СПОСОБ СОЗДАНИЯ ВРАЩАЮЩЕГО МОМЕНТА В ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ, ПРЕОБРАЗУЮЩИХ ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ ВО ВРАЩАТЕЛЬНОЕ ПРИ ПОМОЩИ КРИВОШИПА Российский патент 2002 года по МПК F02B75/04 F02D15/02 F02D15/04 

Изобретение относится к областям машиностроения, автомобилестроения, всех видов транспорта и предназначается для создания на его базе силовых агрегатов машин и механизмов различного назначения.

Предшествующий уровень техники
Известен способ создания вращающего момента в поршневых двигателях, преобразующих поступательное движение во вращательное при помощи кривошипа, включающий подачу и сжигание топлива или подачу пара или газа под давлением, выпуск отработанных газов или пара, и устройство для его осуществления (И.М. Ленин, А.В.Костров, О.М.Малашкин и др. "Автомобильные и тракторные двигатели", ч. 1, изд. второе, дополненное и переработанное под ред. проф. И.М.Ленина. Изд. Высшая школа, 1976 г., стр. 1-24; С.С.Баландин. "Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания". М., Машиностроение, 1968 г. (1972 г., изд. второе); С.В.Бальян. "Техническая термодинамика и тепловые двигатели", изд. второе, переработанное и дополненное. Л., Машиностроение, 1973 г., стр. 227-254).

За прототип выбран известный способ создания вращающего момента в поршневых двигателях, преобразующих поступательное движение во вращательное при помощи кривошипа, включающий подачу и сжигание топлива или подачу пара или газа под давлением, выпуск отработанных газов или пара, и устройство для его осуществления, содержащее по меньшей мере один рабочий цилиндр, размещенный в нем рабочий поршень, кинематически связанный с коленчатым валом (см. И.М. Ленин, А.В.Костров, О.М.Малашкин и др. "Автомобильные и тракторные двигатели", ч. 1, издание второе, дополненное и переработанное под ред. проф. И.М. Ленина. Изд. Высшая школа, 1976 г., стр.1-24).

Недостатком известного способа и устройства для его осуществления является то, что рабочий ход в цикле начинается от положения кривошипа, соответствующего верхней "мертвой" точке (ВМТ) (именно в этом положении создаются наивыгоднейшие условия сгорания топлива, создается необходимая степень сжатия, создается наивысшее давление газов на поршень), однако именно в этом положении кривошип не передает приложенных к поршню усилий на рабочий вал. В свою очередь, положения кривошипа, соответствующие близким к положению ВМТ, при вращении рабочего вала до начала рабочего хода из-за необходимости воспламенять топливо заранее в известном способе и устройстве препятствуют вращению рабочего вала, а во время рабочего хода при таких положениях кривошипа усилия, приложенные к поршню, практически не создают крутящего момента на рабочем валу в силу конструктивных особенностей кривошипа, что в целом снижает технико-экономические показатели.

Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого технического решения является улучшение технико-экономических показателей, а именно повышение коэффициента полезного действия и величины вращающего момента на рабочем валу путем исключения из рабочего хода в цикле неэффективной зоны работы кривошипа при положениях, близких к соответствующим ВМТ.

Для решения указанной задачи в известном способе создания вращающего момента в поршневых двигателях, преобразующих поступательное движение во вращательное при помощи кривошипа, включающем подачу и сжигание топлива или подачу пара или газа под давлением, выпуск отработанных газов или пара, уменьшают величину рабочего хода в цикле, удерживают или создают необходимую или максимально возможную степень сжатия при вращении рабочего вала после прохождения им положения, соответствующего ВМТ в цикле до начала рабочего хода или во время рабочего хода.

Краткое описание чертежей
На чертеже изображена схема поршневого двигателя, преобразующего поступательное движение во вращательное при помощи кривошипа для осуществления предлагаемого способа.

Поршневой двигатель содержит рабочий цилиндр 1, размещенный в нем рабочий поршень 2, кинематически связанный шатуном 3 с рабочим коленчатым валом 4, дополнительно размещенный в рабочем цилиндре 1 вспомогательный поршень - пробка 5, образующий одним из своих торцов с рабочим поршнем 2 камеру сгорания (зону подачи пара или газа под давлением), другим торцом под действием пружины 6, упирающейся в рабочий цилиндр 1, поджатый к нажимному сектору вспомогательного вала 7, кинематически связанного с коленчатым валом 4, например, цепной передачей (на схеме не показано). Подразумевается наличие систем подачи топлива или пара (газа) под давлением и отвода отработанных газов (пара), например, аналогичных с прототипом (на схеме не показаны).

Поршневой двигатель работает следующим образом.

В рабочем цикле при вращении рабочего вала 4 вспомогательный поршень-пробка 5 под воздействием нажимного сектора вспомогательного вала с нажимным сектором 7 синхронно перемещается с рабочим поршнем 2 от положения, соответствующего ВМТ на величину радиуса нажимного сектора, сжимая пружину 6, и остается в таком положении до достижения рабочим валом 4 положения, соответствующего нижней "мертвой" точке (НМТ), при дальнейшем вращении рабочего вала 4 и кинематически связанного с ним вспомогательного вала с нажимным сектором 7 вспомогательный поршень-пробка 5 под воздействием пружины 6 возвращается в исходное положение.

