СПАРЕННЫЙ ДВУХ-ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ КЛИМОВА Российский патент 1997 года по МПК F02B75/02 F02B75/04 

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания, и может использоваться как двигатель в наземном, воздушном и морском транспорте.

Известны двух-, четырехтактные двигатели с общей камерой сгорания с двумя коленчатыми валами, связанными передачей 1:2, где объем двухтактного цилиндра отличается от объема четырехтактного цилиндра, камера сгорания занимает рабочий объем двухтактного цилиндра, кривошип одного из цилиндров сдвинут на угол 46-85^o относительно другого кривошипа (патент США N 2369738, кл. 123-78 за 1945 г, патент США N 2937630, кл.123-53, 1960 г. а.с. СССР N 1229397, м.кл. F 02 B 75/04, 1981 г.).

Известна конструкция двух-, четырехтактного двигателя с двумя коленчатыми валами, соединенными передачей 1:2 с впускным клапаном в общей камере сгорания, объем двухтактного цилиндра, в стенке которого расположено выпускное окно, больше объема четырехтактного цилиндра, общий объем расширения больше, чем объем сжатия, оба кривошипа в начале такта "рабочий ход" установлены в свои вмт (патент США N 2937630, м.кл.123-53, 1960 г.).

Недостатком прототипа является то, что понижен крутящийся момент на валу двигателя из-за снижения среднего эффективного давления в такте "расширение" и возникновения противодавления на поршень четырехтактного цилиндра после своей нмт. Отсутствие возможности горения топлива при постоянном объеме, время сжатия объема в прямом цикле равно времени расширения до того же объема в обратном цикле. Уменьшен общий объем расширения. Эти факторы приводят к увеличению среднего расхода топлива на одну л•с./ч.

Целью изобретения является повышение КПД и экономичности за счет подвода теплоты при постоянном объеме, увеличения среднего эффективного давления при расширении, что увеличит крутящий момент на валу двигателя и его мощность, использования энергии окружающего тепла, заключенную в цилиндре, за счет изменения времени прямого и обратного цикла в такте "сжатия и расширения".

Для осуществления этой цели кривошип четырехтактного поршня устанавливается в свою вмт в начале такта "рабочий ход", а кривошип двухтактного поршня устанавливается на угол 45^o или близкий к нему от своей вмт с опережением четырехтактного. Диаметры цилиндров, как и ход поршней, от вмт до нмт равны, т.е. объемы цилиндров равны или могут незначительно на 5-10% отличаться друг от друга. Камера сгорания занимает рабочую часть объема цилиндров, а поршни при работе двигателя поочередно заходят в общую камеру сгорания.

На фиг. 1 изображена схема конструкции двигателя с наклоненными друг к другу цилиндрами, на фиг.2-6 вариант дизельного двигателя с вертикально расходящимися поршнями с различным положением кривошипов для каждого такта, на фиг. 7 -график изменения объема за время тактов "сжатия и расширения", на фиг. 8 график изменения давления по времени за такты "сжатия и расширения", на фиг.9 график изменения энтропии по времени, на фиг.10 график, показывающий постоянство объема по углу поворота кривошипов в конце такта "сжатие", на фиг. 11 график изменения объема за полный рабочий цикл по углу поворота крвошипа двухтактного поршня, на фиг.12 график изменения давления с подводом тепла с последующим расширением.

Двигатель состоит из цилиндров 1, общей камеры сгорания 2, занимающей рабочие объемы цилиндров, цилиндры выполнены равного диаметра, рабочие ходы поршней от в.м.т. до н.м.т. равны, впускного клапана 3, выпускного (продувочного) окна 4, поршня 5, работающего по двухтактному циклу, поршня 6, работающего по четырехтактному циклу, шатунов 7 и 8, приводящих поршни в движение через кривошипы коленчатых валов 9 и 10, связанных между собой передачей 1: 2 через шестерни (маховики) 11 и 12. Кривошип 10 четырехтактного поршня установлен в свою вмт, при этом его поршень частично занимает объем камеры сгорания, а кривошип 9 двухтактного поршня установлен с опережением на угол 45^o или близкий к нему от своей вмт (фиг. 1).

Двигатель работает следующим образом.

На фиг. 2 показано положение поршней и кривошипов перед началом такта "сжатие", клапан 3 закрыт, окно 4 закрыто стенкой поршня 5. Кривошип 9 двухтактного поршня 5 (далее кпд) не доходит до своей вмт 50-55^o, соответственно и кривошип 10 четырехтактного поршня 6 (далее кчп) отошел от своей вмт на 160-170^o.

На фиг.7, 8, 9, 11, 12 это начало показано точкой 1. На фиг.7 по верхней линии цифры означают угол поворота кдп, а по нижней соответствие этому углу, угол поворота кчп.

Затрачивая энергию на поднятие температуры и давление газов в цилиндре, кдп, повернувшись на 50^o, займет свою вмт, при этом верхняя часть поршня зайдет в общую камеру сгорания, соответственно и кпч в этот момент не дойдет до своей вмт 90^o. Дальнейшее сжатие идет за счет кчп до точки 1 (фиг. 10), повернувшись на 70^o. Соответственно и кдп за это время отойдет на 35^o и будет находиться в точке 2. Такое положение кривошипов соответствует минимальному расстоянию между поршнями и максимальному сжатию (фиг.3). На фиг.7 уменьшение объема показано по линии 1, 2, за время которого изменился объем с V₁ до V₂. На фиг.8, 9 этот процесс показан по линии (адиабате) 1, 2, по которой увеличивается давление с P₁ до P₂ и температура с T₁ до T₂.

