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

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателестроению двух- и четырехтактных поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Аналогами предлагаемого изобретения являются все известные автору поршневые двигатели внутреннего сгорания.

В качестве прототипа выбрана конструкция дизельного двигателя KSZ/ДКРН 105/180/ (см. В.А.Ванштейдт, Н.Н.Иванченко "Дизели" Справочник, Л. Машиностроение, 1977, рис. 14), содержащего гильзу цилиндра, поршень со штоком, перемещающемся по направляющим, шатун и коленвал.

Недостатком такого устройства является низкий коэффициент полезного действия (КПД).

Для анализа потерь КПД целесообразно считать шток и направляющую продолжением поршня и цилиндра соответственно, а шатунную втулку штока обычным соединением поршня с шатуном. Непременное условие работы кривошипно-шатунного механизма при нахождении поршня в верхней или нижней мертвой точке (ВМТ или НМТ) шатун и кривошип коленвала лежат на одной прямой. На этой же прямой чаще всего лежит и ось цилиндра.

При анализе рабочего хода двигателя наблюдаем следующую картину. В момент воспламенения горючей смеси (смесь воздуха с распыленным топливом) поршень находится в районе ВМТ. Вектор силы, действующей на головку поршня от сгорающей смеси, направлен от шарнира штока вдоль оси шатуна на шатунную шейку коленвала. Вектор же возможного перемещения этой шатунной шейки направлен перпендикулярно вектору силы, т.е. сила в данный момент не может производить никакой полезной работы. И это при максимальных, пиковых давлениях в цилиндре. При угловом перемещении плеча кривошипа угол отклонения его от линии действия силы α растет от 0^о до 90^о, а вектор силы, производящей полезную работу растет от нуля по синусоидальному закону. К примеру, при 6^о полезная сила составляет 10% от прилагаемой, при 12^о соответственно 20% при 30^о 50% при 45^о 0,7 и так далее. В этой же фазе движения сила трения в шатунной шейке и опорах коленвала по косинусоидальному закону уменьшается от максимальной до минимальной. В конце рабочего хода картина с ростом сил трения и падением отдаваемой полезной работы повторяется.

Необходимо отметить, что вал отбора мощности коленвал несет функцию возврата поршня в исходное положение, т.е. из НМТ в ВМТ для повторения цикла рабочего хода. Других механизмов для этой функции нет. И все вышеперечисленные потери мощности порождены этим совмещением.

Целью изобретения является повышение КПД поршневого двигателя внутреннего сгорания посредством исключения из его схемы кривошипно-шатунного механизма. При этом обеспечение возвратно-поступательного движения поршня со штоком осуществляется устройством возврата поршня в исходное положение, например в виде двух сообщающихся штоковых полостей двух рядом расположенных цилиндров и жидкой среды, находящейся в этих полостях. Снятие усилия со штока осуществляется установленным на нем захватным органом, периодически воздействующим на устройство отбора мощности. Усилие на штоке может быть выходным толкающим усилием двигателя или окружной силой на колесе, создающей крутящий момент на постоянном плече (радиус колеса). В последнем случае захватный орган может быть исполнен, например в виде рейки, соединяющейся со штоком параллелограммной связью и имеющей упор на штоке со стороны поршня.

В результате применения такого устройства КПД двигателя внутреннего сгорания может быть поднят ориентировочно на 5-30% Уменьшится нагрев двигателя из-за резкого уменьшения потерь на трение. Рост КПД может выражаться в поднятии мощности при прежнем расходе топлива или уменьшении расходов топлива.

На чертеже показан предлагаемый двигатель внутреннего сгорания, состоящий из двух цилиндров, механизма возврата поршней в исходное положение и захватного устройства на одном из штоков в контакте с механизмом отбора мощности. Захватное устройство второго штока не показано.

Двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндры 1, каждый из которых включает гильзу цилиндра 2 с устройством газораспределения и подачи топлива 3, поршень 4 со штоком 5. Шток 5 оснащен захватным устройством 6, включающим в себя установленную на параллелограмной связи зубчатую рейку 7. Параллелограмная связь включает в себя два стержня 8 и 9, соединяющиеся с шатуном и рейкой осями 10 и 11. Рейка 7 в момент входа в зацепление с шестерней отбора мощности 12 через стержень 8 упирается в уступ 13 штока 5. Гильза цилиндров 2 и поршень 4 со штоком 5 образуют бесштоковую 14 и штоковую 15 полости. Штоковые полости 15 двух цилиндров соединены трубопроводом 16, который может проходить через радиатор 17.