Таким образом, в описываемом двигателе при помощи вспомогательного поршня-пробки 5 и вспомогательного вала с нажимным сектором 7 уменьшают величину рабочего хода в цикле на величину радиуса нажимного сектора, удерживают или создают необходимую или максимальновозможную степень сжатия при вращении рабочего вала 4 после прохождения им положения, соответствующего ВМТ в цикле до начала рабочего хода или во время рабочего хода, что позволяет исключить неэффективную зону работы кривошипа при положениях, соответствующих близким к ВМТ
Рассмотрим преимущества предлагаемого способа перед известным на примере работы описанного двигателя при подаче пара или газа под давлением от парогенератора (газогенератора). Пусть давление пара (газа) во время рабочего хода в известном и предлагаемом способах будет постоянным и равным Р. Известный способ предполагает рабочий ход в цикле от ВМТ до НМТ или от 0 до 180^o по углу поворота кривошипа. Если разбить весь рабочий ход в цикле на три равных части при движении рабочего поршня 2 от ВМТ до НМТ по объему израсходованного пара (газа) в известном способе, то следует выделить средний участок рабочего хода в цикле как наиболее производительный по сравнению с участками начала и конца рабочего хода. При реализации известного способа две части объема пара (газа), израсходованного в начале и конце рабочего хода, израсходованы с меньшим коэффициентом полезного действия. Предлагаемый способ позволяет исключить из рабочего хода кривошипа менее производительные участки начала и конца, имеющие место при реализации известного способа в данном примере. Для реализации предлагаемого способа в данном примере в поршневом двигателе (см. чертеж) следует использовать вспомогательный вал с нажимным сектором 7 с радиусом нажимного сектора, равным одной третьей хода от ВМТ до НМТ рабочего поршня 2, подать пар (газ) под давлением в рабочий цилиндр 1 при вращении рабочего вала 4 после прохождения им положения, соответствующего ВМТ в цикле на угол, соответственно равный перемещению рабочего поршня 2 на треть хода от ВМТ до НМТ, и прекратить подачу пара (газа) после прохождения рабочим поршнем 2 двух третей хода рабочего поршня 2 от ВМТ до НМТ.

В соответствии с вышеизложенным, реализуя предлагаемый способ в поршневом двигателе (см. чертеж), можно осуществить три рабочих хода в трех циклах взамен одного рабочего хода в цикле в известном способе, израсходовав одинаковое количество пара (газа) в обоих случаях, но с более высоким коэффициентом полезного действия.

Повышение коэффициента полезного действия и величины вращающего момента на рабочем валу 4 очевидны и в случае реализации предлагаемого способа в поршневом двигателе (см. чертеж) в режиме двигателя внутреннего сгорания ввиду переноса зоны наивысшего давления газов сгоревшего топлива в начале рабочего хода из зоны ВМТ в известном способе в зону углов положения кривошипа после прохождения им ВМТ в цикле в предлагаемом способе.

Следует отметить, что реализация предлагаемого способа в двигателях внутреннего сгорания может происходить как с воспламенением топлива от постороннего источника, так и в режиме самовоспламенения топлива. Заданная степень сжатия в поршневом двигателе (см. чертеж) определяется взаимным пространственным положением рабочего поршня 2 и вспомогательного поршня-пробки 5, пространственное положение которого может быть задано, равно как и скорость его перемещения относительно рабочего поршня 2 вспомогательным валом с нажимным сектором 7.

Изменяя величину радиуса нажимного сектора вспомогательного вала с нажимным сектором 7, можно моделировать различные режимы работы двигателя (см. чертеж) с учетом режимов нагрузки и желаемой скорости вращения рабочего вала 4.

Способ предназначен для использования в энергомашиностроении при создании силовых агрегатов машин и механизмов различного назначения. При осуществлении способа подают рабочее тело (пар, газ, топливо) под давлением, а после преобразования энергии рабочего тела выпускают отработанные пары или газы. При этом уменьшают величину рабочего хода в цикле, удерживают или создают необходимую или максимально возможную степень сжатия при вращении рабочего вала после прохождения им положения, соответствующего верхней "мертвой" точке в цикле до начала рабочего хода или во время рабочего хода. Изобретение позволяет расширить функциональные возможности и улучшить технико-экономические показатели. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ создания вращающего момента в поршневых двигателях, преобразующих поступательное движение во вращательное при помощи кривошипа, включающий подачу и сжигание топлива или подачу пара или газа под давлением, выпуск отработанных газов или паров, отличающийся тем, что уменьшают величину рабочего хода в цикле, удерживают или создают необходимую или максимально возможную степень сжатия при вращении рабочего вала после прохождения им положения, соответствующего верхней "мертвой" точке в цикле до начала рабочего хода или во время рабочего хода. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регулируют величину рабочего хода в цикле.