ДВИГАТЕЛЬ-КОМПРЕССОР Российский патент 1998 года по МПК F04B41/04 

Известно устройство [4] , представляющее собой двигатель с воздушным охлаждением и попарным оппозитным расположением четырех цилиндров. Два из четырех цилиндров двигателя конвертированы для работы в компрессорном режиме.

Каждый конвертированный цилиндр имеет поршень, соединенный шатуном с общим коленвалом, и головку цилиндра, в выпускном канале которой установлен подпружиненный самодействующий выпускной клапан, а во впускном канале - подпружиненный самодействующий впускной клапан.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство [3] - компрессор для получения сжатого воздуха.

Компрессор содержит блок цилиндров с поршнями, которые шатунами соединены с коленчатым валом, головку цилиндров с впускными и выпускными каналами и размещенными в них впускными и выпускными клапанами рабочих цилиндров двигателя, управляемыми кулачками на распределительном валу, приводящемся от коленчатого вала понижающей передачей с передаточным отношением 2:1, при этом выпускные каналы соединены коллектором с выхлопной трубой, а впускные каналы - с впускным коллектором и устройством для подачи топлива, а также вставку, содержащую дисковый клапанный элемент с двумя самодействующими клапанами для каждого из цилиндров, конвертированных для работы в компрессорном режиме, через которые воздух всасывается по впускным каналам и под давлением по выпускным каналам подается в коллектор для сжатого воздуха.

Недостатком известных устройств является следующее.

Самодействующие впускные клапаны, используемые в этих устройствах, ограничивают их быстроходность своим высоким газодинамическим сопротивлением из-за ограниченного хода подвижного или упругого элемента и низкой надежностью при повышенных частотах вращения. По данным [7, 8] самодействующие впускные клапаны эффективны при частотах вращения коленчатого вала до 2000 об/мин и средних скоростях поршня до 5 м/с.

В силу изложенного, конвертирование быстроходных автомобильных четырехтактных бензиновых двигателей, имеющих максимальную топливную эффективность при частотах вращения коленчатого вала 3000 - 4000 об/мин, с использованием известных устройств не обеспечивает эффективного использования их потенциальных энергетических возможностей.

Целью изобретения является повышение производительности и эффективности двигателей - компрессоров, конвертированных из быстроходных четырехтактных автомобильных двигателей.

Указанная цель достигается тем, что во впускном канале головки цилиндра, конвертированного для работы в компрессорном режиме, размещен впускной клапан, управляемый последовательно двумя кулачками на распределительном валу, общем с рабочими цилиндрами двигателя и приводящемся от коленчатого вала понижающей передачей с передаточным отношением 2 : 1.

Для обеспечения совершения рабочего цикла в конвертированном цилиндре при каждом обороте коленчатого вала кулачки на распределительном валу, управляющие его впускным клапаном, расположены оппозитно, т.е. со взаимным угловым смещением на 180^o. Такое решение обеспечивает снижение потерь давления в процессе всасывания, что обеспечивает высокий коэффициент наполнения цилиндра и, как следствие, высокую производительность и эффективную работу двигателя-компрессора.

На фиг. 1 представлена схема двигателя; на фиг. 2 - головка конвертированного цилиндра; на фиг. 3 приведена фотография (общий вид) опытного образца двигателя-компрессора.

Двигатель-компрессор (фиг. 1) состоит из блока цилиндров 1 и головки цилиндров 2. В блоке цилиндров размещены поршни 3, соединенные шатунами 4 с коленчатым валом 5. В головке цилиндров размещены: распределительный вал 6, коромысла 7, впускной 8 и выпускной 9 клапаны соответственно во впускном 10 и выпускном 11 каналах головки. Распределительный вал приводится во вращение понижающей передачей (не показана) с передаточным отношением 2:1.

Один или несколько цилиндров конвертированы для работы в компрессорном режиме. Головка конвертированного цилиндра (фиг. 2) имеет во впускном канале клапан 12 с пружиной 13, тарелкой 14 и сухарями 15. Клапан контактирует с седлом 16 и направляющей втулкой 17. Коромысло, установленное на оси 18, имеет на одном конце регулировочный винт 19 с контрогайкой 20, а другим концом контактирует с кулачками 21 и 22 на распределительном валу. В выпускном канале головки на направляющей 23 размещен самодействующий клапан 24 с пружиной 25. Направляющая 23 установлена в головке с помощью втулки 26 и гаек 27. Выпускные каналы головки соединены коллектором с ресивером (не показаны), в котором поддерживается постоянное давление сжатого воздуха.

Работа двигателя-компрессора заключается в следующем.

