СПОСОБ РАБОТЫ АДИАБАТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ СО СГОРАНИЕМ ПРИ ПОСТОЯННОМ ОБЪЕМЕ Российский патент 2001 года по МПК F02B75/04 F02D15/02 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, а именно к адиабатным двигателям внутреннего сгорания со сгоранием топлива при постоянном объеме, приспособленным для работы на различных видах топлива с возможностью регулирования рабочего объема камеры сгорания и степени сжатия.

Известен способ работы адиабатного двигателя внутреннего сгорания со сгоранием при постоянном объеме, заключающийся во впуске рабочего заряда в цилиндр двигателя, его последующем сжатии, смещении шарнира сочлененного шатуна, преобразующего возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала под действием маятникового рычага, одним концом воздействующего на шарнир сочлененного шатуна, а другим - взаимодействующего с приводом, перемещающим ось качания маятникового рычага для остановки поршня в верхней мертвой точке, сгорании топлива при постоянном объеме во время остановки поршня в верхней мертвой точке, расширении продуктов сгорания в цилиндре при перемещении поршня после сгорания топлива и выпуске отработавших газов (авторское свидетельство СССР N 878990, МПК F 02 B 75/32, 1981 г.).

Недостатком известного способа является недостаточно эффективный процесс сгорания топлива вследствие потерь тепла в стенки цилиндра и невозможности регулирования величины камеры сгорания постоянного объема и степени сжатия в зависимости от вида потребляемого топлива и нагрузки на двигатель.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности процесса сгорания топлива за счет уменьшения потерь тепла во время сгорания топлива при одновременном регулировании величины камеры сгорания постоянного объема и степени сжатия в зависимости от вида потребляемого топлива и нагрузки на двигатель.

Поставленная задача решается тем, что в способе работы адиабатного двигателя внутреннего сгорания со сгоранием при постоянном объеме, заключающемся во впуске рабочего заряда в цилиндр двигателя, его последующем сжатии, смещении шарнира сочлененного шатуна, преобразующего возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала под действием маятникового рычага, одним концом воздействующего на шарнир сочлененного шатуна, а другим - взаимодействующего с приводом, перемещающим ось качания маятникового рычага для остановки поршня в верхней мертвой точке, сгорании топлива при постоянном объеме во время остановки поршня в верхней мертвой точке, расширении продуктов сгорания в цилиндре при перемещении поршня после сгорания топлива и выпуске отработавших газов, согласно изобретению сгорание топлива при постоянном объеме осуществляют в теплоизолированной камере сгорания, причем в зависимости от вида используемого топлива и нагрузки на двигатель регулируют величину постоянного объема и степень сжатия изменением положения верхней мертвой точки поршня, для чего осуществляют смещение шарнира сочлененного шатуна от оси цилиндра или к оси цилиндра на такте сжатия путем перемещения оси качания маятникового рычага и ее последующей фиксации, а остановку поршня в верхней мертвой точке обеспечивают смещением шарнира сочлененного шатуна к оси цилиндра путем перемещения оси качания маятникового рычага во время сгорания топлива.

Поставленная задача решается также тем, что при работе двигателя по четырехтактному циклу в конце выпуска отработавших газов положение верхней мертвой точки поршня переносят в крайнее верхнее положение, для чего осуществляют смещение шарнира сочлененного шатуна на ось цилиндра путем перемещения оси качания маятникового рычага и ее последующей фиксации.

Поставленная задача решается также тем, что при работе двигателя по двухтактному циклу осуществляют дополнительную остановку поршня при его положении вблизи нижней мертвой точки, для чего смещают шарнир сочлененного шатуна от оси цилиндра путем непрерывного перемещения оси качания маятникового рычага на время остановки поршня.

На фиг. 1 представлен четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, реализующий предлагаемый способ.

На фиг. 2 - силы, действующие на кривошипно-шатунный механизм (КШМ) и маятниковый рычаг четырехтактного двигателя.

На фиг. 3 - положение звеньев КШМ четырехтактного двигателя на такте впуска.

На фиг. 4 - положение звеньев КШМ четырехтактного двигателя во время остановки поршня в верхней мертвой точке (ВМТ).

На фиг. 5 - положение звеньев КШМ четырехтактного двигателя во время полного выпуска отработавших газов.

На фиг. 6 - положение звеньев КШМ четырехтактного двигателя во время неполного выпуска отработавших газов.

На фиг. 7 - разрез А - А фиг. 1.

На фиг. 8 - двухтактный двигатель внутреннего сгорания, также реализующий предлагаемый способ.

На фиг. 9 - силы, действующие на КШМ и маятниковый рычаг двухтактного двигателя.

