двигатель внутреннего сгорания (варианты)

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания поршневой четырехтактный, содержащий цилиндр, а также верхние впускные и выпускные окна цилиндра, открытие и закрытие которых осуществляется полым цилиндрическим золотником вращательного действия, имеющим на своей цилиндрической стенке впускные и выпускные окна, отличающийся тем, что в нижней части цилиндра над поршнем при его положении в нижней мертвой точке выполнены нижние впускные и выпускные окна, которые перекрываются поршнем при его движении от нижней к верхней мертвой точке, а окна золотника охватываются поворотной втулкой, которая имеет на своей цилиндрической стенке окна и обеспечивает в пределах своего поворота открытие или закрытие окон цилиндра, а к верхним и нижним впускным окнам подведен воздух от нагнетателя.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он имеет автономные по углу поворота поворотные втулки, из которых одна втулка охватывает золотник со стороны его впускных окон, а другая втулка охватывает золотник со стороны его выпускных окон.

3. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что окна цилиндра имеют вытянутую длину по дуге окружности.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве нагнетателя использован турбонагнетатель, который на входе в турбину подсоединен к выпускным окнам цилиндра, а на выходе подсоединен к впускным окнам цилиндра.

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он имеет несколько нижних впускных окон, из которых часть окон расположена в осевом направлении цилиндра так, что они перекрываются поршнем после закрытия поршнем нижних выпускных окон цилиндра, а на линии подвода воздуха от нагнетателя к этим окнам перед ними установлен самодействующий впускной клапан.

6. Двигатель по п.1 или 5, отличающийся тем, что перед или после самодействующего впускного клапана установлен запорный клапан с ручным или автоматическим управлением.

7. Двигатель внутреннего сгорания поршневой четырехтактный, содержащий цилиндр, впускные и выпускные окна цилиндра, открытие и закрытие которых осуществляется полым цилиндрическим золотником вращательного действия, имеющим на своей цилиндрической стенке впускные и выпускные окна, отличающийся тем, что золотник установлен внутри цилиндрической втулки, имеющей на своей цилиндрической стенке окна, которые совпадают с окнами цилиндра и окнами золотника при его вращении, а внутри цилиндрической стенки втулки образована полость, к которой подведена охлаждающая жидкость, например, из системы охлаждения двигателя.

8. Двигатель по п.7, отличающийся тем, что втулка выполнена подвижной по углу поворота вокруг своей оси.

9. Двигатель по п.7 или 8, отличающийся тем, что он имеет автономные по углу поворота поворотные втулки, из которых одна втулка охватывает золотник со стороны его впускных окон, а другая втулка охватывает золотник со стороны его выпускных окон.

10. Двигатель внутреннего сгорания поршневой двухтактный, содержащий впускные и выпускные окна цилиндра, из которых впускные окна расположены в верхней части цилиндра, а выпускные окна расположены над поршнем при его положении в нижней мертвой точке, отличающийся тем, что он снабжен автономным нагнетателем, воздух от которого подведен к верхним и к нижним впускным окнам, из которых нижние впускные окна являются продувочными и расположены над поршнем при его положении в нижней мертвой точке, а верхние впускные окна закрываются клапанами, имеющими принудительный привод, после закрытия поршнем нижних впускных и выпускных окон.

11. Двигатель по п.10, отличающийся тем, что на линии подвода воздуха от нагнетателя перед верхними впускными окнами установлен регулятор количества подаваемого в цилиндр воздуха, а к нижним впускным продувочным окнам воздух от нагнетателя подводится с полным напором без дросселирования газа.

12. Двигатель внутреннего сгорания поршневой, содержащий два или более цилиндров, имеющих четырехтактный принцип работы, у которых со стороны крышки цилиндров расположены впускные и выпускные клапаны принудительного действия, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным цилиндром, имеющим двухтактный принцип работы, а цилиндры, имеющие четырехтактный принцип работы, имеют по отношению друг к другу смещение фаз работы на 360° и расположены с двух сторон дополнительного цилиндра, который снабжен выпускными и перепускными клапанами принудительного действия, из которых перепускные клапаны поочередно через 360° угла поворота вала соединяют дополнительный цилиндр с цилиндрами, имеющими четырехтактный принцип работы при подходе поршней цилиндров к верхней мертвой точке, а выпускные клапаны дополнительного цилиндра открываются при движении его поршня в направлении от нижней к верхней мертвой точке и закрываются при подходе поршня к верхней мертвой точке.

13. Двигатель по п.12, отличающийся тем, что на линии перепуска газа в дополнительный цилиндр из цилиндра, имеющего четырехтактный принцип работы, установлена форсунка низкого давления.

14. Двигатель по п.12, отличающийся тем, что дополнительный цилиндр снабжен форсункой двойного назначения, которая после закрытия выпускных клапанов дополнительного цилиндра подает в цилиндр одновременно топливо и сжатый воздух в заданном соотношении, в зависимости от режима работы двигателя по мощности.

15. Двигатель по п.12, отличающийся тем, что в нижней части всех цилиндров над поршнем при его положении в НМТ выполнены выпускные окна.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к поршневым двухтактным и четырехтактным двигателям внутреннего сгорания.

Наиболее близкими аналогами заявленного изобретения являются двигатели, содержащие цилиндр, а также верхние впускные и выпускные окна цилиндра, открытие и закрытие которых осуществляется полым цилиндрическим золотником вращательного действия, имеющим на своей цилиндрической стенке впускные и выпускные окна (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7).

Недостатками аналогов являются их низкая надежность. Кроме того, известные варианты двигателя с золотниковым газораспределением при повышении нагрузки на двигатель не позволяют в процессе работы переводить двигатель с четырехтактного на двухтактный принцип работы с целью повышения мощности и крутящего момента на валу двигателя.

Техническим результатом является повышение надежности двигателя, его экономичности и удельной мощности.

