ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ЯРИМОВА Российский патент 2006 года по МПК F02B75/32 F01B9/02 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано в тепловых машинах, двигателях внутреннего сгорания с нелинейной координатой термодинамических процессов по термодинамическому и механическому циклам Яримова одновременно и с высокой эффективностью преобразования теплоты в механическую работу. Предлагаемое устройство применимо в автомобильном, воздушном, водном и на железнодорожном транспорте, в сельском хозяйстве, в строительстве, а также в быту.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр с впускными и выпускными устройствами, с размещенным в нем поршнем, выполняющим рабочий и обратный ход с процессами расширения, выпуска, впуска-заполнения, сжатия, и связанным через дополнительный шатун или непосредственно с одним или двумя одновременно симметрично расположенными дезаксиальными кривошипно-ползунными механизмами, с коленчатыми валами, синхронизированными по углам вращения окружностями с одинаковыми по величине радиусами, перекатывающимися без скольжения между собой, с расстояниями между осями вращения кривошипов большим, чем удвоенная величина этих кривошипов и маховиком (1).

Недостатками известных двигателей внутреннего сгорания являются низкий общий КПД (коэффициент полезного действия), высокие массогабаритные характеристики, большая сложность конструкции ввиду необходимости по меньшей мере двух цилиндров с поршнями для полного осуществления цикла, а в связи с чем высокие топливные потребности и эксплуатационные расходы (относительно предлагаемого устройства).

Целью настоящего изобретения является повышение общего КПД, снижение массогабаритных характеристик, упрощение конструкции, уменьшение топливных потребностей и других эксплуатационных расходов, а также обеспечение экологической, энергетической и экологической совместимости.

Технический результат достигается тем, что двигатель выполнен с задействованным в процессе расширения абсолютным (собственным) энергетическим параметром дезаксиального кривошипно-ползунного механизма, при рабочем ходе поршня с большим, чем задействованный абсолютный (собственный) энергетический параметр в процессе сжатия, при обратном ходе поршня в соответствии с выражением:

А(ξ, λ)_ϕрасш.>А(ξ, λ)_ϕсж.;

при этом

где А(ξ, λ)_ϕрасш. - задействованный в процессе расширения, абсолютный (собственный) энергетический параметр кривошипно-ползунного механизма, при рабочем ходе поршня;

А(ξ, λ)_ϕсж. - задействованный в процессе сжатия, абсолютный (собственный) энергетический параметр кривошипно-ползунного механизма, при обратном ходе поршня;

ξ - относительная величина дезаксиала механизма;

λ - относительная величина шатуна механизма;

ϕ - угол поворота кривошипа механизма двигателя;

ϕ₁ - угол положения кривошипа в начале процесса расширения в рабочем объеме цилиндра двигателя;

ϕ₂ - угол положения кривошипа в конце процесса расширения в рабочем объеме цилиндра двигателя;

ϕ₃ - угол положения кривошипа в начале процесса сжатия в рабочем объеме цилиндра двигателя;

ϕ₄ - угол положения кривошипа в конце процесса сжатия в рабочем объеме цилиндра двигателя,

или с ходом поршня, задействованным в процессе расширения, большим, чем ход поршня, задействованного в процессе сжатия соответственно при рабочем и обратном ходе поршня, при этом возможно совпадение углов положения кривошипа в конце процесса сжатия и начале процесса расширения ϕ₁ и ϕ₄, в свою очередь с коленчатым валом, связанным с маховиком через высшую кинематическую пару с большим передаточным отношением или с радиусом ведущего звена, большим, чем радиус ведомого звена этой кинематической пары, при передаче вращательного момента (движения) с коленчатого вала на маховик.