На фиг. 10 - положение звеньев КШМ двухтактного двигателя во время остановки поршня в ВМТ.

На фиг. 11 - положение звеньев КШМ двухтактного двигателя при изменении положений ВМТ и нижней мертвой точки (НМТ).

На фиг. 12 - положение звеньев КШМ двухтактного двигателя при продувке.

На фиг. 13 - аксиальный двигатель внутреннего сгорания, также реализующий предлагаемый способ.

На фиг. 14 - положение звеньев аксиального двигателя во время остановки поршня в ВМТ.

Предлагаемый способ может быть реализован как в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания, так и в двухтактном двигателе внутреннего сгорания, причем двигатель может иметь как традиционный КШМ, так и КШМ с качающейся шайбой, используемый в аксиальных двигателях.

Осуществление предлагаемого способа показано на примере работы как четырехтактного, так и двухтактного двигателей внутреннего сгорания.

Показанные на фиг. 1, 8, 13 четырехтактный и двухтактный двигатели внутреннего сгорания как с традиционным КШМ, так и с КШМ для аксиального двигателя содержат следующие общие элементы: корпус двигателя по меньшей мере с одним цилиндром 1 и головкой 2 цилиндра 1, поршень 3 и сочлененный шатун 4, связанный с коленчатым валом 5. Сочлененный шатун 4 состоит из двух частей, соединенных между собой шарниром 6, связанным с маятниковым рычагом 7. Ось 8 качания маятникового рычага 7 имеет возможность перемещаться по прямой линии, пересекающей ось O - O цилиндра 1, под действием привода оси 8 качания. Привод состоит из профилированного кулачка 9, кинематически связанного через шестерни 10 и 11 с коленчатым валом 5, дополнительного рычага 12, взаимодействующего одной своей стороной с профилированной поверхностью кулачка 9, а другой - с осью 8 качания маятникового рычага 7 с возможностью перемещения последней, и пружины 13, установленной с возможностью поджатия оси качания 8 к дополнительному рычагу 12. Привод также снабжен механизмом осевого смещения кулачка 9, не показанным на чертежах. Камера сгорания 14 постоянного объема выполнена теплоизолированной и снабжена теплоизолированными покрытиями 15, 16 и 17, выполненными соответственно на внутренних поверхностях головки 2 цилиндра 1, стенках цилиндра 1 и на торцевой поверхности поршня 3.

У двухтактного двигателя (фиг. 8) дополнительно показаны впускной канал 18, выпускной канал 19, перепускной канал 20 и кривошипная камера 21.

Кроме того, у аксиального двигателя (фиг. 13) дополнительно показана качающаяся шайба 22, установленная на коленчатом валу 5 и связанная с сочлененным шатуном 4.

Предлагаемый способ работы в четырехтактном адиабатном двигателе внутреннего сгорания осуществляется следующим образом.

Рабочий заряд поступает в цилиндр 1 двигателя во время такта впуска. Впуск может быть регулируемым, для чего осуществляют смещение оси 8 качания маятникового рычага 7 в точки "а", "b", "с" или "d" и ее последующую фиксацию дополнительным рычагом 12 под действием кулачка 9, который получает крутящий момент от коленчатого вала 5 через шестерни 10 и 11. В результате происходит смещение шарнира 6 сочлененного шатуна 4, а следовательно, и изменение положения ВМТ и НМТ поршня 3 от стандартных значений BMТ₁ и НМТ₁ в промежуточное положение ВМТ₂ и НМТ₂ (фиг. 3). На фиг. 7 показан разрез кулачка 9, где указаны шесть промежуточных положений, занимаемых кулачком 9 относительно дополнительного рычага 12, при этом поршень 3 имеет возможность перемещения между различными положениями ВМТ и НМТ в зависимости от выбранного положения кулачка. Изменение положения кулачка 9 осуществляется с помощью механизма осевого смещения, не показанного на чертежах. Впуск может быть и нерегулируемым, для чего такт впуска осуществляют при фиксированном положении оси 8 качания маятникового рычага 7, после чего осуществляется сжатие заряда, причем в зависимости от вида используемого топлива и нагрузки на двигатель регулируют величину постоянного объема и степень сжатия изменением положения ВМТ поршня 3, для чего осуществляют смещение шарнира 6 сочлененного шатуна 4 от оси O - O цилиндра 1 или к оси O - O цилиндра 1 на такте сжатия путем перемещения оси 8 качания маятникового рычага 7 в одно из положений, указанных на фиг. 4 (точки "а", "b", "с", или "d") и последующей фиксации оси 8 в выбранной точке. В результате поршень 3 занимает в цилиндре 1 заранее выбранное положение ВМТ, например, BMТ₁ или BMТ₂, как показано на фиг. 5 или фиг. 3, что приводит к изменению степени сжатия и изменению объема камеры сгорания 14. Сгорание топлива при постоянном объеме осуществляют в теплоизолированной камере сгорания 14, а остановку поршня в заранее выбранном положении ВМТ, например, BMТ₂ обеспечивают смещением шарнира 6 сочлененного шатуна 4 к оси O - O цилиндра 1 путем перемещения оси 8 качания маятникового рычага 7 в течение всего времени сгорания топлива из точки "d" до точек "с", "b" или "а" (фиг. 4), при этом коленчатый вал 5 продолжает свое вращательное движение, а поршень 3 удерживается в положении заданной BMТ₂ перемещением оси 8 качания маятникового рычага 7. Таким образом, сгорание топлива происходит в камере сгорания 14 заранее выбранного постоянного объема, при этом вместе с регулированием объема камеры сгорания осуществляется и выбор требуемой степени сжатия. Наличие теплоизолированных покрытий 15, 16 и 17 камеры сгорания 14 совместно с обеспечением постоянного заданного объема камеры сгорания и требуемой степени сжатия обеспечивает проведение процесса сгорания с наименьшими потерями тепла в стенки цилиндра, что резко повышает его эффективность.