Поставленная задача в части первого варианта, описываемого в пунктах 1-6 формулы изобретения, достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания поршневой четырехтактный содержит цилиндр, а также верхние впускные и выпускные окна цилиндра, открытие и закрытие которых осуществляется полым цилиндрическим золотником вращательного действия, имеющим на своей цилиндрической стенке впускные и выпускные окна. Согласно изобретению в нижней части цилиндра над поршнем при его положении в нижней мертвой точке выполнены нижние впускные и выпускные окна, которые перекрываются поршнем при его движении от нижней к верхней мертвой точке, а окна золотника охватываются поворотной втулкой, которая имеет на своей цилиндрической стенке окна и обеспечивает в пределах своего поворота открытие или закрытие окон цилиндра, а к верхним и нижним впускным окнам подведен воздух от нагнетателя.

Поставленная задача достигается также тем, что он может иметь автономные по углу поворота поворотные втулки, из которых одна втулка охватывает золотник со стороны его впускных окон, а другая втулка охватывает золотник со стороны его выпускных окон.

Поставленная задача достигается также тем, что окна цилиндра могут иметь вытянутую длину по дуге окружности.

Поставленная задача достигается также тем, что в качестве нагнетателя может быть использован турбонагнетатель, который на входе в турбину подсоединен к выпускным окнам цилиндра, а на выходе подсоединен к впускным окнам цилиндра.

Поставленная задача достигается также тем, что он может иметь несколько нижних впускных окон, из которых часть окон расположена в осевом направлении цилиндра так, что они перекрываются поршнем после закрытия поршнем нижних выпускных окон цилиндра, а на линии подвода воздуха от нагнетателя к этим окнам перед ними установлен самодействующий впускной клапан.

Поставленная задача достигается также тем, что перед или после самодействующего впускного клапана может быть установлен запорный клапан с ручным или автоматическим управлением.

Поставленная задача в части второго варианта, описываемого в пунктах 7-9 формулы изобретения, достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания поршневой четырехтактный содержит цилиндр, впускные и выпускные окна цилиндра, открытие и закрытие которых осуществляется полым цилиндрическим золотником вращательного действия, имеющим на своей цилиндрической стенке впускные и выпускные окна. Согласно изобретению золотник установлен внутри цилиндрической втулки, имеющей на своей цилиндрической стенке окна, которые совпадают с окнами цилиндра и окнами золотника при его вращении, а внутри цилиндрической стенки втулки образована полость, к которой подведена охлаждающая жидкость, например, из системы охлаждения двигателя.

Поставленная задача достигается также тем, что втулка может быть выполнена подвижной по углу поворота вокруг своей оси.

Поставленная задача достигается также тем, что он может иметь автономные по углу поворота поворотные втулки, из которых одна втулка охватывает золотник со стороны его впускных окон, а другая втулка охватывает золотник со стороны его выпускных окон.

Поставленная задача в части третьего варианта, описываемого в пунктах 10 и 11 формулы изобретения, достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания поршневой двухтактный содержит впускные и выпускные окна цилиндра, из которых впускные окна расположены в верхней части цилиндра, а выпускные окна расположены над поршнем при его положении в нижней мертвой точке. Согласно изобретению он снабжен автономным нагнетателем, воздух от которого подведен к верхним и к нижним впускным окнам, из которых нижние впускные окна являются продувочными и расположены над поршнем при его положении в нижней мертвой точке, а верхние впускные окна закрываются клапанами, имеющими принудительный привод, после закрытия поршнем нижних впускных и выпускных окон.

Поставленная задача достигается также тем, что на линии подвода воздуха от нагнетателя перед верхними впускными окнами может быть установлен регулятор количества подаваемого в цилиндр воздуха, а к нижним впускным продувочным окнам воздух от нагнетателя подводится с полным напором без дросселирования газа.

Поставленная задача достигается также тем, что двигатель внутреннего сгорания поршневой содержит два или более цилиндров, имеющих четырехтактный принцип работы, у которых со стороны крышки цилиндров расположены впускные и выпускные клапаны принудительного действия. Согласно изобретению он снабжен дополнительным цилиндром, имеющим двухтактный принцип работы, а цилиндры, имеющие четырехтактный принцип работы, имеют по отношению друг к другу смещение фаз работы на 360° и расположены с двух сторон дополнительного цилиндра, который снабжен выпускными и перепускными клапанами принудительного действия, из которых перепускные клапаны поочередно через 360° угла поворота вала соединяют дополнительный цилиндр с цилиндрами, имеющими четырехтактный принцип работы при подходе поршней цилиндров к верхней мертвой точке, а выпускные клапаны дополнительного цилиндра открываются при движении его поршня в направлении от нижней к верхней мертвой точке и закрываются при подходе поршня к верхней мертвой точке.

Поставленная задача достигается также тем, что на линии перепуска газа в дополнительный цилиндр из цилиндра, имеющего четырехтактный принцип работы, может быть установлена форсунка низкого давления.

Поставленная задача достигается также тем, что дополнительный цилиндр может быть снабжен форсункой двойного назначения, которая после закрытия выпускных клапанов дополнительного цилиндра подает в цилиндр одновременно топливо и сжатый воздух в заданном соотношении, в зависимости от режима работы двигателя по мощности.

Поставленная задача достигается также тем, что в нижней части всех цилиндров над поршнем при его положении в НМТ могут быть выполнены выпускные окна.

Изобретение поясняется при помощи чертежей.

На фиг.1 представлен первый вариант описываемого двигателя.

На фиг.2 – разрез А-А на фиг.1.

На фиг.3 представлен второй вариант двигателя.

На фиг.4 – разрез Б-Б на фиг.3.

На фиг.5 представлен третий вариант двигателя.

На фиг.6 представлен четвертый вариант двигателя.

Первый вариант двигателя, описываемый в пунктах 1-6 формулы изобретения, содержит рабочий цилиндр 1; поршень 2 цилиндра 1; верхние впускные окна 3 цилиндра; верхние выпускные окна 4 цилиндра; поворотную втулку 5 со стороны впускных окон 3 цилиндра; поворотную втулку 6 со стороны выпускных окон 4 цилиндра; окна 7 втулок 5 и 6; ручку 8 для поворота втулок 5 и 6 в ручном или автоматическом режиме; цилиндрический золотник 9; выпускные окна 10 золотника 9; впускные окна 11 золотника 9; камеру 12 впуска; камеру 13 выпуска; перегородку 14 золотника, разделяющую камеры 12 и 13; впускное окно 15 камеры 12; выпускное окно 16 камеры 13; регулятор 17 количества подаваемого в цилиндр воздуха, например дроссельную заслонку; форсунку 18 низкого или высокого давления и свечу зажигания; нижние выпускные окна 19; нижние впускные окна 20, закрытие которых поршнем происходит позже закрытия выпускных окон 19; дополнительные нижние впускные окна 21, закрытие которых поршнем происходит раньше закрытия нижних выпускных окон 19; скос 22 на днище поршня напротив впускных окон 20; самодействующий впускной клапан 23; запорный клапан 24 с ручным или автоматическим приводом; турбонагнетатель 25.

