ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02B59/00 F02B75/36 

Изобретение относится к области машиностроения, и в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС).

Известны различные типы ДВС поршневые, роторные и турбинные. Благодаря относительной простоте и эффективности доминирующее применение нашли поршневые двигатели внутреннего сгорания.

По типу рабочего цикла поршневые двигатели бывают четырехтактные и двухтактные. Двухтактные двигатели обладают потенциально более высоким коэффициентом полезного действия (КПД), но лишь недавно это удалось реализовать на практике.

Известен дизель, предназначенный для работы в качестве судового дизеля (Справочник "Дизели", под общей редакцией В.А. Ваншейдта, Н.Н. Иванченко, Л. К. Коллерова, Ленинград, "Машиностроение", Ленинградское отделение, 1977, стр. 16, 18, рис. 6). Дизель является двухтактным, двухрядным, с противоположным движением поршней, с прямоточнощелевой продувкой. Известный дизель содержит четыре коленчатых вала с шатунами, выполненными из легированной стали. Поршни состоят из чугунного тронка и стальной цилиндрической вставки, головка поршня хромированная.

Из-за наличия в известном поршневом двигателе кривошипно-шатунного механизма ему присущи следующие недостатки.

Во-первых, при отклонении шатуна от оси цилиндра возникает характерная боковая сила трения поршня о цилиндр. В результате в зоне больших значений плеча коленчатого вала снижается крутящий момент, происходит нагрев двигателя и характерный износ поршня и цилиндра. Для уменьшения этих негативных последствий прибегали к увеличению длины шатуна, но это приводило к увеличению габаритов и веса двигателя.

Во-вторых, наличие линейного возвратно-поступательного перемещения поршня и связанной с ним части шатуна приводит к вибрациям двигателя, вызванных изменением центра тяжести, и к инерционным потерям.

В-третьих, медленное нарастание (убывание) плеча коленчатого вала при его повороте в области верхней мертвой точки (ВМТ) приводит к неэффективным процессам сжатия и преобразования силы давления газов в цилиндре в крутящий момент, когда эта сила достигает своего максимального значения. Скорость нарастания плеча можно увеличить за счет укорачивания длины шатуна. Однако это приведет к усилению первого недостатка. На практике длина шатуна составляет 3,5 4,5 радиуса коленчатого вала.

Указанные недостатки кривошипно-шатунного механизма отрицательно влияют на КПД двигателя, который составляет не более 20%
Неоднократные попытки создания безшатунных ДВС до сих пор не имели успехи из-за их сложности.

Настоящее изобретение направлено на создание принципиально нового ДВС, в котором отсутствуют шатуны и поршни. Новый двигатель, согласно изобретению, позволяет устранить все вышеуказанные недостатки и значительно повысить КПД.

Поставленная задача достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, содержащем картер, в котором установлены два коленчатых вала и цилиндр с отверстиями, цилиндр выполнен с изменяемыми длиной и внутренним объемом и имеет на своих торцах головки, которые закреплены на наружных шейках коленчатых валов.

Цилиндр соединен с картером с двух сторон по оси, проходящей параллельно осям коленчатых валов и по середине прямой, соединяющей эти оси. При этом цилиндр может быть соединен с картером при помощи цилиндрических выступов.

Коленчатые валы могут быть выполнены пустотелыми, и в их наружных шейках имеются отверстия для впуска и/или выпуска.

Цилиндр можно изготовить телескопической конструкции.

Кроме того, в цилиндре можно выполнить:
в его головках отверстия для впуска и/или выпуска;
в его боковых стенках отверстия для впуска;
в местах его соединения с картером отверстия для впрыска топлива и/или отверстия для свечей зажигания.

Цилиндр можно изготовить из материала с низкой теплопроводностью.

Дополнительно внутри коленчатых валов и головок цилиндра устанавливают завихрители газового потока.

На фиг. 1 изображен вариант исполнения двигателя согласно изобретению; на фиг. 2 диаграмма, показывающая рабочий цикл двигателя.

Двигатель, согласно изобретению, содержит картер 1, два коленчатых вала 2 и 3, расположенных параллельно, и цилиндр 4. Оба коленчатых вала выполнены пустотелыми и вращаются в одну сторону в противофазе и с одинаковыми скоростями. У коленчатых валов имеются внутренние 5 и наружные 6 шейки с одинаковыми внутренними и внешними диаметрами. Коленчатые валы связаны друг с другом известным способом. Цилиндр 4 закреплен подвижно на наружных шейках 6 коленчатых валов 2 и 3 и выполнен с изменяемой длиной и внутренним объемом, например в виде телескопической конструкции. Цилиндр содержит один наружный цилиндрический элемент 7 и парный набор 8 внутренних цилиндрических элементов. Наружный цилиндрический элемент 7 снабжен двумя цилиндрическими выступами 9 для крепления с картером, расположенными симметрично с двух сторон цилиндра на оси, проходящей параллельно осям коленчатых валов, и по середине прямой, соединяющей эти оси. В наружных шейках 6 коленчатых валов имеются отверстия (не показаны). На торцах цилиндра установлены головки, состоящие из внутренней 10 и внешней 11 частей. Внутренняя часть 10 содержит отверстие 12. Цилиндр выполнен из материала с низкой теплопроводностью, например из керамики.

