Двигатель внутреннего сгорания с противолежащей конструкцией. Двигатель внутреннего сгорания с противоположно движущимися поршнями

Не будет преувеличением сказать, что большинство самодвижущихся устройств сегодня оснащены двигателями внутреннего сгорания разнообразных конструкций, использующими различные принципиальные схемы работы. Во всяком случае, если говорить об автомобильном транспорте. В данной статье мы рассмотрим более подробно ДВС. Что это такое, как работает данный агрегат, в чем его плюсы и минусы, вы узнаете, прочитав ее.

Принцип работы двигателей внутреннего сгорания

Главный принцип работы ДВС основан на том, что топливо (твердое, жидкое или газообразное) сгорает в специально выделенном рабочем объеме внутри самого агрегата, преобразуя тепловую энергию в механическую.

Рабочая смесь, поступающая в цилиндры такого двигателя, подвергается сжатию. После ее воспламенения при помощи специальных устройств возникает избыточное давление газов, заставляющих поршни цилиндров возвращаться в исходное положение. Так создается постоянный рабочий цикл, преобразующий при помощи специальных механизмов кинетическую энергию в крутящий момент.

На сегодняшний день устройство ДВС может иметь три основных вида:

• часто называемый легким;
• четырехтактный силовой агрегат, позволяющий добиться более высоких показателей мощности и значений КПД;
• обладающие повышенными мощностными характеристиками.

Помимо этого существуют и другие модификации основных схем, позволяющие улучшить те или иные свойства силовых установок данного вида.

Преимущества двигателей внутреннего сгорания

В отличие от силовых агрегатов, предусматривающих наличие внешних камер, ДВС обладает значительными преимуществами. Главными из них являются:

• гораздо более компактные размеры;
• более высокие показатели мощности;
• оптимальные значения КПД.

Необходимо заметить, говоря о ДВС, что это такое устройство, которое в подавляющем большинстве случаев позволяет использовать различные виды топлива. Это может быть бензин, дизельное топливо, природный или керосин и даже обычная древесина.

Такой универсализм принес данной принципиальной схеме двигателя заслуженную популярность, повсеместное распространение и поистине мировое лидерство.

Краткий исторический экскурс

Принято считать, что двигатель внутреннего сгорания ведет отсчет своей истории с момента создания французом де Ривасом в 1807 году поршневого агрегата, использовавшего в качестве топлива водород в газообразном агрегатном состоянии. И хотя с тех пор устройство ДВС подверглось значительным изменениям и модификациям, основные идеи этого изобретения продолжают использоваться и в наши дни.

Первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания увидел свет в 1876 году в Германии. В середине 80-х годов XIX столетия в России был разработан карбюратор, позволявший дозировать подачу бензина в цилиндры мотора.

А в самом конце позапрошлого века знаменитый немецкий инженер предложил идею воспламенения горючей смеси под давлением, что существенно повышало мощностные характеристики ДВС и показатели КПД агрегатов подобного вида, которые до этого оставляли желать много лучшего. С тех пор развитие двигателей внутреннего сгорания шло в основном по пути улучшения, модернизации и внедрения разнообразных улучшений.

Основные виды и типы ДВС

Тем не менее более чем 100-летняя история агрегатов данного вида позволила разработать несколько основных видов силовых установок с внутренним сгоранием топлива. Они отличаются между собой не только составом используемой рабочей смеси, но и конструктивными особенностями.

Бензиновые двигатели

Как явствует из названия, агрегаты данной группы используют в качестве топлива различные виды бензина.

В свою очередь, такие силовые установки принято подразделять на две большие группы:

• Карбюраторные. В таких устройствах топливная смесь перед поступлением в цилиндры обогащается воздушными массами в специальном устройстве (карбюраторе). После чего происходит ее воспламенение при помощи электрической искры. Среди наиболее ярких представителей данного типа можно назвать модели ВАЗ, ДВС которых очень долгое время был исключительно карбюраторного типа.
• Инжекторные. Это более сложная система, в которой впрыск топлива в цилиндры осуществляется посредством специального коллектора и форсунок. Он может происходить как механическим способом, так и посредством специального электронного устройства. Наиболее продуктивными считаются системы прямого непосредственного впрыска "Коммон Рейл". Устанавливаются почти на все современные автомобили.

Инжекторные бензиновые двигатели принято считать более экономичными и обеспечивающими более высокий КПД. Однако стоимость таких агрегатов намного выше, а обслуживание и эксплуатация - заметно сложнее.

Дизельные двигатели

На заре существования агрегатов подобного вида очень часто можно было слышать шутку о ДВС, что это такое устройство, которое ест бензин, как лошадь, а движется намного медленнее. С изобретением дизельного двигателя эта шутка частично потеряла свою актуальность. Главным образом потому, что дизель способен работать на топливе гораздо более низкого качества. А значит, и на гораздо более дешевом, нежели бензин.

Главным принципиальным отличием внутреннего сгорания является отсутствие принудительного воспламенения топливной смеси. Солярка впрыскивается в цилиндры специальными форсунками, а отдельные капли топлива воспламеняются из-за силы давления поршня. Наряду с преимуществами дизельный двигатель обладает и целым рядом недостатков. Среди них можно выделить следующие:

• гораздо меньшая мощность по сравнению с бензиновыми силовыми установками;
• большими габаритами и весовыми характеристиками;
• сложностями с запуском при экстремальных погодных и климатических условиях;
• недостаточной тяговитостью и склонностью к неоправданным потерям мощности, особенно на сравнительно высоких оборотах.

Кроме того, ремонт ДВС дизельного типа, как правило, гораздо более сложен и затратен, нежели регулировка или восстановление работоспособности бензинового агрегата.