Двигатель по первому варианту работает следующим образом. Впускные и выпускные окна 3 и 4, выполненные в верхней части (в крышке) цилиндра 1, выходят на внутреннюю цилиндрическую поверхность крышки цилиндра и имеют вытянутую угловую длину °1 по дуге окружности. Внутренняя цилиндрическая поверхность окон 3 и 4 контактирует с наружной цилиндрической поверхностью втулок 5 и 6, которые имеют окна 7 и с помощью ручки 8 в ручном или автоматическом режиме могут поворачиваться вокруг своей оси. Втулка 5 охватывает золотник 9 со стороны впускных окон 3, а втулка 6 охватывает золотник со стороны выпускных окон 4 цилиндра. Золотник 9 имеет на своей цилиндрической поверхности выпускные окна 10 и впускные окна 11, у которых угловая длина по дуге окружности °2 и °3 соответствует расчетной величине фаз газораспределения впускных и выпускных клапанов двигателя. Втулка 5 при повороте на определенный угол в пределах открытия окон 3 обеспечивает текущие фазы газораспределения выпускных окон 10 золотника 9, а втулка 6 при повороте на определенный угол в пределах открытия окон 4 обеспечивает текущие фазы газораспределения впускных окон 11 золотника 9. Втулки 5 и 6 при повороте в крайнее положение могут полностью закрывать впускные 3 и выпускные 4 окна цилиндра. Золотник 9 имеет внутренние полости, которые образуют впускную 12 и выпускную камеру 13. Камеры 12 и 13 отделены друг от друга перегородкой 14. Камера 12 имеет впускное окно 15, а камера 13 имеет выпускное окно 16. Перед впускным окном 15 установлен регулятор производительности количества подаваемого в цилиндр воздуха 17. В верхней части цилиндра установлена форсунка низкого или высокого давления 18 для подачи в цилиндр топлива. Форсунка 18 может быть объединена со свечой зажигания. В нижней части цилиндра над поршнем, при его положении в нижней мертвой точке, выполнены нижние выпускные окна 19 и нижние впускные окна 20 и 21, из которых окна 20 расположены в осевом направлении так, что закрываются поршнем после закрытия выпускных окон 19, а окна 21 закрываются поршнем раньше закрытия выпускных окон 19. Для задержки закрытия впускных окон 20 на днище поршня со стороны окон 20 может быть выполнен скос 22. Перед впускными окнами 20 установлен самодействующий впускной клапан 23. До или после самодействующего клапана 23 может быть установлен запорный клапан 24 с ручным или автоматическим приводом. Впускное окно 15 камеры 12 и нижние окна 20 и 21 имеют соединение с внешним источником наддува, например с турбонагнетателем 25, а выпускное окно 16 камеры 13 и нижнее выпускное окно 19 соединяются с турбиной турбонагнетателя 24. Двигатель может иметь принудительное зажигание топливовоздушной смеси от свечи или может работать как дизель с самовоспламенением топливной смеси в результате высокой степени сжатия.

Конструкция механизма газораспределения первого варианта двигателя, изображенного на фиг.1 и 2, позволяет обеспечить различные режимы его работы. Например, повороты втулок 5 и 6 в пределах раскрытия окон 3 и 4 позволяют менять фазы газораспределения по впускным и выпускным клапанам с целью увеличения момента вращения на низких оборотах и с целью повышения коэффициента наполнения цилиндра. Поворот втулок 5 и 6 в крайнее положение позволяет переводить двигатель на двухтактный принцип работы. Поворот втулки 5 со стороны впускных окон цилиндра с целью выпуска части газа из цилиндра за счет выталкивающего хода поршня позволяет регулировать коэффициент наполнения цилиндра по циклу "Отто-Аткинсона". При переводе двигателя на двухтактный принцип работы втулки 5 и 6 поворачиваются в крайнее положение и полностью закрывают впускные 3 и выпускные 4 окна цилиндра, которые перестают работать. Такое положение втулок показано на фиг.2. В работе остаются нижние впускные 20 и 21 окна и нижние выпускные окна 19. Одновременно с закрытием окон 3 и 4 подается команда на изменение частоты срабатывания форсунки или свечи зажигания, т.к. при двухтактном принципе работы цилиндра в отличие от четырехтактного принципа работы рабочий ход поршня происходит на каждом обороте вала двигателя, а четырехтактный двигатель имеет один рабочий ход поршня на два оборота вала двигателя. Наличие нижних впускных окон 20 и 21, а также нижних выпускных окон 19 создает особые улучшенные условия работы двигателя по четырехтактному циклу, т.к. в начале выпуска сгоревших газов их основная масса, имеющая высокую температуру, выходит через нижние выпускные окна 19, минуя верхние выпускные окна 4. В результате улучшаются температурные условия работы золотника со стороны выпускных окон и нормализуются условия его смазки, что повышает надежность двигателя. Наличие нижних впускных окон 20 и 21 на цикле выпуска газов позволяет лучше продуть цилиндр от сгоревших газов в конце рабочего хода поршня и дополнительно снизить их температуру. Наличие нижних впускных окон 20 и 21 на цикле впуска свежего воздуха в цилиндр позволяет повысить коэффициент наполнения цилиндра, т.к. снижается суммарное газодинамическое сопротивление впускного тракта.

При полном закрытии верхних впускных 3 и выпускных окон 4 цилиндра, когда втулки 5 и 6 по углу поворота вокруг своей оси переводятся в крайнее положение, принцип работы двигателя по двухтактному циклу заключается в следующем.