Общеизвестным является то, что у дезаксиального кривошипно-ползунного механизма угол поворота кривошипа, к примеру при рабочем ходе поршня, не равен углу поворота кривошипа при обратном его ходе. По этой причине в соответствии с работами (2, 3) в предлагаемом двигателе автора предусмотрено применение абсолютного (собственного) энергетического параметра дезаксиального кривошипно-ползунного механизма для рабочего хода с процессом расширения с меньшим углом поворота кривошипа по Фиг.1, где стрелкой показано направление вращения, для левого механизма - против часовой стрелки, а для правого механизма - по часовой стрелке. По работе (3) установлено, что дезаксиальный кривошипно-ползунный механизм, кроме того, что известно о нем, является своего рода механической "линзой" при передаче поступательных сил на вращательное движение и получение вращательного момента на валу вращения кривошипа (коленвал). К примеру по Фиг.1 при рабочем ходе поршня происходит поворот кривошипа от угла ϕ₁ до ϕ₂, что меньше, чем при обратном ходе от угла ϕ₂ через угол ϕ₃ до угла ϕ₄ обратно, но амплитуда вращательного момента на оси вращения кривошипа может увеличиваться в несколько раз в соответствии с (3), что установлено для любого дезаксиального кривошипно-ползунного механизма в зависимости от линейных параметров. Далее при повороте кривошипа от угла ϕ₂ до ϕ₃ происходит приостановка простой и незначительное обратное перемещение поршня для продувки отработанных газов и заполнения свежей порцией воздуха при открытом клапане 2 по Фиг.1, 2. От угла ϕ₃ положения кривошипа до ϕ₄ или ϕ₁ абсолютный собственный энергетический параметр дезаксиального кривошипно-ползунного механизма в процессе сжатия задействован только частично, а не полностью, к примеру, как в процессе расширения при повороте кривошипа от угла ϕ₁ до ϕ₂. По этой причине энергетический параметр механизма в процессе расширения задействован больше, чем при обратном ходе поршня в процессе сжатия или ход поршня, задействован в процессе расширения большего значения, чем ход поршня задействован в процессе сжатия. В зависимости от типа двигателя и способа воспламенения рабочей смеси возможно совпадение углов положения кривошипа в конце процесса сжатия и начале процесса расширения ϕ₄ и ϕ₁ ввиду условности этой границы во многих тепловых машинах. Симметричное спаривание дезаксиальных кривошипно-ползунных механизмов под один поршень в рабочем цилиндре с одновременной синхронизацией коленчатых валов по углам вращения с помощью двух окружностей одинакового радиуса, перекатывающихся без скольжения позволяет обеспечить

1. Взаимную балансировку вращающихся масс конструкций двигателя;

2. Исключение бокового давления поршня на цилиндр (опрокидывание);

3. Удвоение вращающего момента на маховике, не считая от эффекта "линзы" или механической линзы" самого дезаксиального кривошипно-ползунного механизма по (3).

Синхронизация симметричных коленчатых валов по углам вращения окружностями с одинаковыми по величине радиусами, перекатывающимися без скольжения между собой, осуществляется с помощью зубчатой передачи или при значительном расстоянии между валами, с помощью цепной, перекрестной, к примеру, и др. Обязательной частью предлагаемого двигателя автора является кинематическая связь коленчатого вала с маховиком через высшую кинематическую пару с увеличенным передаточным отношением или с радиусом ведущего звена большим, чем радиус ведомого звена этой кинематической пары, при передаче вращающего момента (движения) с коленчатого вала на маховик. Это можно осуществить также через зубчатую передачу по Фиг.1, 2, к примеру с помощью, малой шестерни 7 от синхронизирующей шестерни 6, при этом малая шестерня 7 жестко связана одним валом с маховиком, а большая шестерня жестко связана с коленчатым валом двигателя или с осью вращения кривошипа 5.

Решающим фактором в предлагаемом двигателе является возможность осуществления способа работы двигателя по механическому циклу Яримова (1) посредством одного цилиндра с поршнем, где задействован в процессе расширения абсолютный энергетический параметр дезаксиального кривошипно-ползунного механизма, при рабочем ходе поршня, большего значения, чем задействован энергетический параметр в процессе сжатия, при обратном ходе поршня в соответствие с выражением: А(ξ, λ)_ϕрасш.>А(ξ, λ)_ϕсж.

