ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ДВС) Российский патент 2004 года по МПК F02B1/12 F02B75/32 F02B75/04 F02D15/00 

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению, а именно к ДВС, и может быть использовано для выполнения функции преобразования энергии жидкого или газообразного топлива в механическую энергию с большей эффективностью.

Известны ДВС дизельного типа, в которых топливо под большим давлением впрыскивается в течение определенного времени в камеру сжатия цилиндра, где воздух сжат поршнем вблизи ВМТ до давления примерно до 40 атм. И температура воздуха достаточна для самовоспламенения данного вида топлива. После впрыскивания топлива в конце процесса сгорания давление повышается до 80 атм. и более.

Известны ДВС карбюраторного типа, в которых топливо в цилиндр попадает в фазе всасывания, давление в фазе сжатия может доходить (в зависимости от вида топлива) до 20 атм., а после подачи электрической искры, в конце сгорания, давление увеличивается до 60 атм. (см. Большая советская энциклопедия, М.: Советская энциклопедия, 1972 (далее БСЭ), том 7, с.575-576, столбец 1713-1714). В двигателях этого типа для каждого вида топлива существует граничная зона сжатия газовоздушной смеси, при которой скорость сгорания горючей смеси резко меняется от сравнительно медленной, примерно 20 м/с, до 2500 м/с - при детонации (см. БСЭ, том 8, с.149, столбец 434), причем горючая смесь в этом случае воспламеняется самостоятельно без подачи искры и, как правило, до прихода поршня к ВМТ. В результате чего ударное давление, во-первых, препятствует движению поршня вверх к ВМТ и, во-вторых, это давление превосходит расчетное значение в несколько раз и длится значительное время, пока поршень не достигнет ВМТ и затем достаточно сместиться вниз. Во время этого процесса возникают большие ударные давления на коленвал и подшипники, разрушающие их.

Известно, что увеличение скорости вращения коленвала при одной и той же мощности ДВС уменьшает его габариты и вес. Однако дальнейшему увеличению скорости вращения коленвала в существующих ДВС, при приемлемых кпд, препятствует малая скорость сгорания горючей смеси в карбюраторных двигателях и малая скорость смесеобразования и сгорания топлива в дизельных двигателях (см. БСЭ, том 8, с.253, столбец 746). Опережение момента подачи искры или топлива решает эту проблему только частично, и быстроходные двигатели оказываются менее экономичными, т.к. топливо сгорает уже на выходе из двигателя, не произведя полезной работы, особенно наглядно это видно на гоночных машинах.

Из существующего уровня техники известен двигатель, защищенный патентом Германии №487138, опубл. 29.11.1929 на 3 страницах. Этот двигатель является наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения. Конструкция двигателя по патенту Германии №487138 включает в себя цилиндр с камерой сжатия, поршень, сжимающий горючую смесь, шатун, состоящий из частей, одна из которых связана с коленвалом, а другая - поршневым пальцем с поршнем. Причем между днищем поршня и коленвалом этого двигателя расположены упругие элементы, представляющие собой пружину, зажатую между частями шатуна. Однако в двигателе по патенту Германии №487138 скорость вращения коленвала ограничена малой скоростью сгорания горючей смеси, т.к. в этом двигателе не предусмотрена работа в условиях детонационного сгорания.

Цель изобретения: увеличение скорости вращения коленвала, расширение возможности использования разных видов и сортов топлива, снижение габаритов и веса двигателя, уменьшение пиков давлений на коленвал и подшипники, повышение кпд двигателя путем резкого увеличения скорости сгорания горючей смеси, сжатой до давления, вызывающего детонацию, и преобразования части энергии детонирующего газа в потенциальную энергию упругих элементов, расположенных между днищем поршня и вращающимся валом, а затем, в фазе рабочего хода поршня, в кинетическую энергию вращения вала.

Ударное давление, возникающее при этом, значительно меньше, чем при детонации в отсутствии необходимых упругих элементов и оно длится во много раз короче, т.к. поршень во много раз быстрее смещается вниз, увеличивая объем камеры сжатия и накапливая энергию в упругих элементах. К тому же детали камеры сжатия и поршня рассчитываются с учетом возникающих кратковременных ударных давлений.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) по предлагаемому изобретению содержит цилиндр с камерой сжатия, поршень, сжимающий горючую смесь, и шатун. При этом шатун состоит из нескольких частей, одна из которых связана с коленвалом, а другая - поршневым пальцем с поршнем. Причем между днищем поршня и коленвалом расположены упругие элементы, представляющие собой пружину, зажатую между частями шатуна. Согласно предлагаемому изобретению шатун двигателя также включает в себя часть с направляющими и полостью. При этом части шатуна стянуты проходящей внутри пружины шпилькой и фиксируются относительно друг друга от разворота этой же пружиной. Один конец шпильки закреплен наглухо в части шатуна, связанной с коленвалом. Другой конец шпильки введен в часть шатуна с направляющими и полостью, скользит по ее направляющим и удерживается в ней свободно проходящей в ее полости гайкой. Часть шатуна с направляющими и полостью укреплена в части шатуна, связанной поршневым пальцем с поршнем.