При рабочем ходе поршня после загорания топливной смеси и его движении от ВМТ к НМТ сначала начинают раскрываться поршнем впускные окна 20. Это может достигаться за счет среза 22, который имеет днище поршня напротив впускных окон 20. Но окна 20 не открываются, т.к. перед ними установлен самодействующий впускной клапан 23, который не пропускает газ в направлении из цилиндра. Затем поршень начинает открывать выпускные окна 19 и начинается выпуск из цилиндра выхлопных газов, которые поступают на турбину турбонагнетателя 25. После падения давления в цилиндре начинают открываться продувочные впускные окна 21 и открывается самодействующий впускной клапан 23 в момент, когда давление в цилиндре станет меньше чем давление, создаваемое нагнетателем 25. Пока поршень не закроет выпускные окна 19, идет продувка цилиндра от сгоревших газов. После закрытия выпускных окон 19 впускные окна 20 и самодействующий впускной клапан 23 еще некоторое время остаются открытыми и за это время в цилиндре поднимается давление выше атмосферного давления до величины давления, которую может создать нагнетатель 25. Величина подаваемого в цилиндр давления, соответственно, и количество газа регулируются регулятором производительности 17.

При такой схеме работы двухтактный двигатель может работать с наддувом воздуха в цилиндр, что может повысить его литровую мощность в несколько раз, т.к. современные нагнетатели могут вырабатывать избыточное давление до 0,3 МПа, а мощность двигателя увеличивается в пропорциональной зависимости от поступающего в цилиндр газа. Наддув в цилиндр может использоваться только при необходимости кратковременного форсирования мощности двигателя, например при взлете самолета или на режиме обгона транспортного средства. В крейсерском режиме работы двигателя необходимость наддува воздуха в цилиндр отпадает. В этом случае подается команда на закрытие запорного клапана 24. В результате самодействующий впускной клапан 23, и впускные окна 20 закрываются и в работе остаются только продувочные впускные окна 21, которые закрываются поршнем раньше, чем закрываются выпускные окна 19. Соответственно, давление в цилиндре не сможет подняться выше атмосферного давления, и мощность двигателя снизится. Режим работы двигателя с кратковременным форсированием его мощности повысит долговечность и надежность работы самодействующего впускного клапана 23. Запорный клапан 24 можно использовать для закрытия окон 20 в аварийном режиме работы двигателя, который может возникнуть при поломке рабочих пластин самодействующего клапана 23.

Второй вариант двигателя, описываемый в пунктах 7-9 формулы изобретения, содержит рабочий цилиндр 1; поршень 2 цилиндра 1; верхние впускные окна 3 цилиндра; верхние выпускные окна 4 цилиндра; поворотную втулку 5 со стороны впускных окон 3 цилиндра; поворотную втулку 6 со стороны выпускных окон 4 цилиндра; окна 7 втулок 5 и 6; ручку 8 для поворота втулок 5 и 6 в ручном или автоматическом режиме; цилиндрический золотник 9; выпускные окна 10 золотника 9; впускные окна 11 золотника 9; камеру 12 впуска; камеру 13 выпуска; перегородку14 золотника, разделяющую камеры 12 и 13; впускное окно 15 камеры 12; выпускное окно 16 камеры 13; регулятор 17 количества подаваемого в цилиндр воздуха, например дроссельную заслонку; форсунку 18 низкого или высокого давления, объединенную со свечой зажигания, или форсунку двойного назначения для подачи в цилиндр одновременно топлива и сжатого воздуха; охлаждающую полость 26 втулки 6, выполненную внутри ее цилиндрической стенки.

Двигатель по второму варианту работает следующим образом. Впускные и выпускные окна 3 и 4, выполненные в верхней части (в крышке) цилиндра 1, выходят на внутреннюю цилиндрическую поверхность крышки цилиндра и имеют вытянутую угловую длину по дуге окружности °1. Внутренняя цилиндрическая поверхность окон 3 и 4 контактирует с наружной цилиндрической поверхностью поворотных втулок 5 и 6, которые имеют окна 7 и с помощью ручки 8 в ручном или автоматическом режиме по сигналу от датчика оборотов двигателя могут поворачиваться вокруг своей оси на заданный угол, соответствующий текущей фазе газораспределения. Втулка 5 охватывает золотник 9 со стороны впускных окон 3, а втулка 6 охватывает золотник со стороны выпускных окон 4 цилиндра. Золотник 9 имеет на своей цилиндрической стенке выпускные окна 10 и впускные окна 11, у которых угловая длина по дуге окружности °2 и °3 соответствует расчетной величине фаз газораспределения впускных и выпускных клапанов двигателя. Втулка 5 при повороте на определенный угол обеспечивает текущие фазы газораспределения выпускных окон 10, а втулка 6 - впускных окон 11 золотника. Золотник 9 имеет внутренние полости, которые образуют впускную 12 и выпускную камеру 13. Камеры 12 и 13 отделены друг от друга перегородкой 14. Камера 12 имеет впускное окно 15, а камера 13 имеет выпускное окно 16. К впускному окну 15 воздух подводится от регулятора количества подаваемого в цилиндр воздуха 17, например от дроссельной заслонки. В верхней части цилиндра установлена форсунка 18 низкого или высокого давления для подачи в цилиндр топлива. Форсунка 18 может быть объединена со свечой зажигания и может быть двойного назначения для подачи в цилиндр одновременно топлива и сжатого воздуха. Втулки 5 и 6 внутри своих цилиндрических стенок имеют охлаждающие полости 26, к которым подведена охлаждающая жидкость, например, из системы охлаждения двигателя. Охлаждающую полость может иметь только втулка 6, расположенная со стороны выпускных окон 4 цилиндра, т.к. она имеет наиболее напряженный температурный режим работы. Двигатель может иметь принудительное зажигание топливовоздушной смеси или может работать как дизель с самовоспламенением топливной смеси в результате высокой степени сжатия.

На фиг.4 показан разрез Б-Б двигателя на фиг.3 по выпускным окнам 4, поясняющий принцип работы управляемых фаз газораспределения выпускных клапанов.