В широко применяемых классических поршневых двигателях с аксиальными кривошипно-ползунными механизмами энергетический параметр задействован в равных соотношениях и с самым минимально возможным значением, поэтому дальнейшее существенное повышение КПД невозможно как в механическом, так и в термодинамическом плане. Так по (4), к примеру абсолютный энергетический пример центрального кривошипно-ползунного механизма (аксиального) ДВС задействован на 140°-160° поворота кривошипа или коленчатого вала как при процессе расширения, так и в процессе сжатия для соответствующего хода поршня. Для существующей тенденции двигателестроения такие потери незадействования энергетических параметров механизмов, достигающих до 15-20% от без того минимально возможного, неизбежны ввиду того, что в них заложен изначально частный случай - термодинамический цикл Карно с линейным изменением рабочего объема ДВС. В то время, как автор-заявитель предлагает более общий - с термодинамическим циклом Яримова (5) при нелинейном изменении рабочего объема двигателя, при котором не требуется больших скоростей вращения коленчатого вала, а поршень перемещается при расширении рабочего тела достаточно медленно и на большую величину при одном и том же значении величины кривошипа, что позволяет обеспечить полное преобразование теплоты в механическую работу с выбросом холодных отработанных газов. Для сравнения абсолютный энергетический параметр механизма, предлагаемого автором ДВС с относительной величиной шатуна, равной 3,5, и относительной величиной дезаксиала, равной 2,0, по работе (3) в полтора раза превышает энергетический параметр аксиального механизма при одной и той же величине кривошипа и при одном и том же 140°-160° угле поворота этого же кривошипа, а передаваемый крутящий момент на коленчатом валу также больше в 1,5 раза в процессе расширения при рабочем ходе поршня. В связи с существованием несимметричного поворота кривошипа для рабочего и обратного хода поршня в предлагаемом двигателе автора возникает возможность переноса времени работы впускных и выпускных устройств (клапанов) полностью в зону обратного хода поршня, используя для этого неэффективную часть абсолютного энергетического параметра механизма, с задействованием остальной части между углами поворота кривошипа ϕ₃ и ϕ₄ в процессе сжатия, при обратном ходе поршня по Фиг.1.

Для специалиста является общеизвестным, что мощность классического двигателя получается из выражения: N=M·ω;

где М - крутящий момент на выходном валу двигателя;

N - мощность двигателя внутреннего сгорания;

ω - угловая скорость (количество оборотов) на выходном валу двигателя. Если обозначить Mi - крутящий момент на коленчатом валу ДВС автора, то с учетом по работе (3) и страницы 6 данного описания эффекта "механической линзы" и удвоения момента по стр.4, соотношение с моментом классических ДВС имеет вид: Mi=3M; при допущении всех видов сопротивлений равными. Отсюда исходит возможность уменьшения угловой скорости количества оборотов для двигателя автора на коленчатом валу в три раза, к примеру при данном соотношении линейных параметров дезаксиального кривошипно-ползунного механизма двигателя с соответствующими абсолютными (собственными) энергетическими параметрами (2, 3), для достижения такой же величины мощности на вале маховика 8 по Фиг.1, 2, как и в классических ДВС. Таким образом:

Ni=Mi·ωi,

где Mi - крутящий момент на выходном валу двигателя автора;

Ni - выходная мощность двигателя автора;

