ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ПРОДЛЕННЫМ ТАКТОМ РАБОЧЕГО ХОДА Российский патент 1996 года по МПК F02B75/04 F02B75/32 F02B41/02 F02D15/02 

Изобретение относится к двигателестроению.

В существующих поршневых двигателях внутреннего сгорания только 25% тепла превращается в полезную работу. С отработавшими газами уносится в атмосферу примерно 33% тепла. Температура отработавших газов в конце такта рабочего хода перед открытием выпускного клапана около 900^оС и давление до 4 кг/см².

Известен кривошипно-шатунный механизм двигателя внутреннего сгорания с продолженным расширением, содержащий шатун, связанный с поршнем, размещенном в цилиндре двигателя, два коленчатых вала: быстроходный и тихоходный, связанные зубчатой передачей, причем частота вращения быстроходного вала вдвое больше частоты вращения тихоходного, и рычаги, связанные с обоими валами и шатуном при помощи шарнирных соединений с целью обеспечения возможности форсирования двигателя по частоте вращения валов коленчатые валы смещены относительно оси цилиндра и быстроходный вал расположен над тихоходным, а рычаг, связанный с тихоходным валом, соединен с шатуном через рычаг быстроходного вала, причем центры шарнирных соединений последнего рычага с шатуном, рычагом тихоходного вала и быстроходным валом образуют треугольник (см. авторское свидетельство СССР N 968496, кл. F 02 B 41/04, 1982).

Недостатком известного кривошипно-шатунного механизма является его сложность в изготовлении. Такой сложный многозвенный механизм с наличием массивных деталей, совершающих движение в разных направлениях во время работы, очень трудно отбалансировать. С целью балансировки необходимо вводить дополнительные устройства, а это значительно увеличит габариты и вес двигателя.

Следовательно, положительный эффект, полученный вследствие применения продленного такта расширения, будет полностью поглощен затратами на производстве двигателей и работу дополнительных механизмов.

Целью изобретения является повышение производительности поршневых двигателей внутреннего сгорания, значительное уменьшение удельного расхода топлива и снижение в несколько раз токсичности отработавших газов за счет полного сгорания топлива в цилиндрах двигателя.

Это решается тем, что двигатель внутреннего сгорания с продленным тактом рабочего хода содержит по меньшей мере один поршень, связанный шатуном с коленчатым валом, и синхронизирующий вал с шестернями, причем двигатель снабжен кривошипами с наружными зубчатыми венцами и с зубчатыми венцами внутреннего зацепления, закрепленными на щеках кривошипов, и по меньшей мере парой шатунных шестерен, жестко связанных с нижней головкой шатуна, причем коленчатый вал установлен на подшипниках в кривошипах с возможностью взаимодействия шатунных шестерней с зубчатыми венцами внутреннего зацепления с передаточным отношением, равным 1:2, а наружные зубчатые венцы выполнены с возможностью взаимодействия с шестернями синхронизирующего вала.

На фиг. 1 указана кинематическая схема одной секции кривошипно-шатунного механизма предложенного двигателя внутреннего сгорания с продленным тактом рабочего хода; на фиг. 2 рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания с продленным тактом рабочего хода; на фиг. 3 компоновка одной секции кривошипно-шатунного механизма в предложенном двигателе внутреннего сгорания с продленным тактом рабочего хода (продольный разрез).

В картере двигателя 1 (фиг. 3) на подшипниках 2 и 3 смонтированы кривошипы 4, имеющие на щеках наружные зубчатые венцы 5, которые входят в зацепление с шестернями синхронизирующего вала 7.

Коленчатый вал 8 смонтирован в кривошипах 4 на подшипниках 9. В нижней головке шатуна 10 неподвижно по отношению к шатуну закреплены шатунные шестерни 11, входящие в зацепление с зубчатыми венцами внутреннего зацепления 12, закрепленными на щеках кривошипов 4. Передаточное отношение шатунных шестерен 11 с зубчатыми венцами внутреннего зацепления 12 равно 1:2.