У четырехтактного двигателя полный цикл работы происходит за два оборота вала, что соответствует углу поворота вала двигателя на 720°. При этом фаза впуска и выпуска газа происходят при повороте вала двигателя на 180°. За фазой выпуска следует фаза впуска газа. Фаза выпуска происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ. Фаза впуска происходит при движении поршня от ВМТ к НМТ. Золотник по вращению связан с валом двигателя и вращается со скоростью, в два раза меньшей, чем скорость вращения вала двигателя. За один оборот золотника происходит полный четырехтактный цикл работы двигателя. При этом фаза впуска и фаза выпуска газа происходят при повороте золотника на 90°. Соответственно, угловая длина по дуге окружности °2 впускных 11 и °3 выпускных окон 10 золотника также принимается равной 90°. Положение окна 7 втулки 6 в НМТ соответствует номинальным оборотам двигателя, когда выпускные окна 4 открываются при подходе поршня 2 к НМТ и закрываются, когда поршень 2 подходит к ВМТ. Открытие окон 7 втулки 6 происходит, когда окна 11 золотника 9 начнут совмещаться с окнами 7, закрытие окон 7 происходит, когда заканчивается совмещение окон 7 и 11. Если принять, что вращение вала двигателя и вращение золотника 9 происходят по часовой стрелке, то поворот втулки 6 против часовой стрелки вызовет более раннее открытие выпускных окон 7. Более раннее открытие окон 7 целесообразно выполнять при увеличении оборотов двигателя, чтобы успеть выпустить из цилиндра газ, пока поршень 2 не начал движение от НМТ к ВМТ, т.к. в противном случае, если не сбросить давление газа в цилиндре, это давление будет давить на поршень 2 при его выталкивающем ходе и создаст паразитную нагрузку на вал двигателя, т.е. потребуется дополнительный расход энергии. При уменьшении оборотов двигателя втулка 6 поворачивается по часовой стрелке. В результате произойдет более позднее открытие выпускных окон 7, а следовательно, до открытия выпускных окон 4 газ успеет расшириться на большую величину, что позволяет более полно использовать энергию газа при движении поршня от ВМТ к НМТ, а выпуск газа из окон 4 будет происходить при меньшем давлении и с меньшим шумом.

Изменение фаз газораспределения впускных клапанов имеет такой же принцип работы. Запаздывание закрытия впускных клапанов при большом числе оборотов позволяет увеличить коэффициент заполнения цилиндра за счет инерции потока газа во впускном коллекторе после начала движения поршня 2 от НМТ к ВМТ. При малых оборотах целесообразно раньше закрыть впускные окна, чтобы не допустить обратного выхода газа из цилиндра и раньше начать процесс сжатия газа в цилиндре. Можно использовать более позднее закрытие впускных окон 3 для уменьшения количества подаваемого в цилиндр воздуха перед началом цикла сжатия и в этом случае отказаться от использования дроссельной заслонки на впускном тракте. Для этого достаточно поворачивать окна 7 втулки 5 по часовой стрелке на угловую величину после положения окон 7 в НМТ. В этом случае будет запаздывать открытие и закрытие впускных окон 3 цилиндра. Соответственно, уменьшится количество воздуха в цилиндре перед началом цикла сжатия газа, т.к. окна 3 останутся открытыми при начале движения поршня от НМТ к ВМТ и часть газа будет вытолкнута поршнем обратно в камеру впуска 12 без сжатия. Экономически регулирование количества поступления воздуха в цилиндр за счет обратного выталкивания поршнем лишнего газа из цилиндра во впускной коллектор более выгодно, чем дросселирование газа, поступающего в цилиндр с помощью дроссельной заслонки. Преимущества такого способа изменения мощности двигателя под названием цикл "Отто-Аткинсона". Принудительное охлаждение поворотных втулок 5 и 6 позволяет улучшить температурные условия смазки золотника 9, а следовательно, позволяет поднять скорость вращения двигателя и увеличить его литровую мощность, а также позволяет повысить надежность двигателя.

Третий вариант двигателя, описываемый в пунктах 10 и 11 формулы изобретения, содержит рабочий цилиндр 1; поршень 2 цилиндра 1; верхние впускные окна 3 цилиндра; нижние впускные продувочные окна 27 цилиндра; нижние выпускные окна 19 цилиндра; цилиндрический вращающийся золотник 9; выпускные окна 10 золотника 9; камеру 12 впуска; впускное окно 15 камеры 12; нагнетатель 28; регулятор 17 количества подаваемого в цилиндр воздуха, например дроссельную заслонку; форсунку 29 низкого давления или карбюратор для подачи топлива в камеру впуска 12; форсунку 18 низкого или высокого давления или форсунку двойного назначения для впрыска в цилиндр одновременно топлива и сжатого воздуха; свечу 30 зажигания; нижние выпускные окна 19; вал 31 привода золотника.

Двигатель по третьему варианту работает следующим образом. В верхней части цилиндра (например, в крышке цилиндра) выполнены верхние впускные окна 3. В нижней части цилиндра над поршнем при его положении в нижней мертвой точке выполнены нижние впускные продувочные окна 27 и нижние выпускные окна 19. Верхние впускные окна 3 открываются и закрываются клапанами, имеющими принудительный привод, которые могут иметь различную конструкцию, в том числе могут быть тарельчатыми с приводом от распределительного вала, электромагнитными, золотниковыми вращательного или поступательного действия, дисковыми и другими. На фиг.5 в качестве примера показан двигатель, у которого верхние впускные окна 3 открываются и закрываются цилиндрическим золотником 9 вращательного действия, связанного по вращению с валом двигателя. Золотник 9 на своей цилиндрической стенке имеет выпускные окна 10. Открытие верхних впускных окон 3 цилиндра 1 происходит при их совмещении с окнами золотника 10. Внутри золотника 9 выполнена полость, которая образует камеру впуска 12, имеющая впускное окно 15. К нижним впускным продувочным окнам 27 и к впускному окну 15 камеры впуска 12 подведен воздух от нагнетателя 28. К нижним впускным продувочным окнам 27 воздух от нагнетателя подводится без дросселирования, т.е. с полным напором, а на линии подвода воздуха к впускному окну 15 установлен регулятор количества подаваемого воздуха, например дроссельная заслонка 17. После дроссельной заслонки 17 может быть установлен карбюратор или форсунка низкого давления 29 для подачи топлива в камеру впуска 12. Цилиндр 1 может быть снабжен форсункой низкого или высокого давления 18 или форсункой двойного назначения для прямой подачи топлива в цилиндр и свечой зажигания 30.