После прекращения перемещения оси 8 качания маятникового рычага к оси O - O цилиндра 1, ось 8 качания оказывается в точке "а" и поршень 3 начинает перемещаться к HMТ₂, при этом происходит процесс расширения продуктов сгорания.

Следует отметить, что сила P, действующая на поршень 3, разлагается на составляющую силу N, действующую на боковые стенки цилиндра 1, и составляющую силу S, действующую по оси первой половины сочлененного шатуна 4. В свою очередь сила S разлагается на составляющие силы D и F (фиг. 2), действующие соответственно на маятниковый рычаг 7 и на вторую часть сочлененного шатуна 4, при этом составляющая сила F в свою очередь разлагается на составляющую силу T, создающую дополнительный крутящий момент М_кр на кривошип коленчатого вала 5. Сила D разлагается на составляющую силу C, которая совместно с плечом кулачка 9 создает дополнительный крутящий момент М_c, передаваемый через шестерни 11 и 10 на коленчатый вал 5, что обеспечивает плавный проход ВМТ и обеспечивает более плавную работу двигателя. На фиг. 2 показаны: угол α между векторами сил T и F, угол β между векторами сил P и S, угол γ между векторами сил S и D, угол ψ между векторами сил F и S и угол Φ - угол поворота коленчатого вала 5.

Процесс выпуска отработавших газов целесообразно проводить при положении верхней мертвой точки поршня 3 в крайнем верхнем положении, что позволяет произвести более полную очистку цилиндра 1 от отработавших газов. Для этого в конце выпуска отработавших газов осуществляют смещение шарнира 6 сочлененного шатуна 4 на ось O - O цилиндра 1 путем перемещения оси 8 качания маятникового рычага 7 из точки "d" в точку "а" и последующей фиксацией оси 8 в указанной точке (фиг. 5).

В случае невыполнения указанных выше действий процесс выпуска пройдет с увеличенным объемом надпоршневой полости цилиндра 1 в верхней мертвой точки (фиг. 6), что с одной стороны не позволяет произвести качественной очистки цилиндра от отработавших газов, а с другой стороны позволит произвести рекуперацию отработавших газов, что благоприятно скажется на токсичности отработавших газов.

Предлагаемый способ может быть реализован и в двухтактном адиабатном двигателе внутреннего сгорания.

