Тепловий двигун

Реферат: Винахід належить до поршневих двигунів внутрішнього згорання з кривошипно-шатунним механізмом. Двигун має корпус, в якому розташовані циліндри з робочими камерами та клапанно-розподільним механізмом. Поршні встановлені по два в одному циліндрі і шарнірно зв'язані шатунами із кривошипами, що синхронно обертаються, а коромислом та повзунами шарнірно з'єднані з корпусом з можливістю прямолінійного зворотно-поступального переміщення їх кінцевих шарнірів. Довжина кожного шатуна дорівнює сумі радіуса кривошипа та найменшої відстані від центра обертання його вала до осі симетрії циліндра. Поршні установлені з можливістю переміщення з амплітудою, що дорівнює збільшеному в чотири рази значенню квадратного кореня із добутку величини радіуса кривошипа та довжини шатуна, зв'язаного з ним. Центри обертання опорних шарнірів кривошипів та коромисел розташовані в одній площині, яка перпендикулярна осі симетрії циліндрів. Важелі коромисел кінематично зв'язані з системою управління з можливістю регулювання режиму роботи двигуна. Двигун має камеру згорання, розташовану в циліндрі над додатковим поршнем, який виконаний у вигляді кільцеподібного поршня з тарілчастими клапанами. Деталі можуть бути виготовлені з металу UA 102009 C2 (12) UA 102009 C2 та/або керамічних матеріалів. Винахід сприяє спрощенню конструкції двигуна і зменшенню його маси. UA 102009 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до будови теплових поршневих двигунів, зокрема до двигунів внутрішнього згоряння з кривошипно-шатунним механізмом, для перетворення зворотнопоступального руху поршня в обертальний рух вихідного вала та може бути використаний при створенні автономних перетворювачів теплової енергії палива в механічну для приводу мобільного автотранспорту, авіаційних апаратів, сільськогосподарської техніки та інших механізмів. Відомий тепловий двигун, в якому поршні, шарнірно зв'язані шатунами, передають силу тиску газового середовища в циліндрі кривошипу, спричиняючи його обертання [1]. Спільними суттєвими ознаками відомої та запропонованої конструкції є наявність кривошипно-шатунного механізму (КШМ), циліндро-поршневої групи (ЦПГ), системи контролю та керування (СКК). До недоліків двигуна належить дія знакозмінних сил, які виникають між кривошипом і шатуном, поршнем та циліндром, що збільшує тертя, особливо в зоні високих температур, та знижує коефіцієнт корисної дії (ККД) двигуна. Відома конструкція двигуна, в якому усунена дія бокових сил поршня в циліндрі шляхом створення прямолінійної траєкторії поршня за допомогою додаткових кривошипів, шатунів, зубчастих коліс, установлених на двох колінчастих валах в кривошипно-шатунному механізмі [2]. Спільними суттєвими ознаками відомої та запропонованої конструкції є наявність механічної системи, що усуває дію знакозмінних сил в циліндрі. Однак, у відомому двигуні необхідно в два рази підвищити кількість елементів (кривошипів, шатунів, зубчастих коліс) та забезпечити постійність їх розмірів при експлуатації, особливо системи зубчастих коліс. При цьому, обмежуються можливості збільшення кількості різних фаз у поршнів, ускладнюється їх зрівноваження. Відоме застосування важільних конструкцій для створення прямолінійних траєкторій руху поршнів [3]. Так, у відомому двигуні, як і в запропонованому, для приводу кривошипа застосований загальний шатун, шарнірно з'єднаний з декількома поршнями, а коромислом, повзуном з корпусом. Однак, застосування спільного шатуна не забезпечує однакові прямолінійні траєкторії його шарнірам, а із збільшенням амплітуди робочого ходу поршнів, призводить до зростання розмірів та маси кривошипів, габаритів двигуна. Найбільш близьким відомим технічним рішенням, вибраним як прототип, є тепловий двигун Тарасевича [4]. В ньому, як і в запропонованому двигуні, в корпусі на спільному валу установлені протилежно розташовані кривошипи, а в циліндрах розташовані поршні зі штоками, шарнірно зв'язані шатунами з кривошипом і шарнірно з'єднані опорними коромислами та рухомою шарнірною опорою з корпусом. Спільними суттєвими ознаками відомого та запропонованого двигуна є конструкція кривошипно-шатунного механізму, де важелі його коромисел, шатуни, повзуни призначені для усунення бокових сил та забезпечення прямолінійної траєкторії поршням для їх самоцентрування газовими силами в циліндрі з утворенням симетрично стисненого газового шару, який може виконувати роль ефективного високотемпературного мастила між циліндром та поршнем. В цьому випадку відкривається можливість застосувати не тільки металічні деталі, але і керамічні теплоізолятори, які здатні наблизити перебіг теплових процесів в робочій камері двигуна до адіабатних умов, відмовитися від кільцевих ущільнень поршня, підвищити ККД двигуна. Однак, при цьому, робота конструкції двигуна прототипу має ряд обмежень. Так, в ньому кривошипи, шатуни, опорні коромисла та їх шарніри можуть працювати на стиск тільки в одному напрямку руху поршня, коли на нього на початку горіння палива діють максимальні сили газового тиску. У випадку зворотного руху, наприклад, від співвісного поршня, аналогічні сили викличуть створення знакозмінної дії сил на важелі коромисел, шатуни, кривошипи, що призводить до необхідності збільшення міцності та маси деталей кривошипно-шатунного механізму. Крім того, його конструкція не дозволяє збільшити хід поршня, подовжити циліндр, і, тим самим, поліпшити в ньому газообмін, підвищити ефективність реалізації в ньому найбільш перспективного двотактного процесу. Також у відомому двигуні обмежені можливості спрощення його конструкції та системи контролю та керування процесами, перерозподілу, акумулювання та використання енергії при його роботі. В основу винаходу поставлена задача удосконалення теплового поршневого двигуна: збільшення ККД як механічної частини кривошипно-шатунного механізму, так і робочих камер та системи контролю та керування, зниження питомої маси, спрощення його конструкції. 