Газовые двигатели

Несмотря на дешевизну природного газа, используемого в качестве топлива, устройство ДВС, работающих на газе, несоизмеримо сложнее, что ведет к существенному удорожанию агрегата в целом, его монтажа и эксплуатации в частности.

На силовых установках подобного типа сжиженный или природный газ поступает в цилиндры через систему специальных редукторов, коллекторов и форсунок. Воспламенение топливной смеси происходит так же, как и в карбюраторных бензиновых установках, - при помощи электрической искры, исходящей от свечи зажигания.

Комбинированные типы двигателей внутреннего сгорания

Мало кто знает о комбинированных системах ДВС. Что это такое и где применяется?

Речь идет, конечно же, не о современных гибридных автомобилях, способных работать как на горючем, так и от электрического мотора. Комбинированными двигателями внутреннего сгорания принято называть такие агрегаты, которые объединяют в себе элементы различных принципов топливных систем. Наиболее ярким представителем семейства таких двигателей являются газодизельные установки. В них топливная смесь поступает в блок ДВС практически так же, как и в газовых агрегатах. Но поджиг горючего производится не при помощи электроразряда от свечи, а запальной порцией солярки, как это происходит в обычном дизельном моторе.

Обслуживание и ремонт двигателей внутреннего сгорания

Несмотря на достаточно широкое разнообразие модификаций, все двигатели внутреннего сгорания имеют аналогичные принципиальные конструкции и схемы. Тем не менее, для того чтобы качественно осуществлять обслуживание и ремонт ДВС, необходимо досконально знать его устройство, понимать принципы работы и уметь определять неполадки. Для этого, безусловно, необходимо тщательно изучить конструкцию двигателей внутреннего сгорания различных типов, уяснить для себя назначение тех или иных деталей, узлов, механизмов и систем. Дело это непростое, но очень увлекательное! А главное, нужное.

Специально для пытливых умов, которые желают самостоятельно постичь все таинства и секреты практически любого транспортного средства, примерная принципиальная схема ДВС представлена на фото выше.

Итак, мы выяснили, что собой представляет данный силовой агрегат.

5, 10, 12 или более цилиндрами. Позволяет сократить линейные размеры мотора по сравнению с рядным расположением цилиндров.

VR-образный
"VR" аббревиатура двух немецких слов, обозначающих V-образный и R- рядный, т.е "v-образно-рядный". Двигатель разработан компанией Volkswagen и представляет собой симбиоз V-образного двигателя с экстремально малым углом развала 15° и рядного двигателя.Его шесть цилиндров расположены V-образно под углом 15° в отличие от традиционных V-образных двигателей, имеющих угол 60° или 90°. Поршни расположены в блоке в шахматном порядке. Совокупность достоинств обоих типов двигателей привела к тому, что двигатель VR6 стал настолько компактным, что позволил накрыть оба ряда цилиндров одной общей головкой, в отличие от обычного V-образного двигателя. В результате двигатель VR6 получился существенно меньше по длине, чем рядный 6 цилиндровый, и меньше по ширине, чем обычный V-образный 6-цилиндровый двигатель. Ставился с 1991г (1992 модельный) на автомобили Volkswagen Passat, Golf, Corrado, Sharan. Имеет заводские индексы "AAA" объемом 2.8 литра, мощностью 174 л/с и "ABV" объемом 2.9 литра и мощностью 192 л/с.

Оппозитный двигатель - поршневой двигатель внутреннего сгорания , в котором угол между рядами цилиндров составляет 180 градусов. В автомобильной и мототехнике оппозитный двигатель применяется для снижения центра тяжести, вместо традиционного V-образного , так же оппозитное расположение поршней позволяет им взаимно нейтрализовывать вибрации, благодаря чему двигатель имеет более плавную рабочую характеристику.
Наиболее широкое распространение оппозитный двигатель получил в модели Volkswagen Kaefer (Beetle, в английском варианте) выпущенной за годы производства (с по 2003 год) в количестве 21 529 464 штук.
Компания Porsche использует его в большинстве своих спортивных и гоночных моделях серий , GT1 , GT2 и GT3.
Оппозитный двигатель является также отличительной чертой автомобилей марки Subaru , который устанавливается практически во все модели Subaru c 1963 года . Большинство двигателей этой фирмы имеют оппозитную компоновку, которая обеспечивает очень высокую прочность и жёсткость блока цилиндров, но в то же время делает двигатель сложным в ремонте. Старые двигатели серии EA (EA71, EA82 (выпускались примерно до 1994 года)) славятся своей надёжностью . Более новые двигатели серии EJ, EG, EZ (EJ15, EJ18, EJ20, EJ22, EJ25, EZ30, EG33, EZ36), устанавливаемые на различные модели Subaru с 1989 года и по настоящее время (с февраля 1989 года автомобили Subaru Legacy оснащаются оппозитными дизельными двигателями вкупе с механической коробкой передач).
Также устанавливался на румынские автомобили Oltcit Club (является точной копией Citroen Axel), с 1987 по 1993 годы. В производстве мотоциклов оппозитные двигатели нашли широкое применение в моделях фирмы BMW , а также в советских тяжёлых мотоциклах «Урал» и «Днепр».

U-образный двигатель - условное обозначение силовой установки, представляющей собой два рядных двигателя, коленчатые валы которых механически соединены при помощи цепи или шестерней.
Известные примеры использования: спортивные автомобили - Bugatti Type 45 , опытный вариант Matra Bagheera ; некоторые судовые и авиационные двигатели.
U-образный двигатель с двумя цилиндрами в каждом блоке обозначается иногда как square four .