При остановке поршня 3 в ВМТ обеспечивают смещение шарнира 6 сочлененного шатуна 4 к оси цилиндра 1, осуществляя при этом те же действия, что и в четырехтактном двигателе, т.е. перемещают ось 8 качания маятникового рычага 7, как показано на фиг. 10, из точки "с" в точку "а". В это время в теплоизолированной камере сгорания 14 происходит сгорание топлива при постоянном объеме, а через открытый поршнем впускной канал 18 поступает свежий заряд в подпоршневую полость цилиндра 1 и кривошипную камеру 21. После окончания процесса сгорания топлива в надпоршневой полости цилиндра 1 начинается процесс расширения продуктов сгорания, а в кривошипной камере 21 - сжатие рабочего заряда движущимся к НМТ поршнем 3. После открытия поршнем 3 выпускного канала 19 и перепускного канала 20 в надпоршневой полости цилиндра 1 начинается процесс продувки надпоршневой полости свежим зарядом через перепускной канал 20 и удаление отработавших газов через выпускной канал 19. При нахождении поршня 3 в НМТ (фиг. 12) для более качественной очистки надпоршневой полости цилиндра 1 осуществляют дополнительную остановку поршня 3 в НМТ, для чего смещают шарнир 6 сочлененного шатуна 4 от оси O - O цилиндра 1 при движении поршня к ВМТ. Для этого осуществляют соответствующее смещение оси 8 качания маятникового рычага 7. После окончания продувки в надпоршневой полости цилиндра 1, поршень 3 начинает движение к ВМТ после прекращения перемещения шарнира 6 сочлененного шатуна 4 от оси O - O цилиндра 1. После перекрытия поршнем 3 перепускного канала 20 и выпускного канала 19 начинается процесс сжатия свежего заряда в надпоршневой полости цилиндра 1. Для регулирования величины постоянного объема камеры сгорания 14 и степени сжатия в зависимости от вида используемого топлива и нагрузки на двигатель осуществляют смещение шарнира 6 сочлененного шатуна 4, например, из точки "а" в точку "b" или в точку "с", как показано на фиг. 11. После прихода поршня 3 в заданную BMТ₁ или ВМТ₂ осуществляют остановку поршня 3 и сгорание топлива при постоянном объеме как указывалось выше. Далее цикл работы двигателя повторяется. Силы, действующие на элементы КШМ двухтактного двигателя, идентичны силам, действующим в четырехтактном двигателе.

Предлагаемый способ может быть реализован и в аксиальном двигателе, показанном на фиг. 13 и фиг. 14. Отличие аксиального двигателя от двигателей с традиционным КШМ заключается в наличии качающейся шайбы 22, установленной на косом кривошипе коленчатого вала 5 и связанной с сочлененными шатунами 4 поршней 3. Аксиальный двигатель может работать как по четырехтактному циклу, так и по двухтактному циклу, как указывалось выше.

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Рабочий заряд впускают в цилиндр двигателя и осуществляют сжатие. Смещают шарнир сочлененного шатуна, преобразующего возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала под действием маятникового рычага, одним концом воздействующего на шарнир сочлененного шатуна, а другим - взаимодействующего с приводом. Сгорание топлива при постоянном объеме осуществляют в теплоизолированной камере сгорания. В зависимости от вида используемого топлива и нагрузки на двигатель регулируют величину постоянного объема и степень сжатия изменением положения верхней мертвой точки поршня, для чего осуществляют смещение шарнира сочлененного шатуна от оси цилиндра или к оси цилиндра на такте сжатия. Остановку поршня в верхней мертвой точке обеспечивают смещением шарнира сочлененного шатуна к оси цилиндра во время сгорания топлива. Технический результат заключается в повышении эффективности процесса сгорания топлива. 2 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Способ работы адиабатного двигателя внутреннего сгорания со сгоранием при постоянном объеме, заключающийся во впуске рабочего заряда в цилиндр двигателя, его последующем сжатии, смещении шарнира сочлененного шатуна, преобразующего возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала под действием маятникового рычага, одним концом воздействующего на шарнир сочлененного шатуна, а другим - взаимодействующего с приводом, перемещающим ось качания маятникового рычага для остановки поршня в верхней мертвой точке, сгорании топлива при постоянном объеме во время остановки поршня в верхней мертвой точке, расширении продуктов сгорания в цилиндре при перемещении поршня после сгорания топлива и выпуске отработавших газов, отличающийся тем, что сгорание топлива при постоянном объеме осуществляют в теплоизолированной камере сгорания, причем в зависимости от вида используемого топлива и нагрузки на двигатель регулируют величину постоянного объема и степень сжатия изменением положения верхней мертвой точки поршня, для чего осуществляют смещение шарнира сочлененного шатуна от оси цилиндра или к оси цилиндра на такте сжатия путем перемещения оси качания маятникового рычага и ее последующей фиксации, а остановку поршня в верхней мертвой точке обеспечивают смещением шарнира сочлененного шатуна к оси цилиндра путем перемещения оси качания маятникового рычага во время сгорания топлива. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при работе двигателя по четырехтактному циклу в конце выпуска отработавших газов положение верхней мертвой точки поршня переносят в крайнее верхнее положение, для чего осуществляют смещение шарнира сочлененного шатуна на ось цилиндра путем перемещения оси качания маятникового рычага и ее последующей фиксации. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при работе двигателя по двухтактному циклу осуществляют дополнительную остановку поршня при его положении вблизи нижней мертвой точки, для чего смещают шарнир сочлененного шатуна от оси цилиндра путем непрерывного перемещения оси качания маятникового рычага на время остановки поршня.