Шатун 13 соединен с шатунной шейкой 14 коленчатого вала 8 при помощи подшипника 15. Поршень 16 соединен с верхней головкой шатуна через поршневой палец.

На фиг. 3 показана конструкция кривошипно-шатунного механизма одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания с продленным тактом рабочего хода, но возможны варианты конструкции и многоцилиндровых двигателей.

Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания с продленным тактом рабочего хода осуществляется за два оборота коленчатого вала, соответствующих четырем ходам поршня (фиг. 2), за то же время кривошипы делают один оборот вокруг своей оси.

В начале такта впуска поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ). В процессе такта впуска кривошипы 4, повернувшись на 90^о вокруг своей оси, через зубчатые венцы внутреннего зацепления 12 и шатунные шестерни 11, поворачивают коленчатый вал на 180^о, поршень достигает первой нижней мертвой точки (НМТ-1). Далее кривошипы 4, поворачиваясь вокруг своей оси еще на 90^о, заставляют коленчатый вал 8 повернуться на 180^о, поршень поднимается до ВМТ, совершая сжатие рабочей смеси.

Около ВМТ рабочая смесь в цилиндре воспламеняется, начинается сгорание. Под давлением рабочих газов поршень движется вниз, совершая полезную работу, и доходит до второй нижней мертвой точки (НМТ-2). Затем кривошипы 4, повернувшись на четверть оборота вокруг своей оси по инерции, поворачивают коленчатый вал 8 на 180^о, поршень движется вверх до ВМТ, происходит выпуск отработавших газов.

Рабочий цикл завершается.

Продление такта рабочего хода, достигаемое предложенной конструкцией, в сочетании с современными способами образования рабочей смеси, имеет по сравнению с известными двигателями внутреннего сгорания следующие преимущества:
максимальное наполнение цилиндров рабочей смесью за счет снижения скорости вращения коленчатого вала;
полное сгорание топлива за счет увеличения хода поршня и продления расширения;
снижение давления и температуры отработавших газов;
повышение экономичности двигателя на 40-50% за счет сокращения потерь тепла с отработавшими газами;
снижение токсичности отработавших газов в 5-6 раз за счет полного сгорания топлива в цилиндрах;
использование топлива, не содержащего ядовитые присадки за счет уменьшения степени сжатия.

Использование: область двигателестроения. Сущность изобретения: двигатель внутреннего сгорания с продленным тактом рабочего хода содержит по меньшей мере один поршень 16, связанный шатуном 13 с коленчатым валом 8, и синхронизирующий вал 7 с шестернями. Кривошипы 4 выполнены с наружными зубчатыми венцами 5 и с зубчатыми венцами 12 внутреннего зацепления, закрепленными на щеках кривошипов. Пара шатунных шестерен 11 жестко связана с нижней головкой шатуна 13. Коленчатый вал 8 установлен на подшипниках в кривошипах 4 с возможностью взаимодействия шатунных шестерен 11 с зубчатыми венцами 12 внутреннего зацепления с передаточным отношением, равным 1 : 2, а наружные зубчатые венцы 5 выполнены с возможностью взаимодействия с шестернями синхронизирующего вала 7. 3 ил.

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ПРОДЛЕННЫМ ТАКТОМ РАБОЧЕГО ХОДА, содержащий по меньшей мере один поршень, связанный шатуном с коленчатым валом, и синхронизирующий вал с шестернями, отличающийся тем, что двигатель снабжен кривошипами с наружными зубчатыми венцами и зубчатыми венцами внутреннего зацепления, закрепленными на щеках кривошипов, и по меньшей мере парой шатунных шестерен, жестко связанных с нижней головкой шатуна, причем коленчатый вал установлен на подшипниках в кривошипах с возможностью взаимодействия шатунных шестерен с зубчатыми венцами внутреннего зацепления с передаточным отношением, равным 1 : 2, а наружные зубчатые венцы выполнены с возможностью взаимодействия с шестернями синхронизирующего вала.