Двигатель может быть с искровым зажиганием или дизельным с самовоспламенением топлива в результате высокой степени сжатия.

При искровом зажигании возможны два варианта подачи в цилиндр топлива.

В первом варианте подачи топливо подается в камеру впуска 12 с использованием карбюратора или форсунки низкого давлений 29, а впускные окна 3 открываются золотником после закрытия поршнем выпускных окон 19. Во втором варианте подачи топливо подается непосредственно в цилиндр через форсунку низкого давления 18 в начале такта сжатия после закрытия поршнем нижних выпускных окон 19 или подается после закрытия поршнем нижних выпускных окон через форсунку двойного назначения 18, которая подает в цилиндр одновременно топливо и сжатый воздух и обеспечивает наиболее качественное распыление воздуха. В дизельном варианте топливо в цилиндр подается через форсунку высокого давления 18 в конце такта сжатия, когда поршень подходит к ВМТ.

При искровом зажигании в первом варианте подачи принцип работы двигателя заключается в следующем. При движении поршня от ВМТ к НМТ, когда происходит рабочий ход поршня, сначала начинают открываться выпускные окна 19 и происходит выпуск сгоревшего газа из цилиндра, что сопровождается быстрым падением давления в цилиндре. Затем начинают открываться нижние продувочные окна 27 и начинается продувка цилиндра воздухом, который поступает от нагнетателя 28 с полным напором, т.к. на линии продувки не стоит дроссельная заслонка, регулирующая количество подаваемого воздуха. Продувка цилиндра продолжается, пока поршень при начале своего движения от НМТ к ВМТ не закроет продувочные окна 27. К моменту закрытия поршнем выпускных окон 19 золотник открывает верхние впускные окна 3 и в цилиндр начинает поступать топливовоздушная смесь, подготовленная в карбюраторе 29 в количестве в зависимости от заданной текущей мощности двигателя. Вместо карбюратора может быть использована форсунка низкого давления. После закрытия выпускных окон 19 впускные окна 3 еще некоторое время остаются открытыми, и за это время давление в цилиндре поднимается выше атмосферного давления на заданную величину, которая задается дроссельной заслонкой 17. При положении верхней части поршня в осевом направлении, показанном на фиг.5 пунктиром, впускные окна 3 закрываются и в цилиндре начинается цикл сжатия газа.

При такой схеме работы двигателя обеспечивается высокая степень очистки цилиндра от сгоревших газов на всех режимах работы двигателя, включая холостой ход, а также исключается возможность выпуска несгоревшей части топлива через выпускные окна 19, что обеспечивает необходимую экономичность и экологическую чистоту двигателя не хуже, чем у четырехтактного двигателя. При этом по сравнению с четырехтактным двухтактный двигатель имеет больший механический КПД и имеет большую литровую мощность, т.к. на два оборота вала он имеет два рабочих хода поршня, т.е. в два раза больше, чем у четырехтактного двигателя. Конструктивно подготовка смеси в карбюраторе проще, чем использование для этой цели форсунок, которые требуют высокой степени очистки топлива и высокой точности изготовления.

При искровом зажигании во втором варианте подачи принцип работы двигателя заключается в следующем. Сразу после открытия поршнем нижних продувочных окон 27 золотник 9 дополнительно открывает верхние впускные окна 3 и продувка цилиндра уже ведется чистым воздухом через верхние и нижние впускные окна, но давление в цилиндре не поднимается выше атмосферного давления, т.к. выпускные окна 19 открыты и сообщаются с атмосферой. После закрытия выпускных окон 19 впускные окна 3 еще некоторое время остаются открытыми, и за это время давление в цилиндре поднимается выше атмосферного давления на заданную величину, которая задается дроссельной заслонкой 17. В это же время в цилиндр подается топливо через форсунку низкого давления 18 или подается одновременно в заданном количестве топливо и сжатый воздух через форсунку двойного назначения 18. При положении верхней части поршня в осевом направлении, показанном на фиг.5 пунктиром, впускные окна 3 закрываются и в цилиндре начинается цикл сжатия газа. В дизельном варианте двигателя продувка цилиндра от сгоревших газов ведется так же, как во втором варианте подачи, но топливо в цилиндр подается в конце цикла сжатия через форсунку высокого давления 18. В ВМТ происходит искровое зажигание топливовоздушной смеси или происходит самовоспламенение смеси в результате высокой степени сжатия и высокой температуры газа. Далее все циклы работы двигателя повторяются.

Приведенные выше варианты подачи топлива в цилиндр исключают возможность потерь несгоревшей части топлива через выпускные окна 19, что обеспечивает повышение экономичности двигателя. Заполнение цилиндра может происходить с избыточным давлением воздуха, что позволяет увеличить литровую мощность и экономичность двигателя.

Золотник 9 используется на впуске, а поэтому имеет нормальный температурный режим работы и нормальные условия смазки, что обеспечивает высокую надежность двигателя. Отсутствие неуравновешенных инерционных масс у золотникового клапана и отсутствие клапанных пружин позволяет форсировать двигатель по скорости вращения, а следовательно, появляется возможность увеличить литровую мощность двигателя за счет увеличения его скорости вращения. В отличие от прототипа в конструкции отсутствуют узлы типа самодействующих клапанов, которые имеют низкую надежность. По своим основным характеристикам двухтактный двигатель в таком исполнении не уступит четырехтактному двигателю, но намного проще последнего.