Двигатель со встречным движением поршней - конфигурация двигателя внутреннего сгорания с расположением цилиндров в два ряда один напротив другого (обычно один над другим) таким образом, что поршни расположенных друг напротив друга цилиндров движутся навстречу друг другу и имеют общую камеру сгорания. Коленвалы механически соединены, мощность отбирается с одного из них, или с обоих (например, при приводе двух гребных винтов). Двигатели этой схемы в основном двухтактные с турбонаддувом . Эта схема применяется на авиадвигателях, танковых двигателях (Т-64 , Т-80УД , Т-84 , Chieftain), двигателях тепловозов (ТЭ3 , 2ТЭ10) и больших морских судовых дизелях. Встречается и другое название этого типа двигателей - двигатель с противоположно-движущимися поршнями (двигатель с ПДП).

Принцип действия:
1 впуск
2 приводной нагнетатель
3 воздухопровод
4 предохранительный клапан
5 выпускной КШМ
6 впускной КШМ (запаздывает на ~20° относительно выпускного)
7 цилиндр со впускными и выпускными окнами
8 выпуск
9 рубашка водяного охлаждения
10 свеча зажигания

Ротативный двигатель - звездообразный двигатель воздушного охлаждения, основанный на вращении цилиндров (обычно представленных в нечетном количестве) вместе с картером и воздушным винтом вокруг неподвижного коленчатого вала, закреплённого на моторной раме . Подобные двигатели широко использовались во времена первой мировой войны и гражданской войны в России . На протяжений этих войн эти двигатели превосходили по удельной массе двигатели водяного охлаждения, поэтому в основном использовались именно они (в истребителях и самолетах-разведчиках) .
Звёздообразный двигатель (радиальный двигатель ) - поршневой двигатель внутреннего сгорания, цилиндры которого расположены радиальными лучами вокруг одного коленчатого вала через равные углы. Звездообразный двигатель имеет небольшую длину и позволяет компактно размещать большое количество цилиндров. Нашел широкое применение в авиации.
Звёздообразный двигатель отличается от других типов конструкцией кривошипно-шатунного механизма. Один шатун является основным, он похож на шатун обычного двигателя с рядным расположением цилиндров, остальные являются вспомогательными и крепятся к основному шатуну по его периферии (такой же принцип применяется в V-образных двигателях). Недостатком конструкции звездообразного двигателя является возможность протекания масла в нижние цилиндры во время стоянки, в связи с чем требуется перед запуском двигателя убедиться в отсутствии масла в нижних цилиндрах. Запуск двигателя при наличии масла в нижних цилиндрах приводит к гидроудару и поломке кривошипно-шатунного механизма.
Четырёхтактные звездообразные моторы имеют нечётное число цилиндров в ряду - это позволяет давать искру в цилиндрах «через один».

Ро́торно-поршнево́й дви́гатель внутреннего сгорания (РПД, двигатель Ва́нкеля), конструкция которого разработана в году инженером компании NSU Вальтером Фройде , ему же принадлежала идея этой конструкции. Двигатель разрабатывался в соавторстве с Феликсом Ванкелем , работавшим над другой конструкцией роторно-поршневого двигателя.
Особенность двигателя - применение трёхгранного ротора (поршня), имеющего вид треугольника Рело , вращающегося внутри цилиндра специального профиля, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде .

Конструкция
Установленный на валу ротор жёстко соединён с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестернёй - статором. Диаметр ротора намного превышает диаметр статора, несмотря на это ротор с зубчатым колесом обкатывается вокруг шестерни. Каждая из вершин трёхгранного ротора совершает движение по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объёмы камер в цилиндре с помощью трёх клапанов.
Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля , Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Отсутствие механизма газораспределения делает двигатель значительно проще четырехтактного поршневого (экономия составляет около тысячи деталей), а отсутствие сопряжения (картерное пространство, коленвал и шатуны) между отдельными рабочими камерами обеспечивают необычайную компактность и высокую удельную мощность. За один оборот ванкель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя. Смесеобразование, зажигание , смазка, охлаждение, запуск принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.
Практическое применение получили двигатели с трёхгранными роторами, с отношением радиусов шестерни и зубчатого колеса: R:r = 2:3, которые устанавливают на автомобилях, лодках и т. п.

Конфигурация двигателя W
Двигатель разработан компаниями Audi и Volkswagen и представляет собой два V-образно расположенных двигателя . Крутящий момент снимается с обоих коленвалов.

Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания (РЛД, двигатель Вигрия́нова), конструкция которого разработана в 1973 году инженером Михаилом Степановичем Вигрияновым. Особенность двигателя - применение вращающегося сложносоставного ротора размещённого внутри цилиндра и состоящего из четырех лопастей.
Конструкция На паре соосных валов установлены по две лопасти, разделяющие цилиндр на четыре рабочие камеры. Каждая камера за один оборот совершает четыре рабочих такта (набор рабочей смеси, сжатие, рабочий ход и выброс отработанных газов). Таким образом, в рамках данной конструкции возможно реализовать любой четырехтактный цикл. (Ничто не мешает использовать данную конструкцию для работы парового двигателя, только лопастей придется использовать две вместо четырех.)

Уравновешанность двигателей

Степень уравновешенности (зеленая ячейка- уравновешенные силы или моменты, красная - свободные)

1

R2

R2*

V2

B2

R3

R4

V4

B4

R5

VR5

R6

V6

VR6

B6

R8

V8

B8

V10

V12

B12

Силы инерции первого порядка

Все схемы открываются в полный размер по клику.

ВСТРЕЧНОЕ ДВИЖЕНИЕ

Особенность двухтактного дизеля профессора Питера Хофбауэра, посвятившего 20 лет своей жизни работе в концерне «Фольксваген», - два поршня в одном цилиндре, движущиеся навстречу друг другу. И название это подтверждает: Opposed Piston Opposed Cylinder (OPOC) - встречные поршни, встречные цилиндры.