1 UA 102009 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Поставлена задача розв’язується тим, що тепловий двигун містить корпус, в якому розташовані кривошипно-шатунний та клапанно-розподільний механізми, циліндри з робочими камерами, поршні із штоками, установлені переважно по два в одному циліндрі, кожний з яких шарнірно зв'язаний з одним із двох кривошипів, що синхронно та урівноважено обертаються, а опорними коромислами шарнірно з'єднані з корпусом, де основне коромисло кінцевим шарніром рухомо опирається на корпус, а в середній частині оснащене додатковим шарніром з можливістю переміщення його по траєкторії кола, що задана додатковим коромислом, які забезпечують можливість взаємно перпендикулярного прямолінійного переміщення шарнірів на кінцях основного опорного коромисла, причому двигун має два або більше шарнірно з'єднаних між собою коромисел. Згідно з винаходом, центри обертання корінних шарнірів вихідного вала кривошипів та центри обертання опорних коромисел розташовані в одній площині, перпендикулярній до осі симетрії циліндрів, при цьому поршні в циліндрі установлені з можливістю переміщення, переважно з амплітудою, що дорівнює збільшеному в чотири рази значенню квадратного кореня із добутку величини радіуса кривошипа та довжини шатуна, який зв'язує кривошип з коромислом та штоком, а важелі коромисел кінематично зв'язані з системою контролю та керування з можливістю регулювання параметрів роботи двигуна. Кривошипи двигуна мають паралельні осі симетрії колін та лежать переважно в одній площині, що проходить через вісь обертання вихідного вала кривошипів, виконаних з можливістю установки на їх поверхнях, переважно нерозрізних підшипників ковзання та/або підшипників кочення шатунів і, переважно жорстко зв'язаних з'єднувальних та підсилюючих вал втулок, балансирів та/або кулачків, та/або зубчастих коліс. Двигун включає однакові роздільно установлені кривошипи, вихідні вали яких зв'язані між собою синхронною, переважно зубчастою, передачею, з можливістю протилежного обертання та, переважно, містить два ідентичних поршні, шарнірно зв'язаних між собою шатунами і щонайменше одним коромислом з можливістю забезпечення протилежного симетричного переміщення поршнів та синхронного обертання кривошипів. Він містить поршні, які переважно шарнірно з'єднані між собою, щонайменше одним штоком, та установлені, переважно співвісно, в окремих циліндрах та шарнірно зв'язані шатунами з шарніром коромисла та/або шарніром шатуна, який іншим шарніром зв'язаний з кривошипом. Двигун містить пристрої контролю та керування роботою двигуна та камеру згоряння, в якій розташовані щонайменше один тарілчастий клапан та/або клапан кільцеподібної форми, виконаний з ущільненнями, розташованими на його торцевій та бокових поверхнях, зв'язані з системою контролю та керування з можливістю відкриття в циліндрі каналів, переважно важелями коромисел. Його система контролю та керування включає пристрій, який зв'язаний з коромислами та/або штоками поршнів, та/або кривошипами з можливістю забезпечення, переважно шляхом переміщення клапанів в циліндрах тягами, штовхачами, кулачками з можливістю регулювання робочих параметрів в процесах пуску двигуна, проведення газообміну та/або подачі палива, та/або зміни ступеня стиску, та/або ступеня розширення, та/або акумулювання та використання енергії, та/або гальмування, та для виконання інших операцій по контролю та керуванню роботою двигуна. Двигун включає демпфірувальні елементи, розташовані між його деталями, переважно між корпусом та циліндром. Деталі двигуна можуть бути виготовлені із металу та/або керамічних, та/або прийнятних полімерних матеріалів. Сукупність ознак в запропонованій конструкції двигуна, в порівнянні з ознаками, які характеризують двигун прототипу, створює умови для досягнення необхідного технічного результату. Так, запропонована нова схема двигуна, на відміну від відомої (прототипу), насамперед дозволяє симетрично розподілити дію інерційних та сил газового середовища в циліндропоршневій групі (ЦПГ) та на кривошипно-шатунний механізм (КШМ), що відкриває можливість забезпечити за допомогою системи контролю та керування (СКК) раціональну роботу найбільш навантажених вузлів двигуна. Для цього центри обертання корінних шарнірів вихідного вала кривошипів та центри обертання опорних коромисел розташовують в одній площині, перпендикулярній до осі симетрії циліндрів. Це дозволяє утворити та прикласти дію пари сил до двох кривошипів, симетрично розташованих на одному валу, що підвищує в два рази момент обертання його вихідного вала або, при зменшенні розмірів кривошипів, діаметра та довжини колінчастого вала дозволяє знизити його габарити та масу двигуна в цілому. При цьому, як відомо, з лінійним зменшенням розмірів діаметра та довжини колінчастого вала в кубічному ступені знижується його маса та збільшується міцність. Підвищення міцності, жорсткості приводить до зниження, наприклад, крутильних коливань, металомісткості та вартості колінчастого вала. Менші розміри кривошипів дозволяють застосувати для шатунів, переважно нерозрізні обойми підшипників кочення та/або нерозрізні обойми шарнірів ковзання шатунів, які можуть 2 UA 102009 C2 5 10 15 20 25 при складанні насуватися на вал і кривошипи та включати знімні вкладиші та більш прості елементи кріплення, зокрема, що не містять різьбових з'єднань. Застосування підшипників кочення приведе до зниження тертя, підвищення механічного