ωi - угловая скорость количество оборотов на выходном валу двигателя автора. А соотношения этих величин со значениями для классического двигателя имеют вид: Ni=N, Mi=3M, ωi=ω/3. Однако в связи с уменьшением угловой скорости количества оборотов на коленчатом валу двигателя автора в три раза, величина сопротивлений или классических механических потерь, зависящих от квадрата угловой скорости ω² уменьшится на порядок, то есть в десять раз. К ним относятся: трение качения и скольжения, пневматическое сопротивление, инерционные нагрузки, гидравлическое сопротивление масла и охлаждающей жидкости и др. Кроме вышеизложенного в предложенном двигателе автора используется механический и термодинамический циклы Яримова (1, 5), дающие существенную эффективность по сравнению с классическими двигателями внутреннего сгорания. Изложенная конструкция двигателя автора может действовать, когда рабочему ходу поршня будет соответствовать направление вращения кривошипа, меньшее, чем поворот кривошипа при обратном ходе поршня по Фиг.1, показанные стрелками на синхронизирующих окружностях 6.

Таким образом, поставленная цель изобретения достигается с многократными показателями, в особенности по уменьшению топливных потребностей и других эксплуатационных расходов, а также по обеспечению экологической, энергетической и экономической совместимости.

На Фиг.1 и 2 изображен двигатель внутреннего сгорания автора в схематическом виде и в двух проекциях. На Фиг.1 и 2 показаны: цилиндр 1 двигателя с впускными и выпускными устройствами 2, с размещенным в нем поршнем 3, в свою очередь кинематически одновременно связанными симметрично расположенными шатунами 4, с кривошипами 5 и на одном с ними валами, синхронизирующими окружностями 6, и через кинематическую пару ведомого звена 7 с маховиком 8. Кроме того, на Фиг.1 изображены углы положения кривошипов, соответствующих: ϕ₁ - в начале процесса расширения, ϕ₂ - в конце процесса расширения, ϕ₃ - в начале процесса сжатия, ϕ₄ - в конце процесса сжатия; а стрелками указаны направления вращения маховика и синхронизирующих окружностей и также направление движения воздушного потока в нижнем впускном и продувочном устройстве цилиндра двигателя.

Двигатель внутреннего сгорания автора работает следующим образом. При закрытом выпускном устройстве (клапане) 2, в цилиндре 1 поршень 3 перемещается от верхней мертвой точки под воздействием расширяющихся газов от ϕ₁ до ϕ₂ положения кривошипа 5, при этом совершается рабочий ход. Вращающий момент от усилий расширяющихся газов через шатуны 4 передается на кривошипы 5, которые вращаются: правый - по часовой стрелке, левый - против часовой стрелки и это синхронизируется окружностями 6, перекатывающимися без скольжения между собой. Далее увеличенный вращающий момент (согласно работы 3) и удвоенный через синхронизирующие шестерки 6 передается через малую шестерню 7 на маховик 8, который вращается против часовой стрелки на Фиг.1. По достижении головки поршня (верхней его части) впускного устройства в нижней части цилиндра, окна, происходит одновременное открытие верхнего клапана, при этом под давлением воздуха через нижнее окно 2 отработанные газы выдуваются по верхнему выпускному устройству, в период прохождения поворота кривошипа от угла ϕ₂ до ϕ₃ положения кривошипа соответствующему А(ξλ)_ϕвып, при этом поршень, миновав нижнюю мертвую точку, медленно начинает перемещаться вверх, одновременно помогая вытеснять отработанные газы из цилиндра. После перекрытия нижнего окна 2 поршнем и соответственно окончанием продувки цилиндра, верхнее выпускное устройство перекрывается и при дальнейшем перемещении поршня вверх от инерционных сил маховика через кривошипы и шатуны 4 происходит процесс сжатия от ϕ₃ до ϕ₄ положения кривошипа. Далее по достижении поршня близкого к верхней мертвой точки происходит впрыск топлива и осуществляется его воспламенение от сжатия свежего воздуха и вновь начинается процесс расширения после перехода поршнем верхней мертвой точки. И так циклы повторяются по механическому и термодинамическому, Яримова, по работам (1, 5) с многократной эффективностью, по сравнению с классическими общеизвестными двигателями внутреннего сгорания, при одном и том же значении получаемой мощности и одинаковых значениях величин кривошипов и диаметров поршней при сравнении. Абсолютный собственный энергетический параметр дезаксиальных кривошипно-ползунных механизмов задействован, в соответствие с положениями углов ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃, ϕ₄ кривошипов, в процессе расширения больше, чем он задействован в процессе сжатия в соответствие с выражением: А(ξ, λ)_ϕрасш.>А(ξ, λ)_ϕсж. И как последствие, задействованный рабочий объем в процессе расширения больше, чем задействованный рабочий объем двигателя автора в процессе сжатия, по соответствующим перемещениям поршня и кривошипов. Для улучшения работы предлагаемого двигателя можно установить дополнительный клапан, в нижней части цилиндра, чуть выше продувочного окна 2, который будет открываться, к примеру, электромагнитным приводом, в зависимости от количества подаваемого топлива в цилиндр, то есть в зависимости от режима нагрузки двигателя, тем самым увеличив разность между задействованным рабочим объемом в процессе расширения и задействованным рабочим объемом в процессе сжатия. Действие дополнительного клапана в нижней части цилиндра двигателя, но чуть выше окна 2, позволяет также увеличить разность между задействованным абсолютным энергетическим параметром в процессе расширения и задействованным абсолютным энергетическим параметром кривошипно-ползунного механизма в процессе сжатия. Оптимальным принципом действия этого дополнительного клапана является создание с помощью датчика равных давлений внутри цилиндра и снаружи (атмосферного) для максимального преобразования теплоты расширяющихся газов в механическую энергию маховика.

Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания автора соответствует критерию изобретения является новым, имеет изобретательский уровень и промышленно применим.

Источники информации

1. Заявка на изобретение № 2003103900/06 (004052), с названием "Способ работы двигателя по механическому циклу ЯРИМОВА и двигатель ЯРИМОВА", с датой подачи 10.02.2003 г., Патент РОССИИ №2249709, зарегистрированный 10.04.2005 г.

2. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2003610393, "Решение фундаментальной задачи с определением абсолютных энергетических параметров механизмов кривошипно-ползунного типа", правообладатель М.О.Яримов.

3. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2003611904, "Диаграмма абсолютных энергетических параметров кривошипно-ползунных механизмов", правообладатель М.О.Яримов.

4. К.Л.Ржепецкий, Е.А.Сударева, "Судовые ДВС", Ленинград, "Судостроение", 1984 г.

5. М.О.Яримов, Патент РОССИИ на изобретение № 2160373, "Способ работы ДВС" по циклу автора, 1999 г.

6. И.И.Артоболевский, Справочное пособие, "Механизмы в современной технике", том IV, механизм № 2383, стр.216, Москва, "Наука", 1960 г.

Дополнение к изложенному на стр.4, 6 описания:

Как известно по (2, 3) абсолютный энергетический параметр кривошипно-воздушных механизмов при рабочем ходе поршня равен АЭП при обратном ходе поршня в классических ДВС:

А(ξ, λ)_ϕраб.х.=А(ξ, λ)_ϕобр.х..

Наиболее оптимальным является максимально полное использование, задействование, в процессе расширения всего рабочего хода поршня и соответственно всего абсолютного энергетического параметр кривошипно-ползунного механизма: А(ξ, λ)_ϕраб.х.≅А(ξ, λ)_ϕрасш. Несимметричность кривой абсолютного энергетического параметра дезаксиального кривошипно-ползунного механизма дает возможность переноса времени впуска и продувки цилиндра двигателя в зону обратного хода поршня без ущерба процессу сжатия, и соответствующему значения абсолютного энергетического параметра:

А(ξ, λ)_ϕраб.х.=А(ξ, λ)_ϕсж.+А(ξ, λ)_{ϕвып.заполн.};

При этом обеспечивается механический цикл работы двигателя по автору в соответствие с работой (I):

где А(ξ, λ)ϕ_раб.х - АЭП, абсолютный энергетический параметр, соответствующий перемещению поршня от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки;

