Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Двигатель внутреннего сгорания включает в себя, по меньшей мере, один модуль цилиндра. Модуль содержит вал, имеющий первый кулачок с несколькими рабочими выступами, аксиально установленный на валу, второй соседний кулачок с несколькими рабочими выступами и дифференциальную зубчатую передачу к первому кулачку с несколькими рабочими выступами для вращения вокруг оси в обратном направлении вокруг вала. Цилиндры каждой пары расположены диаметрально противоположно по отношению к валу с кулачками. Поршни в паре цилиндров жестко взаимосвязаны. Кулачки с несколькими рабочими выступами содержат 3+n рабочих выступов, где n является нулем или целым четным числом. Возвратно-поступательное движение поршней в цилиндрах сообщает вращательное движение валу через связь между поршнями и поверхностями кулачков с несколькими рабочими выступами. Технический результат заключается в улучшении крутящего момента и характеристик управления циклом двигателя. 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. В частности, изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с улучшенным управлением различными циклами в процессе эксплуатации двигателя. Изобретение также относится к двигателям внутреннего сгорания с более высокими характеристиками крутящего момента. Двигатели внутреннего сгорания, которые используются в автомобилях, как правило, являются двигателями возвратно-поступательного типа, в которых поршень, колеблющийся в цилиндре, приводит в движение коленчатый вал через шатун. Имеются многочисленные недостатки в традиционной конструкции поршневого двигателя с кривошипно-шатунным механизмом, недостатки в основном связаны с возвратно-поступательным движением поршня и шатуна. Были разработаны многочисленные конструкции двигателя с целью преодоления ограничений и недостатков традиционных двигателей внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом. Данные разработки включают в себя роторные двигатели, такие как двигатель Ванкеля, и двигатели, в которых кулачок или кулачки используются вместо, по крайней мере, коленчатого вала и в некоторых случаях также шатуна. Двигатели внутреннего сгорания, в которых кулачок или кулачки заменяют коленчатый вал, описаны, например, в заявке N 17897/76 на австралийский патент. Однако в то время как достижения в двигателе данного типа дали возможность преодолеть некоторые недостатки традиционных поршневых двигателей с кривошипно-шатунным механизмом, двигатели, использующие кулачок или кулачки вместо коленчатого вала, не эксплуатируются в полном масштабе. Известны также случаи использования двигателей внутреннего сгорания, имеющих противоположно движущиеся взаимосвязанные поршни. Описание такого устройства приводится в заявке N 36206/84 на австралийский патент. Однако ни в этом раскрытии предмета изобретения, ни в подобных документах нет предложения о возможности использования концепции противоположно движущихся взаимосвязанных поршней совместно с чем-то другим, нежели коленчатым валом. Задача изобретения заключается в создании двигателя внутреннего сгорания кулачкового роторного типа, который может иметь улучшенный крутящий момент и более высокие характеристики управления циклами двигателя. Задачей изобретения является также создание двигателя внутреннего сгорания, который дает возможность преодолеть, по меньшей мере некоторые недостатки существующих двигателей внутреннего сгорания. В широком смысле изобретение предлагает двигатель внутреннего сгорания, включающий в себя, по меньшей мере, один модуль цилиндра, указанный модуль цилиндра содержит: - вал, имеющий первый кулачок с несколькими рабочими выступами, аксиально установленный на валу, и второй соседний кулачок с несколькими рабочими выступами и дифференциальной зубчатой передачей к первому кулачку с несколькими рабочими выступами для вращения вокруг оси в обратном направлении вокруг вала; - по меньшей мере, одну пару цилиндров, цилиндры каждой пары расположены диаметрально противоположно по отношению к валу с кулачками с несколькими рабочими выступами, которые вставлены между ними; - поршень в каждом цилиндре, поршни в паре цилиндров жестко взаимосвязаны; в котором кулачки с несколькими рабочими выступами содержат 3+n рабочих выступов, где n является нулем или целым четным числом; и в котором возвратно-поступательное движение поршней в цилиндрах сообщает вращательное движение валу через связь