газа (точка 3 на диаграмме), и поршень 72 начинает движение к НМТ. В начале движения поршня 72 от ВМТ к НМТ открываются впускные окна 73, и начинается цикл впуска воздуха в цилиндре 70 (точка 3-4 на диаграмме I).

Компрессорный цилиндр 70 имеет минимальный объем камеры сжатия, а поэтому почти весь сжатый газ из него выталкивается в цилиндр 71, поршень которого в своем движении отстает от поршня 72. Степень сжатия газа, которая создается в цилиндре 71 при подходе его поршня к ВМТ, определяется как частное от деления объема, который описывается поршнем компрессорного цилиндра, на сумму объемов камер сжатия компрессорного и рабочего цилиндра. Степень расширения газа при сгорании определяется как частное от деления объема, описываемого поршнем рабочего цилиндра до открытия выпускных окон 25 на объем камеры сжатия рабочего цилиндра. Компрессорный цилиндр используется как стартовый для подачи сжатого воздуха в рабочий цилиндр.

Предлагаемая схема работы двигателя позволяет исключить в рабочем цилиндре цикл сжатия газа поршнем, т.к. вместо сжатия свежего газа происходит выталкивание поршнем остатков сгоревшего газа, а топливо подается в цилиндр вблизи ВМТ, когда давление в цилиндре не успело вырасти после закрытия выпускных окон 7. Следовательно, повышается экономичность двигателя и исключаются условия детонации в цилиндре 71, а поэтому в него можно подавать низкооктановые сорта топлива. Отсутствие условий для детонации топлива позволяет уменьшить или отказаться от охлаждения цилиндров, что улучшит процесс сгорания топлива и повысит термический кпд двигателя. Сжатый в компрессорном цилиндре газ не дросселируется и его энергия при расширении не теряется, как это имеет место в прототипе, а используется для зажигания топлива в цилиндре 71, что повышает кпд двигателя. Воздух из компрессорного цилиндра по перепускной линии без потерь весь подается в рабочий цилиндр при закрытых выпускных окнах рабочего цилиндра, что позволяет обеспечить наддув рабочего цилиндра с давлением выше атмосферного давления и увеличить литровую мощность двигателя. Золотник 6 рабочего цилиндра работает в облегченном тепловом режиме, т.к. основная масса сгоревшего газа выходит через нижние выпускные окна 25. Использование золотникового газораспределения в компрессорном и рабочем цилиндре вместо самодействующего клапана, имеющего низкую надежность, позволяет повысить скорость вращения двигателя, а следовательно, повысить его литровую мощность. Бросовая энергия выхлопных газов может быть использована для привода турбонагнетателя. Может быть использовано эффективное шумоглушение выхлопных газов, т.к. увеличенное сопротивление глушителя не снижает экономичность двигателя.

На фиг.15 показан вариант двигателя, который имеет три или несколько цилиндров, из которых один компрессорный цилиндр 70, один рабочий цилиндр 71 и один или несколько дополнительных цилиндров, которые могут быть использованы как рабочие цилиндры с подачей в них топлива или как цилиндры без подачи в них топлива для дополнительного расширения и снижения давления газа на выхлопе. У этого двигателя принцип работы компрессорного и рабочего цилиндров такой же, как у двигателя на фиг.14. Отличие заключается в том, что рабочий цилиндр 71 через перепускные окна 74 имеет соединение с дополнительным цилиндром с помощью перепускного канала 77. При этом рабочий цилиндр служит стартовым цилиндром для дополнительного цилиндра, если в него подается топливо. В дополнительном цилиндре можно сжигать бедную или сверхбедную смесь, т.к. в него поступает сжатый газ из рабочего цилиндра, имеющий после загорания в рабочем цилиндре высокое давление и температуру, а рабочий цилиндр в этом случае используется как форкамера для дополнительного цилиндра. В дополнительный цилиндр топливо можно не подавать. Тогда он будет служить как дополнительный объем для увеличения коэффициента расширения газа после его загорания. В результате снизится давление газа перед его выпуском, снизится уровень шума от выхлопа и повысится коэффициент использования энергии газа при расширении, т.е. повысится экономичность двигателя.

Источники информации

1. С клапанами и без них. "Своими силами", "За рулем", №11-97, (с.167).

2. DARAQ. Автомобильное обозрение. АВТООБОЗ творческая мастерская, Франция.1999, 2000, 2001.

3. Движок Колесова. "NORMA-PRESS" Agency, Ltd. "Delovaja Ukraina". 29 October 1996. Page 4 (Двигатель с золотниковым газораспределением).

4. Житель Благовещенска модернизировал двигатель внутреннего сгорания. Интер Новости. 22 декабря 1999 г. (Патент В.Харченко на двигатель с золотниковым газораспределением).

5. Сайт www.motorcvcle.SDb.ru. "Прорыв" Ducati в области конструирования клапанов представляется маловероятным.

6. Car Market. 1998-2001. Новинки техники. Управляемые фазы газораспределения.

7. У нового "Рено" будут проблемы? Газета "Автобизнес - Weekly", №50 (247) от 28 декабря 2000 г.

8. Л.Голованов. Своими глазами: Saab 9-58УС-новые идеи в двигателестроении. Авторевю. №21, 2000.

9. С.Жуков. Симфония в два такта. "5 Колесо", №3, март 1999.

10. Воронцов Александр. "ПОЛНЫЙ ВПЕРЕД: Разделяй и властвуй". Мотоб/99.

11. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания. Патент РФ №2143077, 1999. Бюл. №35.

12. Нетрадиционные двигатели. Автосалон. Журнал "Наука и Жизнь" №1/83, стр.48.

13. МОДЕЛЬ Bimota 500 V Due 1997 года. IMC, St. Petersburg, LTD, 2001, navigator, 2001. List 383197.

14. Встреча, которую торопят. "Актуально!", "За рулем" №11-99 (стр.22-28).

15. Воронцов Александр. Почему "летают" мотоциклы. Web-сервер "За рулем".

16. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания Ю.Скрипова. Патент РФ №2066379, М.кл. F 02 B 33/12, опубл. 1996. Бюл. №25

(Источники информации: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 13, 14, 15 и 16 приведены на сайте www.poisk.ru).