Похожую схему еще в середине прошлого века использовали в авиации и танкостроении, например, на немецких «Юнкерсах» или советском танке T-64. Дело в том, что в традиционном двухтактном двигателе оба окна для газообмена перекрывает один поршень, а в двигателях с встречными поршнями в зоне хода одного поршня располагается впускное окно, в зоне хода второго - выпускное. Такая конструкция позволяет раньше открывать выпускное окно и благодаря этому лучше очищать камеру сгорания от отработавших газов. И заранее закрывать, чтобы сберечь некоторое количество рабочей смеси, которое у двухтактного двигателя обычно выбрасывается в выхлопную трубу.

В чем же изюминка конструкции профессора? В центральном (между цилиндрами) расположении коленвала, обслуживающего сразу все поршни. Это решение привело к довольно замысловатой конструкции шатунов. Их по паре на каждой шейке коленвала, причем на внешние поршни приходится по паре шатунов, расположенных по обе стороны цилиндра. Это схема позволила обойтись одним коленвалом (у прежних моторов их было два, размещенных по краям двигателя) и сделать компактный, легкий агрегат. В четырехтактных двигателях циркуляцию воздуха в цилиндре обеспечивает сам поршень, в моторе OPOC - турбонаддув. Для лучшей эффективности быстро разогнать турбину помогает электромотор, который в определенных режимах становится генератором и рекуперирует энергию.

Опытный образец, сделанный для армии без оглядки на экологические нормы, при массе 134 кг развивает 325 л.с. Подготовлен и гражданский вариант - с примерно на сотню сил меньшей отдачей. Как заявляет создатель, в зависимости от исполнения мотор ОРОС на 30–50% легче прочих дизелей сравнимой мощности и в два - четыре раза компактнее. Даже по ширине (это самое внушительное габаритное измерение) ОРОС всего вдвое превосходит один из самых компактных автомобильных агрегатов в мире - двухцилиндровый фиатовский «Твинэйр».

Мотор OPOC - образец модульной конструкции: двухцилиндровые блоки можно компоновать в многоцилиндровые агрегаты, соединяя их электромагнитными муфтами. Когда полная мощность не требуется, для экономии топлива один или несколько модулей могут отключаться. В отличие от обычных двигателей с отключаемыми цилиндрами, где коленвал шевелит даже «отдыхающие» поршни, механических потерь можно избежать. Интересно, а как обстоят дела с топливной экономичностью и вредными выбросами? Разработчик предпочитает обходить этот вопрос молчанием. Понятное дело - тут позиции двухтактников традиционно слабы.

РАЗДЕЛЬНОЕ ПИТАНИЕ

Еще один пример ухода от традиционных догм. Кармело Скудери покусился на святое правило четырехтактных моторов: весь рабочий процесс должен происходить строго в одном цилиндре. Изобретатель поделил цикл между двумя цилиндрами: один отвечает за впуск смеси и ее сжатие, второй - за рабочий ход и выпуск. При этом традиционные четыре такта двигатель, именуемый мотором с разделенным циклом (SCC - Split Cycle Combustion), проходит всего за один оборот коленвала, то есть в два раза быстрее.

Вот как этот мотор работает. В первом цилиндре поршень сжимает воздух и подает его в соединительный канал. Клапан открывается, форсунка впрыскивает топливо, и смесь под давлением врывается во второй цилиндр. Сгорание в нем начинается при движении поршня вниз, в отличие от двигателя Отто, где смесь поджигают чуть раньше, чем поршень достигнет верхней мертвой точки. Таким образом, сгорающая смесь не препятствует в начальной стадии горения движущему навстречу поршню, а, наоборот, подталкивает его. Создатель мотора обещает удельную мощность в 135 л.с. с литра рабочего объема. Причем при значительном сокращении вредных выбросов благодаря более эффективному сгоранию смеси - например, с уменьшением выхода NOx на 80% в сравнении с этим же показателем для традиционного ДВС. Заодно утверждают, что SCC на 25% экономичнее равных по мощности атмосферных моторов. Однако лишний цилиндр - это дополнительная масса, увеличение габаритов, возрастающие потери на трение. Что-то не верится... Особенно если взять в пример новое поколение наддувных двигателей, сделанных под девизом даунсайзинга.

Кстати, для этого двигателя придумана оригинальная схема рекуперации и наддува «в одном флаконе» под названием Air-Hybrid. Во время торможения двигателем цилиндр рабочего хода отключается (клапаны закрыты), а цилиндр сжатия наполняет специальный резервуар сжатым воздухом. При разгоне происходит обратное: не работает цилиндр сжатия, а в рабочий нагнетается запасенный воздух - своего рода наддув. Собственно, при такой схеме не исключается и полный пневморежим, когда воздух будет толкать поршни в одиночку.

МОЩНОСТЬ ИЗ ВОЗДУХА

Профессор Лино Гуззелла также использовал идею накопления сжатого воздуха в отдельном резервуаре: один из клапанов открывает путь от баллона к камере сгорания. В остальном это обычный двигатель с турбонаддувом. Опытный образец построили на базе 0,75-литрового двигателя, предложив его как замену… 2-литровому атмосферному мотору.

Разработчик для оценки эффективности своего творения предпочитает сравнивать его с гибридными силовыми агрегатами. Причем при схожей экономии топлива (около 33%) конструкция Гуззеллы удорожает мотор всего лишь на 20% - сложная бензоэлектрическая установка обходится почти в десять раз дороже. Однако в тестовом образце топливо экономится не столько за счет наддува из баллона, сколько благодаря малому рабочему объему самого двигателя. Но перспективы у сжатого воздуха в работе обычного ДВС все же есть: его можно использовать для пуска мотора в режиме «старт-стоп» или для движения автомобиля на малых скоростях.