А(ξ, λ)_ϕобр.х - АЭП, абсолютный энергетический параметр соответствующие перемещению поршня от нижней мертвой течки до верхней мертвой точки;

А(ξ, λ)_{ϕвып.заполн.} - абсолютный энергетический параметр, соответствующий нахождению поршня при выпуске и заполнении цилиндра двигателя в промежутке положения кривошипа ϕ₂ и ϕ₃. Таким образом, на протяжение времени прохождения поршнем обрати ого хода происходит сначала выпуск и заполнение цилиндра свежим воздухом, а затем его сжатие, что возможно только в ДВС схем автора, работающих по механическому и термодинамическому циклу.

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано в тепловых машинах. Техническим результатом является повышение КПД, снижение массогабаритных характеристик, упрощение конструкции и уменьшение эксплуатационных расходов. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель выполнен с задействованным в процессе расширения абсолютным энергетическим параметром кривошипно-ползунного механизма при рабочем ходе поршня большем, чем в процессе сжатия при обратном ходе поршня, в соответствии с выражением: А(ξ, λ)_ϕрасш.>А(ξ, λ)_ϕсж. Коленчатый вал двигателя связан с маховиком через высшую кинематическую пару с радиусом ведущего звена большим, чем радиус ее ведомого звена при передаче вращения от коленчатого вала на маховик. 2 ил.

Двигатель внутреннего сгорания, содержащий, по меньшей мере, один цилиндр с впускными и выпускными устройствами, с размещенным в нем поршнем, выполняющим рабочий и обратный ход с процессами расширения, выпуска, впуска-заполнения, сжатия и связанным через дополнительный шатун или непосредственно с одним или двумя одновременно симметрично расположенными дезаксиальными кривошипно-ползунными механизмами, с коленчатыми валами, синхронизированными по углам вращения окружностями с одинаковыми по величине радиусами, перекатывающимися без скольжения между собой, с расстояниями между осями вращения кривошипов большим, чем удвоенная величина этих кривошипов, и маховиком, отличающийся тем, что двигатель выполнен с задействованным в процессе расширения абсолютным (собственным) энергетическим параметром дезаксиального кривошипно-ползунного механизма при рабочем ходе поршня большим, чем задействован абсолютный (собственный) энергетический параметр в процессе сжатия при обратном ходе поршня в соответствии с выражением:

А(ξ, λ)_ϕрасш.>А(ξ, λ)_ϕсж;

при этом

.

где А(ξ, λ)_ϕрасш. - задействованный в процессе расширения абсолютный (собственный) энергетический параметр кривошипно-ползунного механизма при рабочем ходе поршня;

A(ξ, λ)_ϕсж - задействованный в процессе сжатия абсолютный (собственный) энергетический параметр кривошипно-ползунного механизма при обратном ходе поршня;

ξ - относительная величина дезаксиала механизма;

λ - относительная величина шатуна механизма;

ϕ - угол поворота кривошипа механизма двигателя;

ϕ₁ - угол положения кривошипа в начале процесса расширения в рабочем объеме цилиндра двигателя;

ϕ₂ - угол положения кривошипа в конце процесса расширения в рабочем объеме цилиндра двигателя;

ϕ₃ - угол положения кривошипа в начале процесса сжатия в рабочем объеме цилиндра двигателя;

ϕ₄ - угол положения кривошипа в конце процесса сжатия в рабочем объеме цилиндра двигателя;

или с ходом поршня, задействованным в процессе расширения, большим, чем ход поршня, задействованного в процессе сжатия, при этом возможно совпадение углов положения кривошипа в конце процесса сжатия и начала процесса расширения ϕ₁ и ϕ₄, в свою очередь, с коленчатым валом, связанным с маховиком через высшую кинематическую пару с большим передаточным отношением или с радиусом ведущего звена большим, чем радиус ведомого звена этой кинематической пары, при передаче вращательного момента (движения) с коленчатого вала на маховик.