между поршнями и поверхностями кулачков с несколькими рабочими выступами. Двигатель может содержать от 2 до 6 модулей цилиндра и по две пары цилиндров на каждый модуль цилиндра. Пары цилиндров могут быть расположены под углом 90 o друг к другу. Преимущественно каждый кулачок имеет три рабочих выступа, и каждый выступ является асимметричным. Жесткая взаимосвязь поршней включает в себя четыре шатуна, проходящие между парой поршней с шатунами, находящимися на одинаковом расстоянии друг от друга по периферии поршня, причем для шатунов предусмотрены направляющие втулки. Дифференциальная зубчатая передача может быть установлена внутри двигателя совместно с кулачками, вращающимися в обратном направлении, или с наружной стороны двигателя. Двигатель может быть двухтактным двигателем. Кроме того, связь между поршнями и поверхностями кулачков с несколькими рабочими выступами осуществляется через роликовые подшипники, которые могут иметь общую ось, или их оси могут быть смещены по отношению друг к другу и оси поршня. Из вышесказанного следует, что коленчатый вал и шатуны традиционного двигателя внутреннего сгорания заменены линейным валом и кулачками с несколькими рабочими выступами в двигателе в соответствии с изобретением. Использование кулачка вместо устройства шатуна/коленчатого вала обеспечивает возможность более эффективного контроля за позиционированием поршня в процессе работы двигателя. Например, период нахождения поршня в верхней мертвой точке (TDC) может быть продлен. Далее из подробного описания изобретения следует, что несмотря на наличие двух цилиндров, по меньшей мере, в одной паре цилиндров, в действительности создано устройство цилиндр-поршень двойного действия при помощи противоположно расположенных цилиндров с взаимосвязанными поршнями. Жесткая взаимосвязь поршней также устраняет перекашивающее кручение и сводит до минимума контакт между стенкой цилиндра и поршнем, таким образом, уменьшая трение. Использование двух кулачков, вращающихся в противоположном направлении, дает возможность достичь более высокого крутящего момента, чем при использовании традиционных двигателей внутреннего сгорания. Это объясняется тем, что как только поршень начинает рабочий такт, он имеет максимальное механическое преимущество по отношению к рабочему выступу кулачка. Обратимся теперь к более конкретным деталям двигателей внутреннего сгорания в соответствии с изобретением, такие двигатели, как указано выше, включают в себя, по меньшей мере, один модуль цилиндра. Двигатель с одним модулем цилиндра является предпочтительнее, хотя двигатели могут иметь от двух до шести модулей. В двигателях с несколькими модулями одиночный вал проходит через все модули или как единый элемент, или как взаимосвязанные части вала. Аналогично, блоки цилиндра двигателей с несколькими модулями могут быть выполнены как одно целое друг с другом или отдельно. Модуль цилиндра обычно имеет одну пару цилиндров. Однако двигатели в соответствии с изобретением могут также иметь две пары цилиндров на один модуль. В модулях цилиндров, имеющих две пары цилиндров, пары, как правило, расположены под углом 90 o друг к другу. Что касается кулачков с несколькими рабочими выступами в двигателях в соответствии с изобретением, то предпочтение отдается кулачку с тремя рабочими выступами. Это обеспечивает возможность шести циклов зажигания на один оборот кулачка в двухтактном двигателе. Однако двигатели могут также иметь кулачки с пятью, семью, девятью или большим количеством рабочих выступов. Рабочий выступ кулачка может быть асимметричным для регулирования скорости поршня на определенной стадии цикла, например, для увеличения продолжительности нахождения поршня в верхней мертвой точке (TDC) или в нижней мертвой точке (BDC). По оценке специалистов в данной области техники увеличение продолжительности нахождения в верхней мертвой точке (TDC) улучшает сгорание, в то время как увеличение продолжительности нахождения в нижней мертвой точке (BDC) способствует улучшению продувки. Регулирование скорости поршня при помощи рабочего профиля дает возможность регулировать также ускорение поршня и приложение крутящего момента. В частности, это дает возможность получить более значительный крутящий момент сразу же после верхней мертвой точки, чем в традиционном поршневом двигателе с кривошипно-шатунным механизмом. Другие конструктивные особенности, обеспечиваемые переменной скоростью поршня, включают