КРУТИТСЯ, ВЕРТИТСЯ ШАР…

Среди необычных ДВС мотор Герберта Хюттлина выделяется наиболее примечательной конструкцией: традиционные поршни и камеры сгорания здесь размещены внутри шара. Поршни движутся в нескольких направлениях. Во-первых, навстречу друг другу, образуя между собой камеры сгорания. Кроме того, они соединены попарно в блоки, посаженные на единую ось и вращающиеся по хитрой траектории, заданной кольцевой фигурной шайбой. Корпус поршневых блоков объединен с шестерней, передающей крутящий момент на выходной вал.

Из-за жесткой связи между блоками при наполнении смесью одной камеры сгорания одновременно происходит выпуск отработавших газов в другой. Таким образом, за поворот поршневых блоков на 180 градусов происходит 4-тактный цикл, за полный оборот - два рабочих цикла.

Первый показ шарового двигателя на Женевском автосалоне привлек всеобщее внимание. Концепция, безусловно, интересная - за работой 3D-модели можно наблюдать часами, пытаясь разобраться, как работает та или иная система. Однако за красивой идеей должно последовать воплощение в металле. А разработчик пока ни слова не говорит о хотя бы приблизительных значениях основных показателей агрегата - мощности, экономичности, экологичности. И, главное, о технологичности и надежности.

МОДНАЯ ТЕМА

Роторно-лопастной двигатель изобрели чуть меньше века назад. И, наверное, еще долго не вспоминали бы о нем, не появись амбициозный проект российского народного автомобиля. Под капотом «ё-мобиля» пусть и не сразу, но должен появиться именно роторно-лопастной двигатель, да еще в паре с электромотором.

Вкратце о его устройстве. На оси установлены два ротора с парой лопастей на каждом, образующих камеры сгорания переменной величины. Роторы вращаются в одном направлении, но с разными скоростями - один догоняет другой, смесь между лопастями сжимается, проскакивает искра. Второй начинает движение по окружности, чтобы на следующем круге «подтолкнуть» соседа. Посмотрите на рисунок: в правой нижней четверти происходит впуск, в правой верхней - сжатие, затем против часовой стрелки - рабочий ход и выпуск. Воспламенение смеси осуществляется в верхней точке окружности. Таким образом, за один оборот ротор происходит четыре рабочих такта.

Очевидные преимущества конструкции - компактность, легкость и хороший КПД. Однако есть и проблемы. Из них главная - точная синхронизация работы двух роторов. Задача эта непростая, а решение должно быть недорогим, иначе «ё-мобиль» никогда не станет народным.

Полезная модель относится к области двигателестроения. Предложена конструкция двигателя, работающего по двухтактному циклу с наддувом и комбинированной схемой газообмена, при которой в течение первой фазы происходит продувка и наполнение цилиндра одним воздухом по обычной кривошипно-камерной схеме газообмена, при второй фазе происходит наддув цилиндра, переобогащенной в карбюраторе, сжатой в компрессоре топливной смесью через впускные окна в цилиндре, имеющие фазы впуска, превышающие фазы выпуска. Для предотвращения попадания продуктов сгорания из цилиндра в ресивер при такте расширения, окна закрыты специальным кольцом, выполняющим роль золотника, управляемым кулачком или эксцентриком на цапфе коленчатого вала, либо любого другого вала, вращающегося с ним синхронно.

Двигатель выполнен с двумя противолежащими цилиндрами, установленными на одном общем картере, и тремя коленчатыми валами, из которых один имеет два кривошипа, расположенных под углом 180° относительно друг друга. Цилиндры содержат поршни с двумя поршневыми пальцами, соединенными шатунами с кривошипами коленчатых валов, симметрично расположенных относительно оси цилиндров. Поршни состоят из головки с компрессионными кольцами и двухсторонней юбки. Нижняя часть юбки выполнена в виде фартука, прикрывающего выпускные окна при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ). При положении поршня в нижней мертвой точке (НМТ) фартук размещен в зоне, занимаемой коленчатыми валами. Верхняя часть юбки при положении поршня в ВМТ входит в кольцевое пространство, расположенное вокруг камеры сгорания. Каждый цилиндр двигателя снабжен индивидуальным компрессором, поршни которых при помощи штока соединены с поршнями двигателя противолежащих цилиндров.

Экономический эффект от снижения расхода топлива при стоимости бензина 35 руб./л. будет составлять около 7 руб./кВт·ч, т.е. двигатель мощностью 20 кВт за ресурс 500 моточасов сэкономит около 70000 рублей или 2000 литров бензина.

Учитывая наличие высоких энерго-экономических показателей по мощности, массе и габаритам, обеспечиваемых применением 2-х тактного цикла, наддува, снижением на 2530% расхода топлива, при сохранении моторесурса в прежних пределах 5001000 моточасов за счет уменьшения нагрузок на шатунные подшипники коленчатых валов при их удвоении, предлагаемая конструкция двигателя в 2-х или 4-х цилиндровом исполнении мощностью в пределах 2060 кВт может найти применение в силовых установках летательных аппаратов, глиссирующих маломерных судов с движетелями в виде воздушных или гребных винтов, портативных мотоизделий, применяемых населением, в ведомствах МЧС, армии и флота, а также в других установках, где требуется малая удельная масса и габариты.

Предлагаемая полезная модель относится к области двигателестроения, в частности, к двухтактным карбюраторным двигателям внутреннего сгорания (ДВС), передающим усилия от давления газов на поршень кривошипом коленчатых валов, симметрично расположенных относительно оси цилиндра и вращающихся в противоположных направлениях.