ККД колінчастого вала - найбільш відповідального вузла КШМ та дозволить спростити систему мащення. При цьому, можна виконати на одному валу декілька, розташованих поряд, додаткових перехідних колін кривошипів, осі симетрії яких лежать, переважно, в одній площині з основними кривошипами та паралельні осям їх обертання. Додаткові кривошипи можуть служити для фіксації на валу кривошипа балансирів, маховиків, з'єднувальних та зміцнювальних втулок колінчастого вала, зубчастих коліс. На відміну від прототипу, в запропонованій схемі КШМ несподівано виявляється нова закономірність зміни кута обертання кривошипа при кожному ході поршня. Так, робочий хід одного поршня викликає поворот кривошипа на 450° і 270°, відповідно при прямому і зворотному його робочому русі, а аналогічне обертання кривошипа у прототипа не більше 220160°. Можливість відносного збільшення кута та швидкості обертання кривошипів до двох обертів колінчастого вала за два ходи поршня, при однаковій кількості робочих ходів поршня в циліндрі, забезпечує колінчастому валу менші габаритні розміри та можливість виводу та передачі споживачу підвищеної потужності. При цьому, така закономірність в новій симетричній схемі КШМ двигуна одночасно дозволяє збільшити робочий хід поршнів в циліндрі. Так, на відміну від прототипу, в запропонованій конструкції розширюються можливості визначення оптимальних параметрів, розмірів деталей КШМ, ЦПГ, де використовуються, наприклад, шатуни заданої довжини L, яка дорівнює L=r+s, де r - радіус кривошипа, 5 найменша відстань між віссю обертання вала кривошипа та центром шарніра, зв'язаного з ним опорного коромисла, який з'єднаний шарнірно із штоком поршня, шарніри якого установлені на осі циліндра. При цьому, розташування опор коромисел та кривошипів в одній площині, яка перпендикулярна осям циліндрів, дозволяє збільшити амплітуду прямолінійного ходу поршня, яка дорівнює: X  4 rL , 30 35 40 45 50 55 60 де: X - хід (амплітуда переміщення) поршня в циліндрі; r - радіус кривошипа; L - довжина шатуна, зв'язаного з кривошипом. Нова закономірність вказує на рівнозначний внесок в визначувану амплітуду поршня двох параметрів - (r; L), наприклад, при зменшенні радіуса кривошипа можна збільшити довжину шатуна, віддалити поршні від кривошипа, забезпечити необхідний подовжений хід поршня. Заявлені співвідношення величин, наведені в формулі, дозволяють визначити основні параметри ЦПГ, КШМ, деталей двигуна, наприклад, радіус кривошипа, відстань його центра обертання до осі циліндра, хід поршня та оцінити дію в ньому сил. Одночасно, в новому КШМ двигуна стає можливим зменшити кількість використовуваних кривошипів, шатунів, коромисел відносно кількості установлених поршнів. Так, наприклад, у випадку співвісно зв'язаних штоком поршнів, кількість необхідних деталей скорочується приблизно в два рази. При цьому, симетричне розташування інерційних мас з використанням 4х кривошипів, дозволяє усунути поперечні моменти, зменшити масу балансирів та колінчастого вала. Симетричне співвісне розміщення двох поршнів на одному штоку при русі їх по прямолінійній траєкторії в двох різних циліндрах дозволяє, на відміну від прототипу, надавати однакові зусилля при їх прямому та зворотному ході. Так, в результаті горіння палива поршні через шарніри стискують шток, спираючись на дві опори-котки, шатун і коромисло, надаючи максимальне навантаження кривошипу. Тільки, коли робочий тиск на поршень в циліндрі знижується, що відбувається всередині і продовжується до кінця ходу поршня, шатун, коромисло поступово починають зазнавати значно меншу по величині дію сил. Така закономірність зміни навантаження повторюється як при прямому, так і при зворотному ході поршня в кожному циліндрі. Це дозволяє розділити дію сил та підсилити конструкцію, наприклад, більш короткого нерозрізного шатуна, виконавши зовнішній його контур, який працює лише на розтягування, у вигляді стяжного обруча із багатошарової металічної стрічки або із композитних, полімерних матеріалів, більш міцних і з меншою питомою масою. При цьому, співвісне розміщення в новій схемі двигуна поршнів на одному штоку при послідовному проведенні робочих процесів в протилежно установлених циліндрах, зменшує в КШМ дію розтягувальних зусиль на кривошип, коромисло, шатун інерційних мас в кінці робочого ходу поршня. Пряма передача енергії від одного поршня до іншого в двох циліндрах проходить, минаючи кривошипи, важелі коромисел, шатун. В цьому випадку, в кінці робочого ходу в одному циліндрі 3 UA 102009 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 енергія гальмування поршня використовується, переважно, для стиску повітря в другому циліндрі. Кінетична енергія інерційних мас, що рухаються в новому двигуні по подовженій траєкторії гальмування в кінці робочого ходу поршня, більш ефективно передається кривошипу та переходить в потенціальну енергію стисненого газу, яка знову використовується, наприклад, для наступного розгону та продовження руху поршнів. Ці процеси в протилежних циліндрах періодично повторюються. В цьому випадку поршні і кривошипи, переважно, працюють в стані неперервного стиску під дією сил газового середовища, які діють як на початку, так і в кінці робочого ходу поршня позмінно в будь-якому із циліндрів. При цьому, значний вклад вносять сили тиску продуктів горіння палива, які перевищують інерційні сили. Одночасно, нова схема КШМ, на відміну від прототипу, дозволяє усунути дію на кривошипи знакозмінних сил, які вигинають його вал. Усунення дії таких сил на кривошип зі сторони поршнів забезпечується симетричною конструкцією КШМ, де в результаті спільного руху та повороту шатуна відносно кривошипа в їх спільному шарнірі, дозволяє передавати зусилля