в себя регулирование скорости открывания отверстия по сравнению со скоростью закрытия и регулированием скорости сжатия по отношению к скорости сгорания. Первый кулачок с несколькими рабочими выступами может устанавливаться на вал любым способом, известным в данной области техники. Альтернативно, вал и первый кулачок с несколькими рабочими выступами могут изготавливаться как единый элемент. Дифференциальная зубчатая передача, которая обеспечивает возможность вращения в обратном направлении первого и второго кулачков с несколькими рабочими выступами, также синхронизирует вращение кулачков в обратном направлении. Способ дифференциальной зубчатой передачи кулачков может быть любым способом, известным в данной области техники. Например, конические зубчатые колеса могут устанавливаться на противоположных поверхностях первого и второго кулачков с несколькими рабочими выступами с, по меньшей мере, одним зубчатым колесом между ними. Предпочтительно, устанавливаются два диаметрально противоположных зубчатых колеса. Поддерживающий элемент, в котором свободно вращается вал, предусмотрен для поддерживающих зубчатых колес, что дает определенные преимущества. Жесткая взаимосвязь поршней, как правило, включает в себя по меньшей мере два шатуна, которые устанавливаются между ними и крепятся к нижней поверхности поршней, смежных с периферией. Предпочтительно используются четыре шатуна, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга по периферии поршня. В модуле цилиндра предусмотрены направляющие втулки для шатунов, взаимосвязывающих поршни. Направляющие втулки обычно имеют конфигурацию, которая обеспечивает возможность бокового движения шатунов при расширении и сжатии поршня. Соприкосновение между поршнями и поверхностями кулачков способствует уменьшению вибрации и потерь в результате трения. С нижней стороны поршня имеется роликовый подшипник для соприкосновения с каждой поверхностью кулачка. Следует отметить, что взаимосвязь поршней, включающих в себя пару противоположно движущихся поршней, обеспечивает возможность регулирования зазора между площадью контакта поршня (будь то роликовый подшипник, каретка или тому подобное) и поверхностью кулачка. Более того, такой способ контакта не требует канавок или того подобного в боковых поверхностях кулачков с целью получения традиционного шатуна, как в случае с некоторыми двигателями аналогичной конструкции. Данная характеристика двигателей аналогичной конструкции при превышении скорости приводит к износу и чрезмерному шуму, данные недостатки в значительной степени устраняются в настоящем изобретении. Двигатели, согласно изобретению, могут быть двухтактными или четырехтактными. В первом случае, смесь топлива обычно подается с наддувом. Однако любой вид подачи топлива и воздуха могут использоваться совместно в четырехтактном двигателе. Модули цилиндров в соответствии с изобретением могут также служить воздушными или газовыми компрессорами. Другие аспекты двигателей согласно изобретению соответствуют тому, что обычно известно в данной области техники. Однако следует отметить, что требуется только подача масла под очень низким давлением на дифференциальную зубчатую передачу кулачков с несколькими рабочими выступами, уменьшая таким образом, потери мощности при помощи масляного насоса. Более того, другие элементы двигателя, включая поршни, могут получать масло путем разбрызгивания. В этом отношении следует отметить, что разбрызгивание масла на поршни при помощи центробежной силы служит также для охлаждения поршней. Преимущества двигателей в соответствии с изобретением включают в себя следующее: - двигатель имеет компактную конструкцию с небольшим количеством движущихся деталей; - двигатели могут работать в любом направлении при применении кулачков с несколькими симметричными рабочими выступами; - двигатели являются более легкими, чем традиционные поршневые двигатели с кривошипно-шатунным механизмом; - двигатели более легко изготавливаются и собираются, чем традиционные двигатели;
- более продолжительный перерыв в работе поршня, который становится возможным благодаря конструкции двигателя, обеспечивает возможность использования более низкой, чем обычная, степени сжатия;