Указанные двигатели обладают рядом преимуществ, главные из которых возможность уравновешенности сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс за счет противовесов коленчатых валов, отсутствие сил, вызывающих повышенное трение поршня о стенки цилиндра, отсутствие реактивного крутящего момента, высокие удельные энерго-экономические параметры по мощности, массе и габаритам, сниженные нагрузки на шатунные подшипники коленчатого вала, которые, в основном, лимитируют ресурс двигателя.

Известен двухтактный карбюраторный двигатель с кривошипно-камерной схемой газообмена, содержащий цилиндр, размещенный в нем поршень с двумя поршневыми пальцами, два коленчатых вала, симметрично расположенных относительно оси цилиндра, причем, каждый из них соединен шатуном с одним из поршневых пальцев. (Двухтактный двигатель внутреннего сгорания. Патент RU 116906 U1. Беднягин Л.В., Лебединская О.Л. Бюл. 16. 2012.).

Двигатель отличается тем, что поршень выполнен в виде головки с двухсторонней юбкой, нижняя часть юбки при положении поршня в нижней мертвой точке (НМТ) размещена в зоне, занимаемой коленчатыми валами, верхняя часть юбки, при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ), частично входит в кольцевое пространство, расположенное вокруг камеры сгорания, причем впускные и выпускные окна расположены на двух уровнях: впускные окна расположены над головкой поршня при его положении в НМТ, выпускные - над верхней кромкой юбки.

Известна конструкция двигателя, выполненная по схеме один цилиндр - два коленчатых вала, обеспечивающая повышение мощности за счет применения наддува (Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с наддувом. Заявка 2012132748/06 (051906). Беднягин Л.В., Лебединская О.Л. Получена ФИПС 31.07.12), где соосно цилиндру двигателя размещен цилиндр компрессора (нагнетателя), поршень которого при помощи штока соединен с поршнем двигателя, наружная нагнетательная полость насоса соединена каналами с внутри-картерным пространством, от которого его внутренняя полость изолирована с помощью уплотняющей втулки, размещенной на штоке и зафиксированной между двух половин картера. Наружная полость компрессора обеспечивает дополнительную подачу топливной смеси в картер двигателя. Для возможности обеспечения дозарядки цилиндр двигателя оборудован дополнительными впускными (продувочными) окнами, расположенными над основными, с фазами впуска, превышающими фазы выпуска, при этом между ними в плоскости разъема цилиндра и картера размещены обратные пластинчатые клапаны, предотвращающие попадание продуктов сгоревшего топлива из цилиндра в картер, когда давление в нем превышает давление внутри картера. Указанный двигатель является прототипом предлагаемой конструкции ПМ.

Все карбюраторные двухтактные двигатели с кривошипно-камерной схемой газообмена (продувкой и наполнением цилиндра свежей топливной смесью), в том числе и прототип, обладают общим существенным недостатком - повышенным расходом топлива, связанным с потерей части топлива при продувке, осуществляемой непосредственно топливной смесью.

Работы по устранению этого недостатка практически ведутся в одном направлении - осуществлении продувки чистым воздухом и применении непосредственного впрыска топлива в цилиндр. Основная трудность, сдерживающая внедрение систем непосредственного впрыска топлива на двухтактных двигателях - высокая стоимость топливоподающей аппаратуры, которая на малоразмерных двигателях или двигателях, работающих эпизодически (например, пожарная мотопомпа), при существующих ценах не окупается за весь период их эксплуатации.

Вторая причина - проблема обеспечения работоспособности топливной аппаратуры и качества смесеобразования в связи с необходимостью двукратного увеличения частоты подачи топлива в цилиндр при использовании двухтактного цикла и дальнейшего ее увеличения с учетом тенденций роста скоростных режимов ДВС, и особенно малоразмерных, работающих по двухтактному циклу.

Однако, не следует ожидать, что создание новой, более совершенной аппаратуры для «двухтактников» повысит экономическую целесообразность ее применение на указанных выше двигателях, т.к. будет еще дороже.

Техническим результатом предлагаемой конструкции двигателя является снижение удельного расхода топлива до величины 380410 г/кВт·ч, что на 2530% ниже, чем у серийно выпускаемых двухтактных карбюраторных двигателей с кривошипно-камерной схемой газообмена (Перспективы двухтактных ДВС на ЛА авиации общего назначения. В. Новосельцев (http://www.aviajournal.com/arhiv/2004/06/02.html), при сохранении высоких энергетических и других показателей, обеспечивающих его конкурентоспособность.

Для достижения указанного результата использован комплекс конструктивных решений:

1. Применен двухтактный двигатель внутреннего сгорания, с двумя противолежащими цилиндрами, установленными на одном общем картере, обеспечивающий передачу сил от давления газов на кривошипы коленчатых валов, симметрично расположенных относительно оси цилиндров. Применение указанной схемы позволяет использовать их преимущества, указанные выше, и рационально разместить поршневые компрессоры с их приводом для осуществления наддува.

2. Для реализации двухтактного цикла работы двигателя с кривошипно-камерной продувкой и улучшения его параметров уменьшен объем кривошипной камеры, для чего применен поршень в виде головки с двухсторонней юбкой, обеспечивающий размещение нижней юбки в зоне коленчатых валов, а верхней - в зоне кольцевого пространства, расположенного вокруг камеры сгорания.

3. Цилиндры двигателя снабжены тремя комплектами окон, расположенными на различных уровнях: продувочные над днищем головки поршня, при его положении в НМТ, выпускные - над верхней кромкой юбки поршня. При этом увеличивается «время-сечение» окон, исключаются явления «короткого замыкания» - прямого выброса (топливной) смеси из выпускных окон в выпускные, снижается уровень остаточных газов, весь периметр выпускных окон становится доступным для истечения отработавших газов и почти в два раза сокращается их путь; что способствует сохранению параметров газообмена при увеличении скоростного режима двигателя. Следует также отметить, что устройство, обеспечивающее несимметричность фаз газораспределения, расположено в зоне малонагруженной термически, что выгодно отличает его от подобных устройств, работающих в каналах выпуска отработавших газов на двигателях спортивных машин.