кривошипу, які, переважно діють на один його бік. Зниження та усунення знакозмінного навантаження на кривошипи наближує роботу вихідного вала КШМ до рівномірного обертання роторного двигуна. Це дозволяє використати найкращі швидкісні характеристики роторного двигуна в поршневих конструкціях. Зокрема, збільшити робочий об'єм циліндра при відносно меншій протяжності зони ущільнення та розмірів в зазорі циліндр-поршень, що поліпшує умови герметизації та надійності роботи при підвищених температурах та тисках в дизельному процесі. Усунення дії знакозмінних сил сприяє рівномірності навантаження, збільшує ККД нового двигуна. Зазначені особливості в роботі нового КШМ обумовлюють можливість забезпечення в поршневих двигунах умов для більш раціонального одержання та використання енергії. При цьому, в симетричній схемі двигуна стає можливим підвищити ефективність зниження дії бокової сили в циліндрі у використовуваній важільній системі опорних коромисел прототипу. Прямолінійний робочий хід поршню у відомій системі забезпечує основне опорне коромисло та його кінцевий малорухомий шарнір, зв'язаний повзуном з корпусом, та шарнір в середній частині коромисла, який установлений з можливістю переміщення по траєкторії окружності, заданій додатковим опорним коромислом, радіус якого дорівнює, наприклад, половині основного коромисла. В цьому випадку, центр другого кінцевого шарніра основного опорного коромисла, зв'язаний із штоком поршня, здійснює рух по прямолінійній траєкторії. Збільшення ходу поршня та, відповідно, довжини його штока в новому КШМ дозволяє більш ефективно усунути в циліндрі дію бокових сил, які викликають тертя між поршнем та циліндром в зоні високих температур і тисків, та де утруднене використання мастильних матеріалів. В новій схемі застосування подовженого циліндра та, відповідно, подовжених важелів опорних коромисел дозволяють більш ніж на два порядки зменшити дію бокової сили поршня в циліндрі. Зв'язані коромисла розташовані зовні циліндра, що створює сприятливі умови для їх змащення та охолодження, та де, при необхідності, можливе використання підшипників кочення. Крім того, збільшення довжини основного опорного коромисла дозволяє передати на корпус зусилля важелями з більшим радіусом, що поліпшує умови подолання сил тертя в корінних шарнірах коромисел, у яких менший радіус обертання опорних шарнірів. Шток поршня іншим кінцем шарнірно з'єднаний з поршнем, наприклад, шарніром кулеподібної форми, яка забезпечує переміщення та поворот поршня в циліндрі в двох площинах. Можливі різні варіанти шарнірних з'єднань поршня, штока, шатуна та коромисла. Так, поршні між собою можуть бути з'єднані, наприклад, співвісно одним штоком жорстко або шарнірно. В другому випадку збільшується здатність утримувати взаємне зміщення осі циліндра від прямолінійної траєкторії шарніра коромисла. При цьому, шток може бути шарнірно зв'язаний в одному спільному вузлі на одній осі або в різних точках шатуна або коромисла. Поршні переважно шарнірно зв'язані шатунами, в тому числі штоком, та установлені співвісно в різних циліндрах. Такий вузол поршням забезпечує рух як по прямолінійній траєкторії, так і при її допустимих змінах, що можливі, наприклад, при нагріванні деталей в результаті теплових процесів та зміні їх розмірів, які відбуваються при експлуатації двигуна. При цьому, в циліндрі стає можливим утворення в зазорі між поршнем стисненого шару газового середовища, який ізолює стінки поршня від стінок циліндра, де він може виконувати роль газового мастила, суттєво знижуючи тертя. Цьому сприяє, наприклад, зменшення зазору, збільшення в ньому тиску газового середовища, збільшення швидкості руху поршня та його форма і конструкція, введення демпфірувальних елементів, які усувають вібрацію, переважно між циліндром та корпусом. Зниження бокових сил в циліндрі, застосування шару газового мастила дозволяє зменшити висоту та масу поршня, а зменшення тертя відкриває можливість 4 UA 102009 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 застосування в зоні високих температур більш ефективних керамічних матеріалів, які допускають підвищення робочих параметрів теплового циклу, що поліпшить ККД двигуна. Керамічні матеріали мають коефіцієнт розширення більш низький, ніж у металів, що зменшує зміну їх розмірів та величину зазорів між ними при нагріванні, і дозволяє, наприклад, поліпшити ущільнення поршня в циліндрі. Керамічні деталі витримують різкі зміни температур, при цьому хімічно більш стійкі, мають високу твердість і міцність на стиск та меншу питому масу. Запропонована конструкція двигуна допускає застосувати в ньому також теплоізоляційні покриття окремих деталей, наприклад, поршнів з оксидованою поверхнею. Крім того, виготовити частково або повністю, наприклад, камеру згоряння або циліндро-поршневу групу із термостійкої кераміки. Разом з тим, можливе як сумісне, так і роздільне використання нових і широко застосовуваних в двигунобудуванні відомих металів, матеріалів, деталей і конструкцій. Новий двигун відрізняється можливістю підвищити ефективність проведення в ньому переважно двотактного процесу, перетворення теплової енергії палива в механічну роботу. Як відомо, в двотактних двигунах збільшується кількість, частота робочих циклів, підвищується рівномірність крутильного моменту, вони більш прості по конструкції. Однак, в них утруднена очистка робочого циліндра від продуктів згоряння, його наповнення повітрям та забезпечення необхідної температури для ефективної роботи циліндра, поршнів та клапанів. Збільшений робочий хід поршня в новому подовженому циліндрі допускає можливість зменшити діаметр та залишити незмінним його об'єм. Більша довжина циліндра дозволяє збільшити