- устранены детали с возвратно-поступательным движением, такие как шатуны вала поршня-кривошипа. Другими преимуществами двигателей в соответствии с изобретением благодаря применению кулачков с несколькими рабочими выступами являются следующие: кулачки могут более легко изготавливаться, чем коленчатые валы; кулачки не требуют дополнительных противовесов; и кулачки удваивают действие как маховик, таким образом, обеспечивая большее количество движения. Рассмотрев изобретение в широком смысле, приведем теперь конкретные примеры осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, кратко описанные ниже. Фиг. 1. Поперечное сечение двухтактного двигателя, включающего в себя один модуль цилиндра с поперечным сечением по оси цилиндров и поперечным сечением по отношению к валу двигателя. Фиг. 2. Часть поперечного сечения по линии A-A фиг. 1. Фиг. 3. Часть поперечного сечения по линии B-B фиг. 1, показывающая деталь нижней части поршня. Фиг. 4. График, показывающий положение конкретной точки на поршне при пересечении одного асимметричного рабочего выступа кулачка. Фиг. 5. Часть поперечного сечения другого двухтактного двигателя, включающего в себя один модуль цилиндра с поперечным сечением в плоскости центрального вала двигателя. Фиг. 6. Вид с торца одного из блоков шестерен двигателя, показанного на фиг. 5. Фиг. 7. Схематический вид части двигателя, показывающий поршень в соприкосновении с кулачками с тремя рабочими выступами, которые вращаются в обратном направлении. Фиг. 8. Деталь поршня, имеющего подшипники, соприкасающиеся со смещенным кулачком. Одинаковые позиции на фигурах пронумерованы одинаково. На фиг. 1 показан двухтактный двигатель 1, включающий в себя один модуль цилиндра, который имеет одну пару цилиндров, состоящую из цилиндров 2 и 3. Цилиндры 2 и 3 имеют поршни 4 и 5, которые взаимосвязаны четырьмя шатунами, два из которых видны в позициях 6a и 6b. Двигатель 1 также включает в себя центральный вал 7, с которым связаны кулачки с тремя рабочими выступами. Кулачок 9 фактически совпадает с кулачком 8, как показано на фигуре, ввиду того, что поршни находятся в верхней мертвой точке или в нижней мертвой точке. Поршни 4 и 5 соприкасаются с кулачками 8 и 9 через роликовые подшипники, положение которых, в общем, указывается в позициях 10 и 11. Другие конструктивные особенности двигателя 1 включают в себя водяную рубашку 12, свечи зажигания 13 и 14, маслоотстойник 15, датчик 16 масляного насоса и уравновешивающие валы 17 и 18. Расположение впускных отверстий указано позициями 19 и 20, которое также соответствует положению выхлопных отверстий. На фиг. 2 более детально показаны кулачки 8 и 9 вместе с валом 7 и дифференциальной зубчатой передачей, которые будут вкратце описаны. Поперечное сечение, показанное на фиг. 2, повернуто на 90 o по отношению к фиг. 1 и рабочие выступы кулачка находятся в немного другом положении по сравнению с положениями, показанными на фиг. 1. Дифференциальная или синхронизирующая зубчатая передача включает в себя коническое зубчатое колесо 21 на первом кулачке 8, коническое зубчатое колесо 22 на втором кулачке 9 и ведущие шестерни 23 и 24. Ведущие шестерни 23 и 24 поддерживаются зубчатой опорой 25, которая прикреплена к корпусу 26 вала. Корпус 26 вала, предпочтительно, является частью модуля цилиндра. На фиг. 2 показан также маховик 27, шкив 28 и подшипники 29-35. Первый кулачок 8 в основном изготовлен за одно целое с валом 7. Второй кулачок 9 может вращаться в обратном направлении по отношению к кулачку 8, но регулируется по времени к вращению кулачка 8 дифференциальной зубчатой передачей. На фиг. 3 показана нижняя сторона поршня 5, показанного на фиг. 1 для того, чтобы представить деталь роликовых подшипников. На фиг. 3 показан поршень 5 и вал 36, проходящий между бобышками 37 и 38. Роликовые подшипники 39 и 40 установлены на валу 36, которые соответствуют роликовым подшипникам, как указано цифрами 10 и 11 на фиг. 1. Взаимосоединенные шатуны могут быть видны в поперечном сечении на фиг. 3, один из них указан позицией 6а. Показаны муфты, через которые проходят взаимосоединенные шатуны, одна из которых указана цифрой 41. Несмотря на то, что фиг. 3 выполнена в более крупном масштабе, чем фиг. 2, из нее следует, что роликовые подшипники 39 и 40 могут соприкасаться с поверхностями 42 и 43 кулачков 8 и 9 (фиг. 2) в процессе эксплуатации двигателя. Работа двигателя 1 может быть оценена по фиг. 1. Движение поршня 4 и 5 слева направо при рабочем такте в цилиндре 2 вызывает вращение кулачков 8 и 9 через их контакт с роликовым подшипником 10. В результате происходит эффект работы "ножниц". Вращение кулачка 8 оказывает воздействие