4. Впускные окна, расположенные над продувочными, с фазами впуска, превышающими фазы выпуска, для предотвращения попадания продуктов сгорания из цилиндра в ресивер 10 при такте расширения, в отличии от прототипа, закрыты кольцом 11, выполняющим роль золотника, управляемого кулачком или эксцентриком на цапфе коленчатого вала (либо любого другого вала, вращающегося с ним синхронно).

5. Для экономии топлива предложена конструкция, обеспечивающая применение комбинированной схемы газообмена путем осуществления продувки цилиндров сначала чистым воздухом из кривошипной камеры, затем их дозарядки (наддуве) переобогащенной топливной смесью за счет применения отдельных для каждого цилиндра компрессоров.

6. Впускной тракт топливной смеси, содержащий карбюратор(ы), обратные пластинчатые клапаны (ОПК), всасывающий и нагнетательный полости компрессора, ресивер и впускные окна цилиндра, разобщен с внутри-картерным пространством, которое оборудовано своей индивидуальной системой впуска воздуха, используемого для продувки цилиндров.

7. Каждый цилиндр двигателя и компрессора выполнены в одном блоке, при этом синхронное движение их поршней в противоположных направлениях достигается наличием связи поршня компрессора с поршнем двигателя противолежащего цилиндра.

8. Необходимые направления вращения коленчатых валов и потоков продувочного воздуха обеспечено применением трех коленчатых валов, из которых один выполнен с двумя кривошипами, расположенными под углом 180° друг к другу, что обеспечивает движение поршней в противоположных направлениях.

9. Для снижения габаритов двигателя нижняя юбка поршня выполнена в виде одностороннего «фартука», обеспечивающего прикрытие выпускных окон при его положении в ВМТ.

10. Для сохранения давления в ресивере при движении поршня двигателя в направлении ВМТ нагнетательная полость компрессора отделена от него обратным пластинчатым клапаном.

Конструктивные решения, обладающие признаками, характеризующими новизну предлагаемой модели:

1. Конструкция двухтактного карбюраторного двигателя в оппозитном исполнении с двумя противолежащими цилиндрами, смонтированными на одном картере, и тремя коленчатыми валами, обеспечивающая передачу усилий от поршня на кривошипы коленчатых валов, симметрично расположенных относительно оси цилиндра (п.п.1 и 2; здесь и далее см. выше);

2. Комбинированная схема газообмена, при которой в течение первой фазы происходит продувка и наполнение цилиндра одним воздухом, во-второй - происходит наддув цилиндра переобогащенной топливной смесью (см. выше, п.5).

3. Отдельный впускной тракт топливной смеси, включающий впускные окна цилиндра, разобщенный с внутри-картерным пространством (п.6).

4. Привод поршней компрессора за счет их связи с поршнями двигателя противолежащих цилиндров (п.7), обеспечивающих движение поршней двигателя и компрессора в противоположных направлениях.

5. Поршень с нижней юбкой, выполненной в виде одностороннего «фартука» (п.9).

6. Устройство, обеспечивающее несимметричность фаз газораспределения (п.4).

7. Размещение цилиндров двигателя и компрессора в одном блоке (п.7).

Компоновка предлагаемой модели двигателя показана на чертежах: на фиг.1 дан горизонтальный разрез по осям цилиндров. На фиг.2 - вертикальный разрез А-А по осям коленчатых валов, на котором также показан редуктор, обеспечивающий кинематическую связь коленчатых валов между собой и видна возможность создания четырехцилиндровой модификации путем установки аналогичного двухцилиндрового двигателя с нижней стороны редуктора.

Цилиндры 1 содержат размещенные в них поршни 2 с двумя поршневыми пальцами, каждый из которых соединен шатуном 3 с кривошипами коленчатых валов 4, симметрично расположенных относительно оси цилиндров. Поршень состоит из головки с компрессионными кольцами и двухсторонней юбки. Нижняя часть юбки выполнена в виде одностороннего фартука, прикрывающего выпускные окна при положении поршня в ВМТ. При положении поршня в НМТ фартук размещен в зоне, занимаемой коленчатыми валами. Верхняя часть юбки при положении поршня в (ВМТ) входит в кольцевое пространство 5, расположенное вокруг камеры сгорания, которая соединена с ним тангенциальными каналами. Каждый цилиндр двигателя снабжен индивидуальным компрессором 6, выполненным в одном с ним блоке, поршни 7 которых при помощи штоков 8 связаны с поршнями двигателя противолежащих цилиндров 2.

Цилиндры двигателя оборудованы впускными окнами 9, расположенными над продувочными, с фазами впуска, превышающими фазы выпуска. Для предотвращения попадания продуктов сгорания из цилиндра в ресивер 10 при такте расширения, окна закрыты кольцом 11, выполняющим роль золотника, управляемым кулачком или эксцентриком на цапфе коленчатого вала 4 (либо любого другого вала, вращающегося с ним синхронно). Механизм управления показан на фиг.3.

Нагнетательная полость компрессора соединена каналами не с внутри-картерным пространством, а с ресивером, откуда предварительно переобогащенная в карбюраторе топливная смесь через впускные окна попадает в цилиндр, где, смешиваясь с воздухом, поступившим из картера при продувке и остаточными газами, образует рабочую топливную смесь. Между всасывающей полостью компрессора, изолированного от внутри-картерного пространства, и карбюратором установлены обратные пластинчатые клапаны (на фиг. не показаны), обеспечивающие поступление топливной смеси в компрессор. Для подачи воздуха, используемого для продувки, аналогичные клапаны установлены на картере со стороны цилиндров двигателя. Клапаны 12, установленные на выходе смеси из компрессора, предназначены для сохранения давления в ресивере при движении поршня двигателя в направлении ВМТ.