висоту продувальних вікон, збільшити зміщення клапанів та площу їх прохідного перерізу. В цьому випадку, протяжний циліндр з меншим діаметром може бути краще продутий від залишкових газів. В ньому, наприклад, легше створити прямоточну продувку, де закручений потік стисненого повітря, що тангенціально входить і притискується відцентровою силою до стінки, видаляє відпрацьовані гази із середньої частини циліндра у випускну систему. При цьому, в двотактному циліндрі ефективна подача частини активних продуктів горіння в камеру згоряння для поліпшення процесу горіння палива в наступному циклі. Інтенсифікація газообміну дозволяє додатково поліпшити наповнення циліндра шляхом додаткової подачі в камеру згоряння попередньо стисненого повітря. Можливе створення, наприклад, двох потоків: один з низьким тиском - для продувки циліндра, другий - підвищеного (високого) тиску - для наповнення камери згоряння. Другий потік можливо одержати із застосуванням відцентрових та/або поршневих нагнітачів з використанням проміжного охолодження, а при необхідності, його нагрівання. В двигуні, в залежності від умов роботи, можлива оперативна зміна різних параметрів. Наприклад, співвідношення вихідних компонентів (повітря-паливо), ступеня стиску в компресорі, камері згоряння, установлення часу початку взаємодії, температури, тиску, умов рециркуляції частини активних сполук горіння палива, проведення його спалювання при відносно меншій зміні об'єму продуктів в полум'ї і при максимальному ступені їх розширення та застосування інших факторів, що дозволить підвищити ефективність роботи двигуна. В новій конструкції двигуна цьому сприяє: уповільнений (відносно повільний) рух поршня в крайніх зонах його траєкторії, де в циліндрі проводять газообмін та горіння, а розширення одержуваних продуктів проходить в області підвищеної швидкості руху поршня, де менший діаметр і поверхня подовженого циліндра, теплоізоляція камери згоряння знижує теплові втрати, наближуючи процес перетворення теплової енергії в механічну до адіабатних умов. Одночасно, застосування подовженого циліндра дозволяє збільшити в ньому видалення відпрацьованих газів поршнем. Для цього, в двотактному процесі достатньо, за допомогою системи контролю та керування, затримати на відносно більший час відкритим клапан викиду відпрацьованих газів на стадії очищення продувкою та стиснення повітря в циліндрі. В цьому випадку забезпечується більший об'єм в циліндрі для розширення продуктів горіння, яке буде відбуватися в наступному циклі, але уже з меншою кількістю палива та їх розширення у відносно збільшений об'єм циліндра, що відповідає підвищенню ступеня розширення відпрацьованих газів та сприяє підвищенню ККД використання енергії робочого середовища. При цьому, для збереження продуктивності двигуна, в ньому необхідно збільшити частоту робочих циклів, а зниження в ньому тиску після розширення нижче критичного (0,186 Мпа) зменшує температуру, швидкість (шум) відпрацьованих газів. Збільшення діапазону зміни робочих об'ємів в циліндрах двигуна як на такті стиску, так і при розширенні, дозволяє поліпшити узгодження його характеристик з параметрами споживача, що приводить до скорочення витрат палива. Таким чином, ступінь продувки та ступінь розширення в кожному циліндрі можна регулювати як, керуючи клапанами скидання відпрацьованих газів, так і зміною об'єму камери згоряння, наприклад, поршнем, установленим в ній. При цьому, можлива оперативна зміна регульованих 5 UA 102009 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 параметрів в камерах згоряння кожного циліндра, а робота системи контролю та керування може забезпечуватися приводом від одного важеля або штока поршня без застосування розподільного вала, що спрощує систему керування роботою двотактного двигуна. Крім того, важелі коромисел можуть бути використані, наприклад, для установки додаткових поршнів та їх використання в двоступінчатих компресорах одержання охолодженого повітря підвищеного тиску для безпосереднього використання та/або накопичення в акумуляторі для наступного застосування при пуску, збільшення продуктивноcті та потужності двигуна. В подовженому циліндрі збільшення ходу робочого поршня приводить до відносно більшого переміщення основного опорного коромисла та його опорного шарніра, повзуна, який може бути виконаний у вигляді поршня, що містить ущільнення та установленого в циліндрі, переважно в масляному (або газовому) середовищі. Інерційні сили, які виникають в протилежно працюючих (з подвоєною частотою) поршнів, лежать в одній площині або в близьких паралельних площинах, де вони можуть бути врівноважені. При збільшеному русі новий шарнір, зв'язаний з поршнем, одночасно може подавати, наприклад, масло в гідроакумулятор. В цьому випадку, КШМ забезпечує другий канал рекуперації енергії в двигуні та її використання. Причому, це досягається без збільшення кількості кривошипів, коромисел, шарнірів, що спрощує двигун. Спрощення конструкції двигуна також досягається шляхом застосування важелів коромисел, штока поршня для роботи системи контролю та керування. Так, шарніри важелів основного коромисла, маючи більший діапазон руху по прямій, можуть з більшим зусиллям та в заданий час здійснювати регульованим приводом відкриття або закриття клапанів в камері згоряння і в циліндрі, наприклад, в кінці робочого ходу, в процесах газообміну, а також проведення інших операцій. В цих умовах, в циліндрі можливе використання відомих конструкцій тарілчастих клапанів або застосування його нової форми, наприклад, кільцеподібної або у вигляді поршня із керамічного матеріалу з каналом в його середині, з ущільненнями, розташованими на його торцевій та бокових циліндричних поверхнях, що