на вращение вала 7, в то время как обратное вращение кулачка 9 также способствует вращению кулачка 7 при помощи дифференциальной зубчатой передачи (см. фиг. 2). Благодаря действию "ножниц" достигается более значительный крутящий момент при рабочем такте, чем в традиционном двигателе. Действительно, соотношение диаметра поршня/длины хода поршня, показанное на фиг. 1, может стремиться к значительно большей площади конфигурации с сохранением адекватного крутящего момента. Еще одной конструктивной особенностью двигателей в соответствии с изобретением, показанным на фиг. 1, является то, что эквивалент картера двигателя герметизирован по отношению к цилиндрам в отличие от традиционных двухтактных двигателей. Это дает возможность использовать топливо без масла, таким образом, уменьшая компоненты, выделяемые двигателем в воздух. Регулирование скорости поршня и продолжительность нахождения в верхней мертвой точке (TDC) и нижней мертвой точке (BDC) при использовании рабочего выступа асимметричного кулачка показаны на фиг. 4. Фиг. 4 - это график конкретной точки на поршне при его колебании между средней точкой 45, верхней мертвой точкой (TDC) 46 и нижней мертвой точкой (BDC) 47. Благодаря рабочему выступу асимметричного кулачка скорость поршня может регулироваться. Во-первых, поршень находится в верхней мертвой точке 46 в течение более продолжительного периода времени. Быстрое ускорение поршня в позиции 48 обеспечивает возможность более высокого крутящего момента при такте сгорания, в то время как более низкая скорость поршня в позиции 49 в конце такта сгорания обеспечивает возможность более эффективного регулирования отверстия. С другой стороны, более высокая скорость поршня в начале такта 50 сжатия обеспечивает возможность более быстрого закрытия для повышения экономии топлива, в то время как низкая скорость поршня в конце 51 данного такта обеспечивает более высокие механические преимущества. На фиг. 5 показан другой двухтактный двигатель, имеющий одноцилиндровый модуль. Двигатель показан в частичном поперечном сечении. В действительности половина блока двигателя удалена для того, чтобы показать внутреннюю деталь двигателя. Поперечное сечение представляет собой плоскость, совпадающую с осью центрального вала двигателя (см. ниже). Таким образом, блок двигателя разделен по средней линии. Однако некоторые компоненты двигателя также показаны в поперечном сечении, такие как поршни 62 и 63, несущие бобышки 66 и 70, кулачки с тремя рабочими выступами 60 и 61 и втулка 83, связанная с кулачком 61. Все эти позиции будут рассмотрены ниже. Двигатель 52 (фиг. 5) включает в себя блок 53, головки 54 и 55 цилиндров и цилиндры 56 и 57. Свеча зажигания включена в головку каждого цилиндра, но для ясности на чертеже не показана. Вал 58 может вращаться в блоке 53 и поддерживается роликовыми подшипниками, один из которых указан позиций 59. Вал 58 имеет первый кулачок 60 с тремя рабочими выступами, прикрепленными к нему, кулачок расположен рядом с кулачком 61 с тремя рабочими выступами, который вращается в обратном направлении. Двигатель 52 включает в себя пару жестко взаимосвязанных поршней 62 в цилиндре 56 и 63 в цилиндре 57. Поршни 62 и 63 связаны четырьмя шатунами, два из которых указаны в позициях 64 и 65. (Шатуны 64 и 65 находятся в другой плоскости по отношению к остальной части поперечного сечения чертежа. Аналогичным образом, точки соприкосновения шатунов и поршней 62 и 63 не находятся в одной и той же плоскости остальной части поперечного сечения. Соотношение между шатунами и поршнями, по существу, такое же, как для двигателя, показанного на фиг. 1-3). Перемычка 53а проходит внутри блока 53 и включает в себя отверстия, через которые проходят шатуны. Данная перемычка сдерживает шатуны и, следовательно, поршни на одной прямой с осью модуля цилиндра. Роликовые подшипники вставлены между нижними сторонами поршней и поверхностями кулачков с тремя рабочими выступами. Что касается поршня 62, то на нижней стороне поршня установлена несущая бобышка 66, которая удерживает вал 67 для роликовых подшипников 68 и 69. Подшипник 68 соприкасается с кулачком 60, в то время как подшипник 69 соприкасается с кулачком 61. Предпочтительно, поршень 63 включает в себя идентичную несущую бобышку 70 с валом и подшипниками. Следует также отметить с учетом несущей бобышки 70, что перемычка 53b имеет соответствующее отверстие для обеспечения возможности прохождения несущей