Четвертый вариант двигателя, описываемый в пунктах 12-15 формулы изобретения, содержит левый 32 и правый 33 рабочие цилиндры с четырехтактным принципом работы; дополнительный цилиндр 34, работающий по двухтактному циклу; поршни 2 цилиндров; верхние впускные окна 3 цилиндров 32 и 33; верхние выпускные окна 4 цилиндров 32, 33 и 34; перепускные окна 35 цилиндров 32 и 33; перепускные окна 36 цилиндра 34; золотник 9 вращательного действия; камера впуска 12 цилиндров 32 и 33; камеру выпуска 13 цилиндров 32, 33 и 34; перегородку 14, разделяющую камеры 12 и 13; выпускное окно 10 золотника 9 в камере 12; впускные окна 11 золотника 9; перепускные каналы 37 золотника 9; впускное окно 15 камеры впуска 12; выпускное окно 16 камеры выпуска 13; нижние выпускные окна 19 цилиндров; турбонагнетатель 25; регулятор 17 количества подаваемого воздуха в цилиндры 32 и 33; форсунку 18 низкого или высокого давления, она же свеча зажигания для цилиндров 32 и 33; форсунку 38 низкого давления или форсунку двойного назначения для подачи одновременно топлива и сжатого воздуха в цилиндр 34; свечу зажигания 30 цилиндра 34.

Двигатель по четвертому варианту работает следующим образом. Поршни 2 связаны с механизмом преобразования движения, который обеспечивает их синхронное движение в одном направлении. Цилиндры 32 и 33 работают по четырехтактному циклу, при котором полный цикл работы каждого цилиндра происходит за два оборота вала. Фазы работы цилиндров 32 и 33 смещены по углу поворота вала на 360°. Поэтому рабочий цикл указанных цилиндров чередуется через один оборот вала. Цилиндр 34 работает по двухтактному циклу, при котором полный цикл работы цилиндра происходит за один оборот вала. Цилиндры 32 и 33 расположены с двух сторон относительно цилиндра 34. Окна 3, 4, 35, и 36 открываются и закрываются цилиндрическим золотником 9 вращательного действия, который по вращению связан с валом двигателя. Золотник совершает один оборот вокруг своей оси за два оборота вала двигателя. Золотник 9 имеет внутренние полости, которые образуют две камеры впуска 12 и объединенную на три цилиндра камеру выпуска 13. Камеры впуска 12 и камера выпуска 13 отделены друг от друга перегородками 14. На наружной цилиндрической стенке золотника выполнены выпускные окна 10, которые при вращении золотника совмещаются с впускными окнами 3 цилиндра, а также впускные окна 11, которые совмещаются с выпускными окнами 4 цилиндров. На наружной цилиндрической поверхности золотника 9 выполнены перепускные каналы 37, соединяющие окна 35 и 36. Золотник 9 имеет впускные окна 11, которые при его вращении совмещаются с окнами 15 камеры 12. В нижней части цилиндров над поршнем при его положении в НМТ выполнены нижние выпускные окна 19. Впускные окна 15 соединены с турбонагнетателем 25, а выпускные окна 16 и 19 соединены с турбиной турбонагнетателя. На линии подвода воздуха к впускным окнам 15 установлен регулятор количества подаваемого воздуха 17. Цилиндры 32 и 33 имеют форсунку 18 низкого или высокого давления, которая может быть объединена со свечой зажигания. На линии перепуска газа из цилиндров 32 и 33 в цилиндр 34 установлена форсунка низкого давления или форсунка 38 двойного назначения для подачи в цилиндр 34 одновременно топлива и сжатого воздуха. В цилиндре 34 дополнительно установлена свеча зажигания 30. Двигатель по четвертому варианту может иметь несколько режимов работы. В том числе может работать на режиме, когда топливо подается только в цилиндр 34 (вариант 1), или когда топливо подается в цилиндры 32 и 33 (вариант 2), или когда топливо подается во все цилиндры (вариант 3). Двигатель может быть дизельным с самовоспламенением топливной смеси или с принудительным зажиганием.

Принцип работы двигателя по варианту 1 подачи топлива, когда топливо подается только в цилиндр 34, заключается в следующем. На фиг.6 зафиксировано положение поршней 2, когда они находятся в ВМТ. При их подходе к ВМТ в цилиндре 32 заканчивается цикл сжатия. В цилиндре 33 заканчивается цикл выталкивания поршнем 2 остатков сгоревшего газа через открытые выпускные окна 4. В цилиндре 34 закрываются выпускные окна 4, и прекращается цикл выталкивания поршнем 2 остатков сгоревших газов. После закрытия выпускных окон 4 избыточное давление газа в цилиндре 34 практически отсутствует, и в этот момент перепускной канал 37 золотника 9 соединяет окна 35 и 36. В результате сжатый в цилиндре 32 газ перепускается в цилиндр 34.

Во время перепуска в цилиндр 34 подается топливо через форсунку 38 низкого давления, которая стоит на линии перепуска. Поток сжатого газа, обтекая форсунку 38, распыляет топливо на мелкие фракции. В момент перепуска в цилиндр 34 через форсунку 38 может подаваться одновременно топливо и сжатый воздух в количестве, достаточном для образования нормальной топливной смеси в зависимости от режима работы двигателя по мощности. При перепуске поршни 2 цилиндров 32 и 34 продолжают движение к ВМТ и дожимают топливовоздушную смесь. В ВМТ происходит поджигание топливной смеси от свечи зажигания 30. В дизельном варианте двигателя топливо подается в цилиндр 34 в конце такта сжатия и происходит самовоспламенение топливной смеси в результате высокой степени сжатия газа. Предлагаемый принцип работы двигателя позволяет сжимать чистый воздух в цилиндрах 32 и 33 без подачи в них топлива, а в цилиндр 34 подавать топливо через форсунку низкого давления. После загорания топлива в цилиндре 34 идет расширение газа, которое сопровождается повышением давления. В современных двигателях после загорания топлива давление в цилиндре достигает величины 10 МПа и выше. В предлагаемом варианте двигателя зажигание топлива происходит в дополнительном цилиндре, а расширение газа может вестись в двух или более цилиндрах в зависимости от количества дополнительных цилиндров 34, участвующих в работе, т.к. сразу после загорания давление в цилиндрах, соединенных перепускным каналом, выравнивается. Следовательно, коэффициент расширения газа после загорания может увеличиться в несколько раз. К концу рабочего хода поршней и к началу открытия выпускных окон 19 давление в цилиндрах также снизится в несколько раз. Снижение давления выхлопных газов обеспечивает более полное использование энергии расширения газов и снизит уровень шума двигателя.