дозволяє розмістити камеру згоряння над клапаном, і вона та доступ до неї не обмежені розмірами (діаметром) циліндра. В ній стає можливим установити робочі елементи: клапани, форсунки, свічки запалювання, керамічну теплоізоляцію, ущільнення і поршні для зміни її об'єму, а, при необхідності, підсилити систему охолодження її стінок та клапанів. При цьому, збільшений хід важелів, коромисел сприяє роботі системи контролю та керування двигуна, де коромисло, шток можуть безпосередньо або через штовхачі, або тяги, або коромисла та інші елементи приводити в дію пристрій подачі палива, а їх кероване зміщення в корпусі здійснює регульоване керування роботою клапанів, нагнітачів повітря та інших механізмів. Технічна суть та принцип роботи запропонованого теплового двигуна пояснюється схемою, наведеною на фіг 1. Тепловий двигун (фіг. 1) включає кривошипно-шатунний механізм (КШМ) 1, циліндропоршневу групу (ЦПГ) 2, систему контролю та керування (СКК) 3. В системі КШМ в корпусі 4 в площині 5, перпендикулярній до осі симетрії циліндрів 6 установлені центри корінних шарнірів вихідного вала 7 кривошипів 8, кожний з яких з'єднаний шатуном 9 з шарніром 10 основного опорного коромисла 11. Другий кінцевий шарнір 12 основного опорного коромисла 11, шарнірно з'єднаний з поршнем (повзуном) 13 та співвісно установлений в циліндрі 14 так, що центри обертання шарнірів 7, 12 лежать в площині 5. Основне коромисло 11 в середній частині має шарнір 15, який має траєкторію окружності додаткового опорного коромисла 16, радіус якого дорівнює половині довжини основного опорного коромисла 11. Коромисло 16 шарніром 17 зв'язане з корпусом 4. Центри обертання шарнірів 12, 17 коромисел 11, 16 установлені в площині 5. Центр шарніра 10 коромисла 11 переміщується по прямій, яка співпадає з віссю симетрії циліндра 6 та установленого в ньому поршня 18, шарніри 10, 12 переміщуються перпендикулярно. Поршень 18 сферичним шарніром 19 зв'язаний зі штоком 20, а шарніром 10 з коромислами 11 та 16. Шатун 9 шарнірно з'єднаний з кривошипом 8. Аналогічно шток 20 шарнірно зв'язаний з поршнем 21, співвісно установленим в циліндрі 22. В кожному циліндрі під його поршнем розташований компресор 23 і кожний циліндр має вікна та канали надходження повітря 24 та канали видалення продуктів горіння 25. Камера згоряння 26 включає, щонайменше, один тарілчастий клапан 27 та кільцеподібний клапан 28 шарнірно зв'язані з системою контролю та керування 3. Система контролю та керування роботою двигуна включає пристрої контролю робочих параметрів, наприклад, температури, тиску, положення коромисел та інші параметри, та виконавчі пристрої, наприклад, систему приводу клапанів, яка складається, переважно із послідовно з'єднаних кулачків, коромисел 29, тяг, штовхачів 30 для передачі руху важелів коромисел клапанам 28. Регулювання робочих параметрів, наприклад, 6 UA 102009 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 часу та тривалості відкриття клапанів, здійснюють зміною відносного положення кулачків, які контактують з шарніром коромисел 11 та 16 або їх важелями. Камера згоряння 26 містить поршень 31 для зміни її об'єму. Виконавчі пристрої та пристрої контролю (на фіг. 1 не показані) призначені для керування роботою двигуна. Корпус двигуна може включати вузли кріплення, виконані із застосуванням упорних, стягувальних, в тому числі, багатошарових матеріалів та демпфірувальних елементів 32. Додаткові відцентрові нагнітачі повітря, зв'язані з вихідним валом 7 та поршневі нагнітачі повітря 33, відповідно, з коромислами 11, 16. Енергія стисненого газового середовища накопичується в акумуляторі або гідроакумуляторі 34 і використовується для запуску та роботи двигуна за допомогою СКК 3 та виконавчих пристроїв із застосуванням, переважно поршнів в циліндрах 14, 35. Для подачі палива в камеру згоряння застосовують відомі дозувальні пристрої, наприклад, форсунки 36, привід яких може бути здійснений коромислами 11, 16 за допомогою системи контролю та керування 3. Для видалення із продуктів горіння палива робочі циліндри з'єднують з фільтром 37, де проводять, наприклад, відомі каталітичні або хімічні процеси видалення, переважно, оксидів азоту. Виділені системи в двигуні виконують основні функції: а) КШМ 1 перетворює тиск газового середовища в циліндрах 6 в обертальний рух вихідного вала кривошипів 7, зв'язаного із споживачем механічної енергії. В циліндрі 6 стиснений газ тисне на поршень 18, шток 20, який через відповідно зв'язані шарніри спирається коромислами 11, 16 на корпус 4 та шатуном 9 обертає вихідний вал кривошипів 8. б) В ЦПГ 2 надлишковий тиск газового середовища, яке отримують, переважно при горінні палива в повітряному середовищі в циліндрі 6, сприймається поршнем 18 та при його русі штоком 20, шатуном 9 передається кривошипу 8, де він викликає обертання вихідного вала 7 КШМ. в) СКК 3 зв'язує КШМ та ЦПГ з пристроями, які виробляють сигнали контролю та приводять, згідно із заданою програмою, в дію відповідні виконавчі пристрої, які забезпечують зміну робочих параметрів та регульовану роботу двигуна в потрібних режимах. В запропонованій конструкції теплового двигуна можуть бути застосовані різні відомі робочі цикли (чотири-, двотактний), різні схеми прямоточної продувки та наповнення циліндра (через клапани, продувальні вікна) та випуску продуктів згорання. Двигун, наприклад, використовуючи, переважно, двотактний дизельний цикл, працює наступним чином. Два співвісних поршні 18, 21, установлені, відповідно, в протилежних циліндрах 6, 22, одночасно виконують два процеси. Так, наприклад, коли в циліндрі 6 згорає паливо, поршень 18 виконує робочий хід та обертає кривошип 9. Поршень 21 в циліндрі 22 стискує повітряне