бобышки. Перемычка 53а имеет аналогичное отверстие, но часть перемычки, показанная на чертеже, находится в той же плоскости, что и шатуны 64 и 65. Вращение в обратном направлении кулачка 61 по отношению к кулачку 60 осуществляется дифференциальной зубчатой передачей 71, установленной с наружной стороны блока цилиндров. Корпус 72 предусмотрен для удерживания и покрытия компонентов зубчатой передачи. На фиг. 5 корпус 72 представлен в поперечном сечении, в то время как зубчатая передача 71 и вал 58 показаны не в поперечном сечении. Зубчатая передача 71 включает в себя солнечную шестерню 73 на валу 58. Солнечная шестерня 73 соприкасается с ведущими шестернями 74 и 75, которые, в свою очередь, соприкасаются с планетарными шестернями 76 и 77. Планетарные шестерни 76 и 77 соединены через валы 78 и 79 со вторым комплектом планетарных шестерен 80 и 81, которые установлены с солнечной шестерней 73 на втулке 83. Втулка 83 является коаксиальной по отношению к валу 58 и отдаленный от центра конец втулки прикреплен к кулачку 61. Ведущие шестерни 74 и 75 установлены на валы 84 и 85, валы поддерживаются подшипниками в корпусе 72. Часть зубчатой передачи 71 показана на фиг. 6. Фиг. 6 - это вид с торца вала 58, если смотреть снизу фиг. 5. На фиг. 6 солнечная шестерня 73 видна около вала 57. Ведущая шестерня 74 показана в соприкосновении с планетарной шестерней 76 на валу 78. На фигуре показана также вторая планетарная шестерня 76 на валу 78. На фигуре показана также вторая планетарная шестерня 80 в контакте с солнечной шестерней 32 на втулке 83. Из фиг. 6 следует, что вращение по часовой стрелке, например, вала 58 и солнечной шестерни 73 оказывает динамическое воздействие на вращение против часовой стрелки - по часовой стрелке солнечной шестерни 82 и втулки 83 через ведущую шестерню 74 и планетарные шестерни 76 и 80. Следовательно, кулачки 60 и 61 могут вращаться в обратном направлении. Другие конструктивные особенности двигателя, показанные на фиг. 5, и принцип работы двигателя являются такими же, как у двигателя, показанного на фиг. 1 и 2. В частности, направленное вниз тяговое усилие поршня придает кулачкам действие, подобное ножницам, что может привести к обратному вращению с помощью дифференциальной зубчатой передачи. Следует подчеркнуть, что в то время как в двигателе, показанном на фиг. 5, используются обыкновенные шестерни в дифференциальной зубчатой передаче может также применяться коническая зубчатая передача. Аналогичным образом, обыкновенные шестерни могут использоваться в дифференциальной зубчатой передаче, показанной на фиг. 1 и 2, двигателя. В двигателях, которые приводятся в качестве примеров на фиг. 1-3 и 5, совмещены оси роликовых подшипников, которые соприкасаются с поверхностями кулачков с тремя рабочими выступами. Для дальнейшего улучшения характеристик крутящего момента оси роликовых подшипников могут быть смещены. Двигатель со смещенным кулачком, который соприкасается с подшипниками, схематически показан на фиг. 7. На данной фигуре, которая является видом по центральному валу двигателя, показаны кулачок 86, кулачок 87, вращающийся в обратном направлении, и поршень 88. Поршень 88 включает в себя несущие бобышки 89 и 90, которые несут роликовые подшипники 91 и 92, подшипники показаны в контакте с рабочими выступами 93 и 99 соответственно кулачков с тремя рабочими выступами 86 и 87. Из фиг. 7 следует, что оси 95 и 96 подшипников 91 и 92 смещены по отношению друг к другу и по отношению оси поршня. При расположении подшипников на определенном расстоянии от оси поршня увеличивается крутящий момент при помощи увеличения механического преимущества. Деталь другого поршня со смещенными подшипниками на нижней стороне поршня приводится на фиг. 8. Поршень 97 показан с подшипниками 98 и 99, помещенными в корпуса 100 и 101 на нижней стороне поршня. Отсюда следует, что оси 102 и 103 подшипников 98 и 99 смещены, но не в такой степени, как смещены подшипники на фиг. 7. Отсюда следует, что более значительное разделение подшипников, как показано на фиг. 7, увеличивает крутящий момент. Вышеописанные конкретные варианты осуществления изобретения относятся к двухтактным двигателям, следует отметить, что общие принципы относятся к двух- и четырехтактным двигателям. Ниже отмечается, что многие изменения и модификации могут производиться в двигателях, как показано в вышеприведенных примерах без отступления от пределов и объема изобретения.