Принятая компоновка с тремя коленчатыми валами обеспечивает рациональное расположение цилиндров двигателя и компрессора для организации поступления топливной смеси из компрессора в двигатель, снижает сопротивление потоку продувочного воздуха при его перепуске из картера в цилиндр, повышает технологичность за счет изготовления цилиндров в одном блоке, без особых затрат позволяет создать четырехцилиндровую модификацию, или редуктор с валами, вращающимися в противоположных направлениях.

Таким образом, снижение удельного расхода топлива достигается за счет применения для продувки цилиндров двигателя вместо топливовоздушной смеси только одного воздуха, в который топливо для осуществления рабочего процесса поступает, в основном, после завершения процесса продувки в виде переобогащенной топливной смеси из компрессора, осуществляемого наддув, через впускные окна, когда выпускные окна закрыты верхней кромкой юбки поршня.

Поскольку трудоемкость изготовления двигателя с предлагаемой комбинированной схемой газообмена по сравнению с трудоемкостью изготовления аналогичного двигателя, выполненного с кривошипно-камерной продувкой цилиндров топливо-воздушной смесью, практически, не изменится, экономический эффект при ее использовании будет определяться только снижением потерь топлива при газообмене, которые при продувке топливной смесью составляют около 35% от общего его расхода (Г.Р. Рикардо. Быстроходные двигатели внутреннего сгорания. Гос. научно-техн. изд-во машиностроительной литературы. M. 1960. (с.180); А.Е. Юшин. Система непосредственного впрыскивания топлива в двухтактных ДВС. В сб. «Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей «ДВС», ВлГУ, г. Владимир, 1997., (с.215).).

Экономический эффект от применения предлагаемой конструкции двигателя с комбинированной системой газообмена, обеспечивающей снижение удельного расхода топлива по сравнению с прежней кривошипно-камерной схемой, использующей для продувки топливную смесь, при стоимости бензина 35 руб/л. будет составлять около 7 руб/кВт·ч, т.е. двигатель мощностью 20 кВт за ресурс 500 моточасов сэкономит около 70000 рублей или 2000 литров бензина. При расчетах было принято, что потери топлива при продувке уменьшатся на 80%, т.к. возможность попадания топливной смеси в выпускную систему сокращена только по продолжительности одновременного открытия впускных и выпускных окон со 125° поворота коленчатого вала до 15°. Размещение впускных и выпускных окон на разных уровнях дает основание полагать, что потери топлива сократятся еще больше или прекратятся вовсе.

Учитывая наличие высоких энерго-экономических показателей, обеспечиваемых применением двухтактного цикла, наддува, снижением на 2530% расхода топлива, при сохранении моторесурса в прежних пределах 5001000 моточасов за счет уменьшения нагрузок на шатунные подшипники коленчатых валов при их удвоении, предлагаемая конструкция двигателя в 2-х или 4-х цилиндровом исполнении мощностью в пределах 2060 кВт может найти применение в силовых установках летательных аппаратов, глиссирующих маломерных судов с движетелями в виде воздушных или гребных винтов, портативных мотоизделий, применяемых населением, в ведомствах МЧС, армии и флота, а также в других установках, где требуются малые удельная масса и габариты.

1. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с наддувом и комбинированной схемой газообмена, передающий усилие от давления газов на поршень одновременно двум коленчатым валам, симметрично расположенным относительно оси цилиндра, содержащий встроенные соосно с осью цилиндра компрессоры, поршни которых при помощи штока соединены с поршнями двигателя, цилиндры оборудованы впускными окнами, расположенными над продувочными, с фазами впуска, превышающими фазы выпуска, с одним общим картером, отличающийся тем, что он выполнен в двухцилиндровом оппозитном исполнении, с противоположно движущимися поршнями, с тремя коленчатыми валами, из которых один имеет два кривошипа, содержит отдельный, изолированный от кривошипной камеры впускной тракт топливной смеси, включающий карбюратор, обратные пластинчатые клапаны, компрессор со всасывающей и нагнетательной полостями и ресивер, связанный с впускными окнами цилиндра, через которые переобогащенная топливная смесь поступает в цилиндры двигателя, при этом поршни компрессора кинематически связаны с поршнями противолежащих цилиндров двигателя.

Двигатель со встречным движением поршней - конфигурация двигателя внутреннего сгорания с расположением поршней в два ряда один напротив другого в общих цилиндрах таким образом, что поршни каждого цилиндра движутся навстречу друг другу и образуют общую камеру сгорания. Коленвалы механически синхронизированы, причем выпускной вал вращается с опережением относительно впускного на 15-22°, мощность отбирается либо с одного из них, либо с обоих (например, при приводе двух гребных винтов или двух фрикционов). Компоновка автоматически обеспечивает прямоточную продувку - самую совершенную для двухтактной машины и отсутствие газового стыка.

Встречается и другое название этого типа двигателей - двигатель с противоположно-движущимися поршнями (двигатель с ПДП ).

Устройство двигателя со встречным движением поршней:

1 - впускной патрубок; 2 - нагнетатель; 3 - воздухопровод; 4 - предохранительный клапан; 5 - выпускной КШМ; 6 - впускной КШМ (запаздывает на ~20° от выпускного); 7 - цилиндр со впускными и выпускными окнами; 8 - выпуск; 9 - рубашка водяного охлаждения; 10 - свеча зажигания. изометрия