ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02B75/00 F02B75/32 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано при изготовлении двигателей внутреннего сгорания.

Известны поршневые двигатели внутреннего сгорания, содержащие размещенный в цилиндре поршень и коленчатый вал, кривошип которого посредством шатуна связан с поршнем (Микрюков Г.С. Логовский Л.С. и др. Ижевские мотоциклы. Ижевск: Удмуртия, 1981, с.38-44).

Недостатком этих двигателей являются заниженные технико-экономические показатели, обусловленные недостаточной эффективностью сгорания топлива. Это происходит вследствие того, что воспламенение рабочей смеси начинается до ВМТ (верхней мертвой точки), и горение продолжается после нее, результатом чего является плохое сгорание и противодавление при подходе поршня к ВМТ. Индикаторные диаграммы этих двигателей показывают, что после воспламенения рабочей смеси давление в цилиндре повышается, затем падает до давления начала воспламенения за первую треть хода поршня вниз. Коленчатый вал при этом поворачивается более чем на 60^о. Вторую треть хода поршень проходит за меньшее время, примерно за 40^о поворота коленчатого вала. В первой трети хода поршня вниз возникают наибольшие перепады температур и давлений, поэтому происходят наиболее интенсивное просачивание газов между поршнем и цилиндром и наиболее интенсивная отдача тепла к стенкам цилиндра, головке и т.д. Из этого следует, что поршень в ВМТ надо остановить на время горения рабочей смеси, а первую треть рабочего хода производить за меньший угол поворота коленчатого вала. При остановленном поршне сгорание рабочей смеси идет при постоянном объеме, давление повышается по изохоре с меньшими потерями тепла, а начало рабочего хода с большей скоростью уменьшает потери тепла при расширении рабочего тела.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является двигатель, содержащий размещенный в цилиндре поршень, коленчатый вал, кривошип которого связан с поршнем через основной и дополнительный шатуны, коромысло, установленное в регулируемой опоре и имеющее с основным и дополнительным шатунами общий шарнир, при этом опора коромысла закреплена на корпусе таким образом, что при положении поршня в ВМТ основной шатун и коромысло размещены на одной осевой линии, а ось дополнительного шатуна совпадает с осью кривошипа и перпендикулярна оси основного шатуна (авт.св. СССР N 878990, кл. F 02 В 75/32, 1977).

Недостаток этого двигателя заключается в том, что первую треть рабочего хода поршень проходит за 110-115^о поворота коленчатого вала, т.е. очень медленно, и эффект, полученный от остановки поршня, ликвидируется, т.е. происходят интенсивная потеря тепла, прорыв газов и пр. что снижает технико-экономические показатели двигателя. Из этого следует, что если процесс сгорания вести при остановленном поршнем, а расширение рабочего тела проводить за время, возможно меньшее, то КПД двигателя увеличится. У современных карбюраторных двигателей процесс горения на оборотах, близких к максимальным, происходит за угол поворота коленчатого вала, равный 40-50^о. На этот угол и нужно остановить поршень. А скорость движения поршня после окончания процесса сгорания можно увеличить, если одновременно с поворотом кривошипа складывать шатун, выполненный из 2-х звеньев.

Целью предлагаемого изобретения является повышение технико-экономических показателей двигателя за счет уменьшения времени прохождения поршнем первой трети рабочего хода.

Цель достигается тем, что в двигателе, содержащем размещенный в цилиндре поршень, коленчатый вал, кривошип которого связан с поршнем через основной и дополнительный шатуны, коромысло, связанное общим шарниром с основным и дополнительным шатунами и установленное в опоре, закрепленной на корпусе так, что при положении поршня в ВМТ основной шатун и коромысло размещены на одной оси, ось дополнительного шатуна совпадает с осью кривошипа и составляет с осью цилиндра острый угол.

Угол между осью кривошипа и осью цилиндра при положении поршня в ВМТ составляет 1/3 угла поворота коленчатого вала за время, соответствующее сгоранию топлива на номинальных оборотах.

На фиг.1 изображена принципиальная схема двигателя для режима номинальной мощности; на фиг.2 графики перемещения поршня предлагаемого двигателя (а), прототипа (в), аналога (с).

Двигатель состоит из цилиндра 1, в котором размещены поршень 2, основной шатун 3 и дополнительный шатун 4, коромысла 5, соединенного общим шарниром 6 с шатунами, опоры коромысла 7, коленчатого вала 8 с кривошипом 9. Соотношения размеров выбираются из расчета, что при положении поршня в ВМТ основной шатун 3 и коромысло 5 образуют прямую линию, при этом дополнительный шатун 4 и кривошип 9 образуют также прямую линию под углом к оси цилиндра α/3, где α угол поворота коленчатого вала за время сгорания топлива (для современных двигателей он равен 40-50^о).

Двигатель работает следующим образом.

Поршень 2 совершает возвратно-поступательное перемещение в цилиндре 1, которое через основной шатун 3, дополнительный шатун 4 и кривошип 9 передается коленчатому валу 8 и коромыслу 5, при этом коленчатый вал совершает вращательное движение, а коромысло возвратно-колебательное.

При подходе кривошипа к точке А (на номинальных оборотах) поршень резко замедляет движение вверх и почти останавливается. При положении кривошипа в точке В поршень достигает ВМТ (угол между кривошипом и осью цилиндра составляет приблизительно 1/3 от угла, соответствующего повороту коленчатого вала за время сгорания топлива). При повороте кривошипа еще на 1/3 этого угла (точка С) поршень опускается до той же отметки, где был при положении кривошипа в точке А. Это угол поворота коленчатого вала, в течение которого поршень практически неподвижен. Далее поршень начинает ускорять движение вниз. Примерно через 10^о после точки С шатун выпрямляется, и далее происходит его перелом в другую сторону, при этом угол между дополнительным шатуном и кривошипом приближается к 90^о, что тоже обеспечивает ускоренное движение поршня вниз. Благодаря этим двум факторам поршень резко увеличивает скорость и опускается на 1/3 своего хода от ВМТ более чем в 2 раза быстрее, чем в двигателе-аналоге, и раза в 4 быстрее, чем в прототипе (фиг.2), что резко уменьшает теплоотдачу деталям двигателя, прорыв газов и т.д.

Увеличение угла между кривошипом и осью цилиндра при положении поршня в ВМТ приводит к уменьшению скорости опускания поршня, а уменьшение к уменьшению угла остановки поршня, поэтому оптимальная величина его соответствует приблизительно 1/3 угла поворота коленчатого вала, соответствующего сгоранию топлива.

Использование: в машиностроении, а именно в двигателестроении. Сущность изобретения: общая ось дополнительного шатуна 4 и кривошипа 9 составляет с осью цилиндра 1 угол, равный α/3, где α - угол поворота коленчатого вала 8 за время сгорания топлива, соответствующий 10 - 15°. 2 ил.

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий размещенный в цилиндре поршень, коленчатый вал, кривошип которого связан с поршнем через основной и дополнительный шатуны, коромысло, связанное общим шарниром с основным и дополнительным шатунами и установленное в опоре, закрепленной на корпусе с возможностью размещения на одной оси основного шатуна с коромыслом и совпадения осей дополнительного шатуна и кривошипа при положении поршня в верхней мертвой точке, отличающийся тем, что общая ось дополнительного шатуна и кривошипа расположена под углом α/3 к оси цилиндра, где α угол поворота коленчатого вала за время сгорания топлива, соответствующий 10-50^o.