Аксиальный ДВС Duke Engine

Мы привыкли к классическому дизайну двигателей внутреннего сгорания, который, по сути, существует уже целый век. Быстрое сгорание горючей смеси внутри цилиндра приводит к увеличению давления, которое толкает поршень. Тот, в свою очередь, через шатун и кривошип крутит вал.

Классический ДВС

Если мы хотим сделать двигатель помощнее, в первую очередь нужно увеличивать объём камеры сгорания. Увеличивая диаметр, мы увеличиваем вес поршней, что отрицательно сказывается на результате. Увеличивая длину, мы удлиняем и шатун, и увеличиваем весь двигатель в целом. Или же можно добавить цилиндров — что, естественно, также увеличивает результирующий объём двигателя.

С такими проблемами столкнулись инженеры ДВС для первых самолётов. Они, в конце концов, пришли к красивой схеме «звездообразного» двигателя, где поршни и цилиндры расположены по кругу относительно вала через равные углы. Такая система хорошо охлаждается потоком воздуха, но очень уж она габаритная. Поэтому поиски решений продолжались.

В 1911 году Macomber Rotary Engine Company из Лос-Анджелеса представила первый из аксиальных (осевых) ДВС . Их ещё называют «бочковыми», двигателями с качающейся (или косой) шайбой. Оригинальная схема позволяет разместить поршни и цилиндры вокруг основного вала и параллельно ему. Вращение вала происходит за счёт качающейся шайбы, на которую поочерёдно давят шатуны поршней.

У двигателя Макомбера было 7 цилиндров. Изготовитель утверждал, что двигатель был способен работать на скоростях от 150 до 1500 об/мин. При этом на 1000 об/мин он выдавал 50 л.с. Будучи изготовлен из доступных в то время материалов, он весил 100 кг и имел размеры 710×480 мм. Такой двигатель был установлен в самолёт авиатора-первопроходца Чарльза Фрэнсиса Уолша «Серебряный дротик Уолша».

Гениальный и слегка безумный инженер, изобретатель, конструктор и бизнесмен Джон Захария Делореан мечтал построить новую автомобильную империю в пику существующим, и сделать совершенно уникальный «автомобиль мечты». Все мы знаем машину DMC-12, которую называют просто DeLorean. Она не только стала звездой экрана в фильме «Назад в будущее», но и отличалась уникальными решениями во всём — начиная от алюминиевого кузова на плексигласовом каркасе и заканчивая дверями «крылья чайки». К сожалению, на фоне экономического кризиса производство машины не оправдало себя. А затем Делореан долго судился по подложному делу о наркотиках.

Но мало кто знает, что Делореан хотел дополнить уникальный внешний вид машины ещё и уникальным мотором — среди найденных после его смерти чертежей были и чертежи аксиального ДВС. Судя по его письмам, он задумал такой двигатель ещё в 1954 году, а всерьёз принялся за разработку в 1979-м. В двигателе Делореана было три поршня, и они располагались равносторонним треугольником вокруг вала. Но каждый поршень был двусторонним — каждый из концов поршня должен был работать в своём цилиндре.

Чертёж из тетради Делореана

По каким-то причинам рождение двигателя не состоялось — возможно, потому, что разработка автомобиля с нуля вышло достаточно сложным предприятием. На DMC-12 устанавливали 2,8-литровый двигатель V6 совместной разработки Peugeot, Renault и Volvo мощностью 130 л. с. Пытливый читатель может изучить сканы чертежей и заметок Делореана на этой странице .

Экзотический вариант аксиального двигателя - «двигатель Требента»

Тем не менее, такие двигатели не получили широкого распространения — в большой авиации постепенно состоялся переход на турбореактивные двигатели, а в автомобилях по сию пору используется схема, в которой вал перпендикулярен цилиндрам. Интересно только, почему такая схема не прижилась в мотоциклах, где компактность пришлась бы как раз кстати. По-видимому, они не смогли предложить какой-либо существенной выгоды по сравнению с привычным нам дизайном. Сейчас такие двигатели существуют, но устанавливаются в основном в торпедах — благодаря тому, как хорошо они вписываются в цилиндр.

Вариант под названием "Цилиндрический энергетический модуль " с двусторонними поршнями. Перпендикулярные штоки в поршнях описывают синусоиду, двигаясь по волнистой поверхности

Главная отличительная черта аксиального ДВС — компактность. Кроме того, в его возможности входит изменение степени сжатия (объёма камеры сгорания) просто путём изменения угла наклона шайбы. Шайба качается на валу благодаря сферическому подшипнику.

Однако новозеландская компания Duke Engines в 2013 году представила свой современный вариант аксиального ДВС. В их агрегате пять цилиндров, но всего лишь три форсунки для впрыска топлива и — ни одного клапана. Также интересной особенностью двигателя является тот факт, что вал и шайба вращаются в противоположных направлениях.

Внутри двигателя вращаются не только шайба и вал, но и набор цилиндров с поршнями. Благодаря этому удалось избавиться от системы клапанов — движущийся цилиндр в момент зажигания просто проходит мимо отверстия, куда впрыскивается топливо и где стоит свеча зажигания. На стадии выпуска цилиндр проходит мимо выпускного отверстия для газов.