Сжатие воздуха в цилиндрах 32 и 33 происходит без подачи топлива, а следовательно, отсутствуют условия для возникновения детонации в цилиндрах. Поэтому можно использовать низкооктановые сорта топлива, что делает двигатель всеядным. После открытия поршнями нижних выпускных окон 19 давление в цилиндрах 32 и 34 падает и большая часть газа поступает на турбину турбонагнетателя 25, минуя верхние выпускные окна 4. Расширение выхлопных газов сопровождается падением их температуры. При положении поршней в НМТ, когда нижние выпускные окна 19 полностью открыты или несколько позже, золотник 9 открывает верхние выпускные окна 4 у цилиндров 32 и 34, и начинается цикл выталкивания поршнем остатков сгоревших газов из них при движении поршней к ВМТ. В этом случае в камеру выпуска 13 поступает уже уменьшенное в несколько раз количество выхлопных газов и с меньшей температурой, что улучшает температурные условия работы золотника 9 и позволяет создать нормальные условия для его смазки. В результате затрачивается меньшая энергия на выталкивание газа поршнями из цилиндров, следовательно, повышается экономичность двигателя. Когда поршень 2 цилиндра 32 подходит к ВМТ и заканчивается цикл выпуска сгоревших газов, в цилиндре 33 заканчивается цикл сжатия газа. Происходит перепуск сжатого газа из цилиндра 33 в цилиндр 34, и все циклы работы повторяются. В цилиндре 34 практически отсутствует цикл сжатия газа, а за два оборота вала его поршень делает два рабочих хода, что дополнительно поднимает экономичность двигателя. Отсутствие условий для детонации в цилиндрах 32 и 33 позволяет повысить температурный режим их работы, следовательно, повышается термический КПД работы двигателя, и улучшаются условия для полного сгорания топлива. Можно отказаться от использования форсунок высокого давления в дизельном варианте двигателя, которые имеют низкую надежность и требуют высокой степени очистки топлива от посторонних примесей.

Принцип работы двигателя по варианту 2 подачи топлива, когда топливо подается только в цилиндры 32 и 33, заключается в следующем.

В варианте двигателя с искровым зажиганием после закрытия поршнем нижних выпускных окон 19 у цилиндров 32 и 33 в начале такта сжатия в этих цилиндрах подается топливо через форсунку низкого давления или подается одновременно топливо и сжатый воздух через форсунку двойного назначения 18 для образования нормальной топливной смеси. В цилиндре 34 при движении поршня от НМТ к ВМТ происходит выталкивающий ход, и цилиндр освобождается от остатков сгоревших газов. При подходе к ВМТ в цилиндре 34 закрываются выпускные окна 4. После их закрытия открывается линия перепуска и сжатый в цилиндре 32 или 33 газ подается в дополнительный цилиндр 34. Поршни продолжают движение к ВМТ, и происходит сжатие газа двумя поршнями до заданного давления. В ВМТ топливная смесь воспламеняется от свечи зажигания 30, газ расширяется и давит с одинаковым давлением на оба поршня. Расширение газа будет происходить в двух цилиндрах, что позволяет в два раза увеличить коэффициент расширения газа, а следовательно, к моменту открытия выпускных окон 19 давление в цилиндре будет в два раза меньше по сравнению с вариантом расширения газа в одном цилиндре. В дизельном варианте двигателя топливо в цилиндр подается в конце такта сжатия через форсунку высокого давления 18. После загорания топлива расширение газа будет происходить в двух цилиндрах. Соответственно, увеличится коэффициент расширения газа. Увеличение коэффициента расширения газа после его загорания позволяет более полно использовать энергию газа при расширении. В результате повышается экономичность двигателя и снижается уровень шума в выхлопном тракте.

Принцип работы двигателя по варианту 3 подачи топлива, когда топливо подается во все цилиндры, заключается в следующем.

В варианте двигателя с искровым зажиганием в цилиндры 32 и 33 после закрытия выпускных окон 19 в начале такта сжатия подается топливо через форсунку низкого давления или подается одновременно топливо и сжатый воздух через форсунку двойного назначения для образования сверхбедной смеси топлива и воздуха, которая не самовоспламеняется при сжатии ее поршнем. В цилиндр 34 при подходе поршня 2 к ВМТ после закрытия выпускных окон 4 впрыскивается топливо через форсунку низкого давления или подается одновременно топливо и сжатый воздух через форсунку двойного назначения в количестве для образования нормальной топливной смеси. В ВМТ происходит перепуск сжатого газа в цилиндр 34 из цилиндра 32 или 33. При перепуске нормальная топливная смесь остается в цилиндре 34, которая поджигается в нем свечой зажигания 30. После загорания топлива в цилиндре 34 горящий газ с большим давлением и температурой поступает в цилиндр 32 или 33 и поджигает в этих цилиндрах сверхбедную смесь. В этом случае цилиндр 34 используется как форкамера для поджигания сверхбедной смеси в цилиндрах 32 и 33. При образовании в цилиндрах 32 и 33 сверхбедной смеси топлива и воздуха отсутствуют условия для детонации топлива в цилиндрах при сжатии и повышается экономичность двигателя. В вариантах 1 и 3 подачи топлива двигатель может быть всеядным и можно уменьшить отвод тепла от цилиндров, что повысит термический КПД двигателя. В дополнительном цилиндре 34 поршень 2 сжимает газ только в конце своего хода от НМТ к ВМТ. В результате затрачивается меньше энергии на сжатие газа и повышается экономичность двигателя. В дополнительном цилиндре 34, имеющем двухтактный принцип работы, очистка цилиндра от сгоревших газов происходит за счет выталкивающего хода поршня при его движении от НМТ к ВМТ. В результате повышается степень его очистки от сгоревших газов и повышается экологическая чистота двигателя.

Источники информации

1. GB 2211549 A, 05.07.1989.

2. JP 9133009 A, 20.05.1997.

3. WO 93/18283 A1, 16.09.1993.

4. US 3581626 A, 01.06.1971.

5. FR 2531139 A1, 03.02.1984.

6. RU 2024773 C1, 15.12.1994.

7. RU 2063524 C1, 10.07.1996.