Дальнейший процесс перемещения поршней и кривошипов происходит при постоянном объеме давления и температуре (изобаре и изотерме) по линии 2, 3 (фиг. 7, 8, 9). Это связано с тем, что при подходе к своей вмт кпч, перемещаясь по линии 1, 4 с 20 до 10 (фиг.10), уменьшит объем в общей камере сгорания с V₁ до V₄, однако и кпд, перемещаясь по линии 2, 3 с 35^o до 40^o от своей вмт увеличит объем в этой же камере сгорания с V₂ до V₃ точно на такую же величину. В точке 5, когда кпд переместится на 45^o от своей вмт, кчп займет свою вмт, при этом его поршень частично займет объем общей камеры сгорания (фиг.1) с незначительным увеличением объема за счет поршня 5, продолжающего движение к своей нмт.

Начался процесс расширения, который происходит быстрее, чем сжатие и на других углах поворота кривошипов. Расширяясь по линии 3, 4, 5 (фиг.7, 8, 9), происходит увеличение объема и падение давления с P₂ до P₃ и температуры тела с T₂ до T₃, при этом в точке 4 параметры тела будут соответствовать первоначальным параметрам сжатия точки 1. Такое положение кривошипов показано на фиг.4.

Горение, или подвод тепла, лучше осуществлять в тоске 2 (фиг.12), тогда горение будет идти при постоянном объеме по пунктирной линии 2, 4 (по изохоре при наименьшей теплоемкости газа), повышая температуру и давление с P₂ до P₃ с последующим расширением по пунктирной линии (адиабате) 4, 5. В конце такта "рабочий ход" в точке 5 двухтактным поршнем открывается окно 4, кчп займет свою нмт, и начинается такт "выпуск" (фиг.5). При выпуске газов кчп перемещается к своей вмт, при этом ходе открывается клапан 3 и совместно с выталкиванием осуществляется продувка цилиндра через клапан 3 в окно 4. Когда кчп будет в вмт, поршень 5 вновь закроет окно 4 и начинается такт "всасывание" (фиг.6). За это время поршень 6 увеличивает объем быстрее, чем идет его уменьшение за счет поршня 5, перемещающегося в этот момент к своей вмт, и когда кчп не дойдет до своей вмт 55^o, закрывается клапан 3 и цикл повторяется. На фиг.11 показан график изменения объема за полный рабочий цикл по углу поворота кдп, кчп за это время совершит два оборота. По линии 1, 2 "сжатие", в точке 2 подвод тепла (горение), по линии 2, 1/1, 3 после горения топлива "рабочий ход", 3, 4 "выпуск" с продувкой, 4, 1/2 "всасывание", и цикл повторяется. Наилучший процесс горения топлива подбирается правильной установкой угла опережения зажигания, более позднее зажигание приводит к горению топлива по изобарному процессу.

Применение в моторостроении принципиально нового технического решения, заключающегося в особом расположении кривошипно шатунного механизма позволяет во время работы в каждом такте расширения получать большую мощность, чем мощность, которая была затрачена на сжатие, даже без подвода топлива. Это связано с тем, что отрицательная работа, затраченная на сжатие для повышении энергии с T₁ до T₂ при расширении, совершая положительную работу, уменьшит температуру тела (газа) с T₂ до T₁ за меньшее время, чем то, которое было затрачено на сжатие, а за то же время поворота кривошипов параметры в цилиндре при расширении станут ниже первоначальных, т.е. происходит изменение энтропии по времени с величины S₁ до S₂ (фиг.9), что понижает энергию окружающего тепла, заключенную в цилиндре с T₁ до T₃.

Изобретение позволяет производить горение топлива при постоянном объеме (по изохорному процессу) путем правильной установки угла опережения зажигания или впрыска топлива через форсунку в дизельном варианте.

Увеличится общий объем расширения, что приведет к снижению температуры газов, понижая их токсичность на выпуске.

Все эти факторы позволяют значительно снизить удельный расход топлива на 1 л.с./ч, причем с увеличением крутящего момента на валу двигателя, что позволит ему работать даже при малых оборотах. Поднимется КПД двигателя.

Использование: в двигателестроении, а именно в двигателях внутреннего сгорания. Сущность изобретения: спаренный двух- четырехтактный двигатель содержит двухтактный и четырехтактный цилиндры с общей камерой сгорания, впускным клапаном, выпускное окно, расположенное в стенке двухтактного цилиндра, два коленчатых вала, приводящих в движение поршни, связанных между собой передачей 1:2, кривошип четырехтактного цилиндра установлен с поршнем в верхнюю мертвую точку, а кривошип с поршнем двухтактного цилиндра установлен с опережением четырехтактного на угол 45^o или близкий к нему от своей верхней мертвой точки, при этом рабочие объемы цилиндров равны, поршень четырехтактного цилиндра установлен верхней частью в общей камере сгорания. 3 з.п.ф-лы. 12 ил.

1. Спаренный двух-четырехтактный двигатель, содержащий двухтактный и четырехтактный цилиндры, имеющие общую камеру сгорания с впускным клапаном, в стенке двухтактного цилиндра расположено выпускное окно, два коленчатых вала, приводящих поршни в движение и связанных между собой передачей 1:2, отличающийся тем, что кривошип четырехтактного цилиндра установлен с поршнем в свою верхнюю мертвую точку, а кривошип с поршнем двухтактного цилиндра установлен с опережением четырехтактного на угол 45^o или близкий к нему от своей верхней мертвой точки. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что рабочие объемы цилиндров равны. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что камера сгорания установлена в рабочем объеме двухтактного и четырехтактного цилиндров. 4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что поршень четырехтактного цилиндра его верхней частью установлен в общей камере сгорания.