Благодаря такой системе количество необходимых свечей и форсунок получается меньшим, чем количество цилиндров. А на один оборот приходится в сумме столько же рабочих ходов поршня, как у 6-цилиндрового двигателя обычного дизайна. При этом вес аксиального двигателя на 30% меньше.

Кроме того, инженеры из Duke Engines утверждают, что и степень сжатия их двигателя превосходит обычные аналоги и составляет 15:1 для 91-го бензина (у стандартных автомобильных ДВС этот показатель равен обычно 11:1). Все эти показатели могут привести к уменьшению расхода топлива, и, как следствие — к уменьшению вредного воздействия на окружающую среду (ну или к увеличению мощности двигателя — в зависимости от ваших целей).

Сейчас компания доводит двигатели до коммерческого применения. В наш век отработанных технологий, диверсификации, экономии на масштабе и т.п. сложно представить, как можно серьёзно повлиять на индустрию. В Duke Engines, по-видимому, это тоже представляют, поэтому намереваются предлагать свои двигатели для моторных лодок, генераторов и малой авиации.

Демострация малых вибраций двигателя Duke

Допустим, сын спросит вас: «Папа, а какой самый-самый удивительный мотор на свете»? Что вы ему ответите? 1000-сильный агрегат от Bugatti Veyron? Или новый турбодвигатель AMG? Или мотор Volkswagen с двойным наддувом?

В последнее время появилось немало крутых изобретений, и все эти наддувы-впрыски кажутся удивительными… если не знать . Ибо самый удивительный мотор, о котором я знаю, был сделан в Советском Союзе и, как вы догадались, не для «Лады», а для танка Т-64. Он назывался 5ТДФ, и вот несколько удивительных фактов.

Он был пятицилиндровым, что само по себе необычно. У него было 10 поршней, десять шатунов и два коленчатых вала. Поршни двигались в цилиндрах в противоположных направлениях: сначала навстречу друг другу, потом обратно, снова навстречу и так далее. Отбор мощности осуществялся с обоих коленчатых валов, чтобы было удобно для танка.

Двигатель работал по двухтактному циклу, и поршни играли роль золотников, открывавших впускные и выпускные окна: то есть никаких клапанов и распредвалов у него не было. Конструкция была гениальной и эффективной – двухтактный цикл обеспечивал максимальную литровую мощность, а прямоточная продувка – высокое качество наполнение цилиндров.

Ко всему прочему 5ТДФ был дизелем с непосредственным впрыском, где топливо подавалось в пространство между поршнями незадолго до момента, когда они достигали максимального сближения. Причем, впрыск осуществлялся четырьмя форсунками по хитрой траектории, чтобы обеспечить мгновенное смесеобразование.

Но и этого мало. Двигатель имел турбокомпрессор с изюминкой – огромных размеров турбина и компрессор размещались на валу и имели механическую связь с одним из коленчатых валов. Гениально - на режиме разгона компрессор подкручивался от коленчатого вала, что исключало турбояму, а когда поток выхлопных газов как следует раскручивал турбину, мощность от нее передавалась на коленчатый вал, повышая экономичность мотора (такая турбина называется силовой).

Ко всему прочему мотор был многотопливным, то есть мог работать на дизтопливе, керосине, авиационном топливе, бензине или любой их смеси.

Плюс к этому еще полсотни необычных решений, вроде составных поршней со вставками из жаропрочной стали и системы смазки с сухим картером, как у гоночных автомобилей.

Все ухищрения преследовали две цели: сделать мотор максимально компактным, экономичным и мощным. Для танка важны все три параметра: первый облегчает компоновку, второй улучшает автономность, третий – маневренность.

И результат получился впечатляющим: при рабочем объеме 13,6 литра в самой форсированной версии мотор развивал более 1000 л.с. Для дизеля 60-х годов это был великолепный результат. По удельной литровой и габаритной мощностям мотор превосходил аналоги других армий в несколько раз. Я видел его вживую, и компоновка действительно поражает воображение – прозвище «Чемодан» ему очень идет. Я бы даже сказал «плотно набитый чемодан».

Он не прижился из-за чрезмерной сложности и дороговизны. На фоне 5ТДФ любой автомобильный мотор – даже от Bugatti Veyron – кажется каким-то до нельзя банальным. И чем черт не шутит, техника может сделать виток и снова вернуться к решениям, когда-то использованным на 5ТДФ: двухтактному дизельному циклу, силовым турбинам, многофорсуночному впрыску.

Началось же массовое возвращение к турбомоторам, которые одно время считались слишком сложными для неспортивных машин…

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

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