газове середовище. Одночасно під поршнем 21 в компресорі циліндра 22 засмоктується повітря для проведення наступного продування циліндра 22, а під поршнем 1 8 в циліндрі 6 в компресорі 23 стискується повітря, що надійшло раніше. Після закінчення робочого ходу в циліндрі 6 в камері згоряння 26 відкривається клапан 28, який випускає відпрацьовані гази, та через продувальні вікна 24 надходить стиснене в компресорі 23 повітря, яке входить в циліндр 6, витискуючи відцентровими силами відпрацьовані гази та заповнюючи його новим об'ємом повітря. В циліндрі 22 в стиснене поршнем 21 повітря, при заданому поршнем 31 об'ємі камери згоряння 26, форсункою вприскується паливо, яке самозапалюється від високої температури стиску повітря або примусово від іскри свічки запалювання. Виникаючі сили продуктів горіння діють на поршень 21 і співвісно зв'язаний з ним поршень 18, які здійснюють зворотній робочий хід, обертаючи кривошип. При цьому, в циліндрах 6, 22 знову під поршні через клапани засмоктується і, відповідно, стискується та подається в циліндри повітря для їх продування та наповнення. Одночасно із додаткових джерел, наприклад, одного із акумуляторів 34 або нагнітачів 33, повітря за допомогою системи керування, може подаватися безпосередньо в камеру згоряння 26 кожного циліндра через клапан 27 для продовження газообміну та наддування стисненого та охолодженого повітря. За допомогою СКК 3 знову послідовно відкриваються клапани видалення продуктів горіння палива, вікна, подаючи повітря, паливо у відповідні циліндри для повторення робочих циклів. Проведення газообміну в циліндрах можливе із застосуванням прямотечійної продувки як зі сторони камери згоряння, так і з протилежного кінця циліндра. Для продувки застосовують автоматичні тарілчасті клапани та вікна, які відкриваються поршнем. Для збільшення перерізу каналів, які відкриваються в циліндрі та камері згоряння, можливе застосування клапана кільцеподібної форми, виконаного у вигляді поршня, з можливістю ущільнення каналів, які перекриваються його торцевою та боковою поверхнею. Клапани зв'язані з системою керування з можливістю періодичного керованого їх відкриття, переважно важелями коромисел. Наприклад, шарніром 10 або 15 коромисел 11, 16 (в кінці робочого ходу в циліндрі перед 7 UA 102009 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 відкриттям вікон 24) в результаті контакту його кулачків з виконавчим пристроєм відкриває клапан 28, використовуючи передаточну систему коромисел, тяг та приводу клапана 30. При зворотному ході коромисла 11 припиняється його дія на клапан 28 і він закривається, а потім він фіксується та самоущільнюється силами тиску газового середовища в циліндрі. Клапан кільцеподібної форми може бути установлений всередині циліндра або зовні нього. При цьому, ущільнення (ущільнювальні кромки) розташовуються на його торцевій або кільця на зовнішній або внутрішній циліндричній поверхні. При установленні зовні циліндра клапан менше контактує з продуктами горіння, а при русі краще охолоджується. Аналогічно важелями коромисел 11, 16, 30 можуть, у відповідні регульовані моменти, приводити в дію форсунки 36 подачі палива та інші пристрої. На фіг. 2 наведені час та послідовність перебігу процесів (1-6) в циліндрах, поршні яких шарнірно зв'язані з двома (чотирма) кривошипами, розташованими симетрично на вихідному валу 7, в залежності від кута його повороту. Товстими лініями позначений робочий хід поршнів, здійснюваний тиском продуктів горіння, а тонкими лініями процеси газообміну та стиску повітря в циліндрі; точками - подача палива в камеру згоряння. Для порівняння, наведені діаграми 7, 8 аналогічних робочих процесів в двох циліндрах прототипу. Як випливає із діаграми 1-4 або 1, 2, 5, 6 застосування, наприклад, чотирьох основних циліндрів або двох (діаграми 1, 2 та 8 для запуску двигуна) в запропонованому двигуні можливо надати кривошипам неперервне обертання із любого їх вихідного положення та забезпечити в ньому газообмін для запуску двигуна без застосування електричних стартерів. При цьому, на відміну від прототипу, в новій конструкції двигуна можливе збільшення, наприклад, до восьми попарно установлених співвісних поршнів, не ускладнюючи кривошипно-шатунний механізм збільшенням кількості кривошипів. В цьому випадку, запропонована конструкція дозволяє в два рази підвищити момент обертання вихідного вала шляхом створення пари сил, які надають двигуну підвищену потужність. Подовжені циліндри, наприклад, двох однакових двигунів, можуть бути об'єднані для спільної роботи з одною камерою згоряння. В цьому випадку, як відомо, стає можливим: 1) поліпшити газообмін в прямотечійній схемі без застосування клапанів з використанням вікон, які відкриваються двома поршнями на кінцях циліндра; 2) усунути дію моментів сил на корпус двигуна, що спрощує його конструкцію та збільшує потужність, дозволяє одночасно рівномірно розподілити навантаження двом споживачам. Синхронна робота двигуна забезпечується із застосуванням зубчастої передачі з парною кількістю коліс, а в новій схемі КШМ це може бути також досягнуто застосуванням шарнірного зв'язку, наприклад, щонайменше у двох ідентичних поршнів (повзунів), з'єднуючи їх між собою шатунами і, щонайменше, з одним коромислом з можливістю забезпечення симетричного, протилежного переміщення поршнів та синхронного обертання кривошипів. В запропонованій новій конструкції двигуна розширюється можливість досягнення та довготривалого забезпечення необхідних режимів роботи двигуна із зміною навантаження, частоти обертання вихідного вала та теплового стану двигуна. Цьому сприяє комплексне застосування низки нових рішень для поліпшення роботи КШМ, ЦПГ та СКК двигуна як при