Согласно изобретению горючая смесь сжимается поршнем вблизи ВМТ до давления, вызывающего детонацию, и часть энергии детонирующего газа преобразуется в потенциальную энергию сжатия пружины, а затем - в кинетическую энергию вращения коленвала в фазе рабочего хода поршня.

В исходном положении усилие сжатия пружины частями шатуна, стянутыми шпилькой с гайкой на конце, не меньше максимального усилия сжатия горючей смеси поршнем перед моментом детонации газа.

Колебательная система, образованная пружиной и массой тел, находящихся между ней и днищем поршня, имеет собственную частоту свободных колебаний, примерно равную максимальной рабочей частоте вращения коленвала.

Через крышку в камеру сжатия введен болт на величину, определяемую подбором калиброванных шайб. Калиброванные шайбы подбирают применительно к каждому виду и сорту топлива для достижения в камере сжатия при подходе поршня к ВМТ давления, вызывающего детонацию.

В соответствии с одним из вариантов выполнения предлагаемого изобретения на крышке камеры сжатия, рядом с болтом с калиброванными шайбами, может быть установлен поршенек, на который воздействует толкатель кулачка на распредвале в момент достижения поршнем ВМТ.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором в разрезе изображен цилиндр 1 с камерой сжатия 2, поршень 3 с поршневым пальцем 4, одна часть шатуна 5, связанная с пальцем 4, вторая часть шатуна 6, связанная с коленвалом 7 и третья часть шатуна 8 - полая связующая между указанными частями шатуна, а также пружина 9 с отогнутыми концами проволоки, входящими в выемки 10 частей шатуна и фиксирующими их относительно друг друга от разворота.

Части шатуна стянуты проходящей внутри пружины 9 шпилькой 11с гайкой 12 на конце. Один конец шпильки 11 наглухо закреплен с частью шатуна 6, связанной с коленвалом 7, а второй конец с гайкой 12 удерживается и скользит по направляющим 13, расположенным в полой части шатуна 8.

Через крышку 14 в камеру сжатия 2 вводится болт 15 с калиброванными шайбами 16, подобранными для каждого вида топлива с целью максимального приближения поршня 3 к ВМТ в момент детонации газовоздушной смеси, а также поршенек 17, связанный через толкатель 18 с кулачком 19, расположенным на распредвале 20.

Устройство работает следующим образом.

Часть шатуна 6, связанная с коленвалом 7 через пружину 9, воздействует на другие части шатуна, связанные с поршневым пальцем 4, которые доводят поршень 3 максимально близко к ВМТ, сжимая горючую смесь до давления, вызывающего детонацию. Пружина 9 в исходном положении сжата частями шатуна и стянута шпилькой 11 с гайкой 12 на конце с усилием не меньше усилия сжатия горючей смеси поршнем 3 перед детонацией, поэтому пружина 9 до момента детонации не деформируется. Ударное давление воспринимает днище поршня и начинается перемещение поршня 3 и части шатуна с пружиной 9. Камера сжатия 2 увеличивается в объеме, а давление в ней быстро уменьшается, несмотря на то, что коленвал 7 за это время успевает провернуться лишь на небольшой угол.

Частоту свободных колебаний колебательной системы, образованной пружиной и массой тел, находящихся между ней и поршнем, включая его, подбирают примерно равной максимальной рабочей частоте вращения коленвала при максимальной мощности двигателя, что дает возможность перехода потенциальной энергии сжатой пружины в кинетическую энергию вращения вала в фазе рабочего хода поршня в заданном диапазоне изменений скорости.

Конец шпильки 11 с гайкой 12 удерживается и скользит по направляющим 13, расположенным в части шатуна 8 с полостью, только после детонации газа.

Установка упругих элементов между днищем поршня и коленвалом уменьшает пики давлений на коленвал и подшипники, а также дает возможность получения детонационного сгорания до момента достижения поршнем ВМТ без возникновения негативного влияния на двигатель. Установка на крышке камеры сжатия болта с регулирующим устройством, выполненным, например, в виде калиброванных шайб, дает возможность максимально приблизить поршень к ВМТ до возникновения детонационного сгорания для данного вида топлива, характеризуемого октановым числом.