Рабочие цилиндры двигателя работают по четырехтактному циклу и их поршни 3 с помощью шатунов 4 вращают коленчатый вал 5, с помощью которого перемещаются поршни 3 в конвертированных цилиндрах. По мере движения поршня в конвертированном цилиндре вниз из верхней мертвой точки в цилиндре образуется камера переменного объема, в которой расширяется воздух из невытесняемого объема цилиндра; одновременно поворачивается распределительный вал 6 и кулачком 21 с помощью коромысла 7 открывает клапан 12 во впускном канале 10 головки цилиндра. Воздух поступает в цилиндр. При достижении поршнем 3 нижней мертвой точки происходит закрытие клапана 12 и начинается процесс сжатия. Поршень 3 движется вверх из нижней мертвой точки. Когда усилие на самодействующий клапан 24 от давления воздуха в цилиндре превысит усилие от пружины 25 и от давления воздуха в выпускном канале 11, произойдет его открытие и сжатый воздух поршнем будет вытесняться по выпускному каналу в ресивер. При достижении поршнем 3 верхней мертвой точки перепад давления воздуха на самодействующем выпускном клапане 24 упадет до нуля и он под действием усилия пружины 25 закроется. При этом в цилиндре останется невытесняемый объем сжатого воздуха. Таким образом, за один оборот коленчатого вала (360^o) в конвертированном цилиндре совершается полный рабочий цикл компрессора, распределительный вал при этом поворачивается на 1/2 оборота (180^o). При следующем повороте коленчатого вала в конвертированном цилиндре совершится полный рабочий цикл компрессора с помощью кулачка 22 на распределительном валу 6.

Опытный образец двигателя-компрессора (фиг. 3), выполненный на базе четырехтактного бензинового автомобильного двигателя модели 3113 с рабочим объемом 1,8 дм³ производства ОАО УМПО г.Уфа путем конвертирования двух из четырех его цилиндров для работы в компрессорном режиме в соответствии с предлагаемым техническим решением, имеет производительность 2 нм³/ мин при частоте вращения коленчатого вала 3400 об/мин.

Источники информации
1. Авт. св. СССР 1523717, кл. F 04 B 41/04, публикация 85.12.13, РЖ "Изобретения стран мира" 1990, N 2, "Двигатель-компрессор".

2. Патент ФРГ OS 3702951, кл. F 04 B 41/04, F 01 B 29/04, F 02 B 63/06, публикация 87.08.06, РЖ "Изобретения стран мира", 1988, N 3 "Мотор-компрессор и способ переналадки многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания в мотор-компрессор".

З. Патент ФРГ OS 3611205, кл. F 04 B 41/04, публикация 87.10.08, РЖ " Изобретения стран мира", 1988, N 5 " Компрессор для получения сжатого воздуха "(прототип).

4. Патент США 4700663, кл. F 04 B 41/04, публикация 87.10.20, РЖ "Изобретения стран мира", 1988, N 8 "Воздушный компрессор".

5. Патент США 4961691, публикация 90.10.19, РЖ "Изобретения стран мира" 1992, N 2 "Объединенный газовый компрессор и ДВС".

6. Патент США 5203680, кл. F 04 В 17/00, публикация 93.04.20, РЖ ВИНИТИ 39, "Двигатели внутреннего сгорания 1995, N 5 " Газовый компрессор, интегрированный с двигателем внутреннего сгорания (ДВС)".

7. Френкель М. И. "Поршневые компрессоры", -Л.: Машиностроение, 1969.

8. Хлумский В. "Поршневые компрессоры".- М.: Машгиз, 1962.

Изобретение предназначено для получения сжатого воздуха. Один или несколько цилиндров рядного четырехтактного двигателя конвертированы для работы в компрессорном режиме. В блоке цилиндров 1 размещены поршни 3, соединенные шатунами 4 с коленчатым валом 5, головка цилиндров 2 с распределительным валом 6, приводящимся от коленчатого вала понижающей передачей с передаточным отношением 2: 1. Для повышения производительности и эффективности двигателя-компрессора во впускном канале каждого цилиндра, конвертированного для работы в компрессорном режиме, размещен клапан 12, а на распределительном валу 6 для управления им расположены оппозитно два кулачка. 3 ил.

Двигатель-компрессор для получения сжатого воздуха, включающий в себя рядный четырехтактный двигатель, один или несколько цилиндров которого конвертированы для работы в компрессорном режиме, содержащий блок цилиндров с размещенными в нем поршнями, соединенными шатунами с общим коленчатым валом, головку цилиндров с впускными и выпускными каналами и размещенными в них впускными и выпускными клапанами рабочих цилиндров двигателя, управляемыми кулачками на распределительном валу, приводящемся от коленчатого вала понижающей передачей с передаточным отношением 2:1, с самодействующим клапаном в выпускном канале каждого цилиндра, конвертированного для работы в компрессорном режиме, отличающийся тем, что во впускном канале каждого конвертированного цилиндра размещен клапан, а на распределительном валу для управления им расположены оппозитно два кулачка.