мінімальній частоті обертання та витраті палива, так і при підвищеному швидкісному режимі та допустимих збільшених навантаженнях. В запропонованому двигуні стає можливим забезпечити більш повне згоряння різних видів палива з більш широким діапазоном характеристик. Цьому сприяє можливість оперативної зміни ступеня стиску, застосування двоступінчатого стиску повітря та його проміжне охолодження або нагрівання, додаткове двопотокове наддування повітря, вприскування палива в циліндр для його пошарового спалювання та інші способи, що дозволяє інтенсифікувати процеси, досягнути більш високих швидкості горіння, температури, робочого тиску, ступеня розширення та зменшити (або усунути) вплив на процес горіння октанових, цетанових чисел палива, усунути детонацію, знизити витрату палива, токсичність відхідних продуктів горіння. Скорочення кількості деталей, суміщення виконуваних ними функцій, застосування енергозберігаючих матеріалів, економних процесів приводить до поліпшення робочих параметрів та основних характеристик двигуна: підвищення ККД, спрощення його конструкції, зниження питомої маси. Таким чином, запропонована схема нового теплового двигуна забезпечує досягнення технічного результату при здійсненні заявленого винаходу. Джерела інформації: 1. Двигатели внутреннего сгорания / Под ред. Орлина А.С, Круглова Н.Г. - М.: Машиностроение, 1980. - С. 82, 241-247. 2. Заявка ФРН № 4037651, МПК F01В 9/00, 1990. 8 UA 102009 C2 3. Патент України № 21401, МПК F01B 9/00, F02B 75/32, 1994. 4. Патент України № 73487, МПК F01B 9/02, 2005. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1. Тепловий двигун, що містить корпус, в якому розташовані кривошипно-шатунний та клапаннорозподільний механізми, циліндри з робочими камерами, поршні із штоками, установлені переважно по два в одному циліндрі, кожний з яких шарнірно зв'язаний з одним із двох кривошипів, що синхронно та урівноважено обертаються, а опорними коромислами шарнірно з'єднані з корпусом, де основне коромисло кінцевим шарніром рухомо опирається на корпус, а в середній частині оснащене додатковим шарніром з можливістю переміщення його по траєкторії кола, що задана додатковим коромислом, які забезпечують можливість взаємно перпендикулярного прямолінійного переміщення шарнірів на кінцях основного опорного коромисла, причому двигун має два або більше шарнірно з'єднаних між собою коромисел, який відрізняється тим, що центри обертання корінних шарнірів вихідного вала кривошипів та центри обертання опорних коромисел розташовані в одній площині, перпендикулярній до осі симетрії циліндрів, при цьому поршні в циліндрі установлені з можливістю переміщення, переважно з амплітудою, що дорівнює збільшеному в чотири рази значенню квадратного кореня із добутку величини радіуса кривошипа та довжини шатуна, який зв'язує кривошип з коромислом та штоком, а важелі коромисел кінематично зв'язані з системою контролю та керування з можливістю регулювання параметрів роботи двигуна. 2. Двигун за п. 1, який відрізняється тим, що його кривошипи мають взаємно паралельні осі симетрії колін та лежать переважно в одній площині, що проходить через вісь обертання вихідного вала кривошипів, виконаних з можливістю установки на їх поверхнях переважно нерозрізних підшипників ковзання та/або підшипників кочення шатунів і переважно жорстко зв'язаних з'єднувальних та підсилюючих вал втулок, балансирів та/або кулачків, та/або зубчастих коліс. 3. Двигун за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що він включає однакові роздільно установлені кривошипи, вихідні вали яких зв'язані між собою синхронною, переважно зубчастою передачею, з можливістю протилежного обертання та, переважно, містить два ідентичних поршні, шарнірно зв'язаних між собою шатунами і щонайменше одним коромислом з можливістю забезпечення протилежного взаємно симетричного переміщення поршнів та синхронного обертання кривошипів. 4. Двигун за будь-яким із пп. 1-3, який відрізняється тим, що він містить поршні, які переважно шарнірно з'єднані між собою попарно щонайменше одним штоком та установлені, переважно співвісно, в окремих циліндрах та шарнірно зв'язані шатунами з шарніром коромисла та/або шарніром шатуна, який іншим шарніром зв'язаний з кривошипом. 5. Двигун за будь-яким із пп. 1-4, який відрізняється тим, що він містить пристрої контролю та керування роботою двигуна та камеру згоряння, в якій розташовані щонайменше один тарілчастий клапан та/або клапан кільцеподібної форми, виконаний з ущільненнями, розташованими на його торцевій та бокових поверхнях, які зв'язані з системою контролю та керування з можливістю відкриття в циліндрі каналів, переважно важелями коромисел. 6. Двигун за будь-яким із пп. 1-5, який відрізняється тим, що його система контролю та керування включає пристрій, який зв'язаний з коромислами та/або штоками поршнів, та/або кривошипами з можливістю забезпечення, переважно шляхом переміщення клапанів в циліндрах тягами, штовхачами, кулачками з можливістю регулювання робочих параметрів в процесах пуску двигуна, проведення газообміну та/або подачі палива, та/або зміни ступеня стиску, та/або ступеня розширення, та/або акумулювання та використання енергії, та/або гальмування, та для виконання інших операцій по контролю та керуванню роботою двигуна. 7. Двигун за будь-яким із пп. 1-6, який відрізняється тим, що він включає демпфірувальні елементи, розташовані між його деталями, переважно між корпусом та циліндром. 8. Двигун за будь-яким із пп. 1-7, який відрізняється тим, що його деталі можуть бути виготовлені із металу та/або керамічних, та/або прийнятних полімерних матеріалів. 9 UA 102009 C2 10 UA 102009 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 11