Однако такой вариант, характеризуемый получением давления, вызывающего детонационное сгорание горючей смеси, до момента достижения поршнем ВМТ, будет иметь меньший кпд по сравнению с вариантом исполнения, в котором давление, приводящее к детонационному сгоранию, обеспечивается после достижения поршнем ВМТ.

Для этого случая можно указать один из многих возможных вариантов исполнения устройства, а именно: установка на крышке камеры сжатия, рядом с болтом с калиброванными шайбами, поршенька, на который должен воздействовать толкатель кулачка на распредвале в момент достижения поршнем ВМТ, и который доводит давление в камере сжатия до значения, вызывающего детонацию газа.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания. Технический результат заключается в возможности увеличения скорости вращения коленвала, расширения используемых видов и сортов топлива, снижения габаритов и веса двигателя, уменьшение пиков давлений на коленвал и подшипники, а также в возможности повышения кпд двигателя. Двигатель внутреннего сгорания согласно изобретению содержит цилиндр с камерой сжатия, поршень, сжимающий горючую смесь и шатун, состоящий из частей. Одна из частей шатуна связана с коленвалом, а другая - поршневым пальцем с поршнем. Шатун также включает часть с направляющими и полостью, которая укреплена в части шатуна, связанной поршневым пальцем с поршнем. При этом между днищем поршня и коленвалом расположены упругие элементы, представляющие собой пружину, зажатую между частями шатуна, стянутыми проходящей внутри пружины шпилькой. Один конец шпильки наглухо закреплен в части шатуна, связанной с коленвалом, а другой введен в часть шатуна с направляющими и полостью, скользит по ее направляющим и удерживается в ней свободно проходящей в ее полости гайкой. Поршень сжимает горючую смесь вблизи ВМТ до давления, вызывающего детонацию, и часть энергии детонирующего газа преобразуется в потенциальную энергию сжатия пружины, а затем - в кинетическую энергию вращения коленвала в фазе рабочего хода поршня. Через крышку в камеру сжатия может быть введен болт на величину, определяемую подбором калиброванных шайб, которые подбираются применительно к каждому виду и сорту топлива для достижения в камере сжатия при подходе поршня к ВМТ давления, вызывающего детонацию. На крышке камеры сжатия, рядом с болтом с калиброванными шайбами также может быть установлен поршенек, на который воздействует толкатель кулачка на распредвале в момент достижения поршнем ВМТ. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС), содержащий цилиндр с камерой сжатия, поршень, сжимающий горючую смесь, шатун, состоящий из частей, одна из которых связана с коленвалом, а другая - поршневым пальцем с поршнем, причем между днищем поршня и коленвалом расположены упругие элементы, представляющие собой пружину, зажатую между частями шатуна, отличающийся тем, что шатун включает часть с направляющими и полостью, при этом части шатуна стянуты проходящей внутри пружины шпилькой, один конец которой закреплен наглухо в части шатуна, связанной с коленвалом, а другой конец шпильки введен в часть шатуна с направляющими и полостью, скользит по ее направляющим и удерживается в ней свободно проходящей в ее полости гайкой, часть шатуна с направляющими и полостью укреплена в части шатуна, связанной поршневым пальцем с поршнем, причем горючая смесь сжимается поршнем вблизи ВМТ до давления, вызывающего детонацию, и часть энергии детонирующего газа преобразуется в потенциальную энергию сжатия пружины, а затем - в кинетическую энергию вращения коленвала в фазе рабочего хода поршня.2. ДВС по п.1, отличающийся тем, что в исходном положении усилие сжатия пружины частями шатуна, которые стянуты шпилькой с гайкой на конце, не меньше максимального усилия сжатия горючей смеси поршнем перед моментом детонации газа, и части шатуна фиксируются относительно друг друга от разворота этой же пружиной.3. ДВС по п.1, отличающийся тем, что колебательная система, образованная пружиной и массой тел, находящихся между ней и днищем поршня, имеет собственную частоту свободных колебаний, примерно равную максимальной рабочей частоте вращения коленвала.4. ДВС по п.1, отличающийся тем, что через крышку в камеру сжатия введен болт на величину, определяемую подбором калиброванных шайб, подбираемых применительно к каждому виду и сорту топлива для достижения в камере сжатия при подходе поршня к ВМТ давления, вызывающего детонацию.5. ДВС по п.4, отличающийся тем, что на крышке камеры сжатия, рядом с болтом с калиброванными шайбами установлен поршенек, на который воздействует толкатель кулачка на распредвале в момент достижения поршнем ВМТ.