Двигатель согласно изобретению работает следующим образом.

Как показано на фиг. 2, в исходном положении в ВМТ давление в цилиндре определяется практически степенью сжатия и исходным давлением поступающей гомогенной рабочей смеси. Сжатие происходит столь стремительно, а состав топлива так подобран, что происходит тепловой взрыв всей гомогенной рабочей смеси. Однако этот взрыв имеет задержку начала и конечную протяженность. В результате максимум давления наступает при повороте коленвалов на угол α например около 20^oC. В этот момент плечо коленвалов имеет не менее 0,8 своего максимального значения. Максимальное значение плеча достигается при повороте коленвалов на 45^oC. Фаза "расширение" завершается в точке А, не доходя до нижней мертвой точки (НМТ) на 20 40^o.

Далее отверстия в наружных шейках 6 коленчатых валов 2 и 3 совмещается с отверстиями 12 во внутренних частях 10 головок цилиндра и начинается фаза "продувка".

По одному из коленчатых валов или через отверстия в боковых стенках цилиндра (не показаны) под некоторым давлением подается гомогенная рабочая смесь. По другому валу производится отсос отработавших газов. Для уменьшения аэродинамического сопротивления канала, лучшего охлаждения внутренней поверхности цилиндра и гомогенизации рабочей смеси газовому потоку придают вращение, например при помощи завихрителей газового потока, устанавливаемых внутри коленчатых валов и головок цилиндра. Фаза "продувка" завершается в точке В за 60 80^o до ВМТ. Отверстия на наружных шейках 6 коленчатых валов смещаются относительно отверстий 12 во внутренних частях 10 головок цилиндра.

Фаза "сжатие" производится без принудительного зажигания. Скорость нарастания плеча коленчатых валов в области ВМТ превосходит скорость обычных ДВС примерно в 5 раз. Это приближает процесс сжатия в данном двигателе к идеальному адиабатическому процессу. При выборе степени сжатия 20 и более, температура рабочей смеси в конце фазы "сжатие" будет около 1000^oC, что дает гарантированное зажигание рабочей смеси с высокой стабильности и малой задержкой. Далее процесс повторяется.

Обороты ДВС согласно изобретению можно регулировать путем дросселирования входного и выходного потоков и изменения количества и состава впрыскиваемого топлива.

В данном двигателе практически отсутствует сила бокового трения, поэтому сила давления газов всегда полностью прикладывается к наружной шейке коленчатого вала.

Кроме того, отсутствует линейное возвратно-поступательное движение поршневой группы. Двигатель не имеет инерционных потерь при увеличении числа оборотов. Нет изменений центра тяжести двигателя, а следовательно нет вибраций. При этом скорость изменения плеча коленчатого вала увеличилась примерно в 5 раз. При дальнейшем сближении коленчатых валов этот показатель будет расти теоретически до бесконечности.

Таким образом, двигатель согласно изобретению является тепловой машиной, способной обеспечить адиабатической процесс сжатия и расширения, а также сгорания топлива практически при постоянном объеме. При этом возросшие динамические нагрузки не опасны, так как скорость нарастания силы давления газов соответствует скорости нарастания способности ее преобразовывать в крутящий момент.

Этот двигатель по своей природе (теплового взрыва) является высокооборотным. Однако, он может работать и по традиционной схеме с предварительным зажиганием и постепенным горением. В этом случае могут быть использованы места соединения цилиндра с картером для впрыска топлива или установки свечей зажигания через специальные отверстия.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: двигатель внутреннего сгорания содержит картер 1, в котором установлены два коленчатых вала 2 и 3. Цилиндр 4 выполнен с изменяемыми длиной и внутренним объемом и имеет на своих торцах головки, с помощью которых он установлен на наружных шейках 6 коленчатых валов 2 и 3. 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ддигатель внутреннего сгорания, содержащий картер, в котором установлены два коленчатых вала, цилиндр с отверстиями, отличающийся тем, что цилиндр выполнен с изменяемыми длиной и внутренним объемом и имеет на своих торцах головки, которыми закреплен на наружных шейках коленчатых валов. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что цилиндр соединен с картером с двух сторон по оси, проходящей параллельно осям коленчатых валов, и по середине прямой, соединяющей эти оси. 3. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что цилиндр соединен с картером при помощи цилиндрических выступов. 4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что коленчатые валы выполнены пустотелыми и в их наружных шейках имеются отверстия для впуска и/или выпуска. 5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что цилиндр выполнен в виде телескопической конструкции. 6. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в головках цилиндра имеются отверстия для впуска и/или выпуска. 7. Двигатель по пп. 1, 4 и 5, отличающийся тем, что в боковых стенках цилиндра имеются отверстия для впуска. 8. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в местах соединения цилиндра с картером выполнены отверстия для впрыска топлива. 9. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в местах соединения цилиндра с картером имеются отверстия для свечей. 10. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что цилиндр выполнен из материала с низкой теплопроводностью. 11. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что внутри коленчатых валов и головок цилиндра установлены завихрители газового потока.