Устройство работает следующим образом. Рассмотрим работу дизеля. Принимаем, что в начальный момент поршень 4 находится в верхнем положении (около механизма газораспределения 3), клапаны механизма 3 закрыты, рабочий объем воздуха в бесштоковой полости 14 сжат и имеет температуру, достаточную для воспламенения топлива, рейка 5 не входит в зацепление с шестерней отбора мощности 12 и висит на стержнях 8 и 9 в нижнем положении.

При впрыске топлива механизмом 3 в бесштоковую полость 14, оно воспламеняется. Процесс сгорания топлива сопровождается резким повышением давления в бесштоковой полости 14, приводящем в движение поршень 4 со штоком 5 и захватным устройством 6. Зуб рейки 7 упирается в боковую поверхность зуба шестерни отбора мощности 12 и продолжает двигаться в контакте с ней. Шток 5, имеющий значительно большую скорость движения, чем рейка 7, перемещает оси 10 вперед до утыкания стержня 8 в уступ 13. С этого момента и до конца хода поршня 4 (нижнее, наиболее удаленное от механизма газораспределения 3 положение поршня) вся энергия сгорающего топлива преобразуется в окружное усилие шестерни отбора мощности.

В нижнем положении поршень 4 со штоком 5 останавливаются, а шестерня отбора мощности 12 под действием получившего во время рабочего хода энергию маховика продолжает вращаться. Зубья шестерни 12 продолжают перемещать рейку 7 по направлению окружной силы. Рычаги 8 и 9 начинают вращаться вокруг неподвижных осей 10, а оси 11, описывая траекторию окружности вокруг осей 10, выводят рейку 7 из зацепления. Тот же механизм вывода рейки из контакта с шестерней работает и при ходе поршня 4 со штоком 5 в верхнее положение (около механизма газораспределения 3).

При движении поршня 4 со штоком 5 из верхнего положения в нижнее под действием давления в бесштоковой полости 14 рабочая жидкость, которая заполняет штоковые полости 15, начинает переливаться по трубопроводу 16 из штоковой полости совершающего рабочий ход цилиндра в штоковую полость цилиндра, уже закончившего рабочий ход, что приводит к перемещению поршня со штоком второго цилиндра из нижнего положения в верхнее.

В начальный период перемещения поршня 4 из нижнего положения в верхнее открываются продувочные клапаны механизма газораспределения и продукты сгорания выходят из бесштоковой полости 14 в атмосферу. По известным закономерностям двухтактных ДВС при открытых клапанах выпуска продуктов сгорания механизма газораспределения 3 открываются клапана впуска свежего воздуха. Свежий воздух, поступающийся в бесштоковую полость 14, вытесняя продукты сгорания, заполняет ее объем, после чего впускные и выпускные клапана закрываются. Поршень, двигаясь в верхнее положение, сжимает замкнутый объем воздуха, подготавливая его к новому циклу. При поднятии поршня к механизму газораспределения 3 цилиндр 1 приходит в исходное положение и при впрыске топлива совершает новый рабочий ход.

Рабочая жидкость штоковых полостей 15 при перетекании по трубопроводу 16 может отдавать часть тепла (охлаждаться) при прохождении радиатора 17.

Использование: автомобилестроение, в частности двигатели внутреннего сгорания. Сущность изобретения: зубчатая рейка 7 связана со штоком 5 посредством рычагов 8 и 9, образующих параллелограммную связь захватного органа. При рабочем ходе поршня 4 шток 5 взаимодействует закрепленным на нем упором 13 захватным органом, а последний вращает зубчатое колесо отбора мощности 12. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр, установленный в нем поршень со штоком, захватный орган, выполненный в виде зубчатой рейки, на которой шарнирно закреплены концы рычагов параллелограммной связи, зубчатое колесо отбора мощности, упор и механизм возврата поршня в исходное положение, отличающийся тем, что другие концы рычагов параллелограммной связи шарнирно закреплены непосредственно на штоке, а зубчатая рейка размещена с возможностью взаимодействия с зубчатым колесом отбора мощности, при этом упор жестко закреплен на штоке с возможностью взаимодействия с захватным органом. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен вторым цилиндром, а механизм возврата поршня в исходное положение выполнен в виде соединенных посредством дополнительно введенного трубопровода штоковых полостей двух цилиндров. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что зубчатое зацепление рейки с колесом отбора мощности выполнено эвольвентным.