УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2011 года по МПК F02B75/32 

Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности усовершенствует устройство для реализации способа по патенту №2335648, предназначенное для энергетических установок, например, на электростанциях, на кораблях, тепловозах, автомобилях и в авиации.

В двигателестроении широко известно устройство для реализации способа преобразования вращательного движения коленчатого вала в возвратно-поступательное движение поршня (Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. - Л.: Судпромгиз, 1962 - с.81), которое включает цилиндр, поршень, шатун, коленчатый вал, связанный с валом нагрузки путем коробки скоростей или автомата.

Недостатком устройства для реализации способа является то, что коленчатый вал, являясь движителем поршня, совершает восемь тактов за цикл в четырехтактном двигателе.

Однако термодинамический цикл четырехтактного двигателя имеет два скоростных и два затяжных процесса. Таким образом, устройства для реализации известного способа работают по не скоординированным диаграммам.

Это не позволяет получить высокую эффективную мощность (Ne) в устройстве для реализации способа.

Известно также устройство для реализации способа работы поршневого двигателя (описание изобретения к патенту RU №2163681 С2, 7 F02; В 75/32 за 2001 г.), включающее цилиндр, поршень со штоком, подпружиненное коромысло, кулачек, закрепленный на валу, связанным с валом нагрузки путем коробки передач или автомата. Это замедляет скорость поршня во время совершения рабочего процесса.

Также недостатком устройства для реализации способа является то, что кулачок на больших оборотах создает эффект «трамплина». Это не позволяет получить высокую эффективную мощность.

Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания (описание изобретения к патенту RU 2335648, F02B 75/32; F02D 17/02 за 2008 г.), включающее цилиндр, поршень с шатуном, подпружиненное коромысло, один конец которого связан с валом нагрузки, а другой его конец может фиксироваться на одном из зубьев зубчатой собачки. В двигателе предусмотрен также управляющий вал с барабаном, на котором вращают с помощью электродвигателя полукольца-датчики. Вокруг барабана установлены электроприемники. В случае объединения одноцилиндровых двигателей в многоцилиндровый двигатель автоматическая система управления обеспечивает работу электроприводов пружин коромысел таким образом, что одноименные процессы в цилиндрах многоцилиндрового двигателя осуществляются либо поочередно, либо одновременно, либо группами.

Недостатком устройства для реализации способа является то, что скорость движения поршня во время совершения рабочего процесса зависит от скорости вращения вала нагрузки. А в это время рабочее тело, имея высокие параметры, отдает тепловую энергию стенкам цилиндра, которые охлаждаются водой. Это, согласно первому закону термодинамики, не позволяет подучить высокий КПД в устройстве для реализации способа.

Исходя из вышеизложенного была поставлена задача разработать такое устройство для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя, которое улучшит основные технические характеристики параметров поршневого многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания.

Поставленная задача решается заявленным устройством для реализации способа, содержащим цилиндр, поршень с шатуном, подпружиненное коромысло, один конец которого связан с валом нагрузки, а другой его конец может фиксироваться на одном из зубьев зубчатой собачки. Пружины осуществляют движения коромысел по команде полуколец-датчиков, вращающихся на барабане.

В заявленном устройстве для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя признаками изобретения, общими для него и его наиболее близкого аналога, являются:

- цилиндр, поршень с шатуном;

- подпружиненное коромысло, один конец которого связан с валом нагрузки, а другой его конец может фиксироваться на одном из зубьев зубчатой собачки;

- пружины осуществляют движение коромысла;

- использован электрический способ управления устройством для реализации способа.

В заявленном устройстве для реализации способа признаками изобретения, отличающими его от наиболее близкого аналога, являются:

- подпружиненное коромысло во время совершения рабочего процесса не связано с валом нагрузки.

Данная совокупность отличительных признаков изобретения вместе с общими признаками заявленного устройства для реализации способа и наиболее близкого его аналога обеспечивают получение положительного эффекта изобретения во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

На фиг.1 изображена кинематическая схема устройства для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания.

На фиг.2 - идеальная диаграмма работы четырехтактного одноцилиндрового ДВС, построенная по способу Гриневецкого-Мазинга в координатах: давление (Р) кГс/см²; угол поворота коленчатого вала (λ⁰) в градусах.

На фиг.3 - диаграмма хода поршня четырехтактного одноцилиндрового ДВС, построенная по способу Брикса в координатах: ход поршня (n) в мм; угол поворота коленчатого вала (λ⁰) в градусах.

На фиг.4 - реальная индикаторная диаграмма работы четырехтактного одноцилиндрового ДВС в координатах: давление (Р) кГс/см²; угол поворота коленчатого вала (λ⁰) в градусах.

На фиг.5 - индикаторная диаграмма работы четырехтактного четырехцилиндрового двигателя в координатах: давление (Р) кГс/см²; угол поворота коленчатого вала (λ⁰) в градусах.

На фиг.6 - индикаторная диаграмма работы четырехтактного четырехцилиндрового ДВС при 1500 об/мин, а после переключения скорости - при 5000 об/мин, в координатах: давление (Р) кГс/см²; угол поворота коленчатого вала (λ⁰) в градусах.

На фиг.7 - силы, действующие на коленвал со стороны поршней во время работы четырехтактного четырехцилиндрового ДВС при 1500 об/мин, а после переключения скорости - при 5000 об/мин:

1) Силы, возникающие во время протекания вспомогательных процессов (F1);

2) Силы, возникающие во время протекания рабочих тактов в цилиндрах ДВС (F2);

3) Силы, возникающие во время протекания процессов сгорания топливовоздушной смеси (F3);

4) Силы, действующие на коленвал во время отключения нагрузки, в момент переключения скорости (F4).

На фиг.8 - индикаторные диаграммы цилиндров четырехтактного четырехцилиндрового ДВС; одни и те же процессы в которых совершаются одновременно.

На фиг.9 - диаграмма эффективных мощностей цилиндров, одни и те же процессы в которых совершаются одновременно.

На фиг.10 - индикаторные диаграммы цилиндров четырехтактного четырехцилиндрового ДВС, одни и те же процессы в которых совершаются поочередно.

На фиг.11 - диаграмма эффективных мощностей цилиндров, одноименные процессы в которых совершаются поочередно.

На фиг.12 - индикаторные диаграммы цилиндров четырехтактного четырехцилиндрового ДВС, одни и те же процессы в которых совершаются группами.

На фиг.13 - диаграмма эффективных мощностей цилиндров, одноименные процессы в которых совершаются группами.

На фиг.14 изображена однолинейная электрическая схема управления устройством для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания.

На фиг.15 - кинематическая схема газораспределения первого рабочего цилиндра на управляющем барабане.

Устройство для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, поршень 2, шатун 3 и коромысло 4. Один конец коромысла через зубчатый обод храпового колеса 5 вращает вал нагрузки 7 путем зубчатого колеса 6. Пружина 9 позволяет коромыслу 4 качаться относительно оси 11.

Второй конец коромысла 4 в хвостовой части имеет возможность фиксироваться на одном из зубьев зубчатой собачки 8. Пружина 12 позволяет зубчатой собачке 8 качаться относительно оси 13 между приводом 1C и опорой пружины 12. С помощью ролика 15 рычаг 17 замыкает контакты сигнальной лампочки 1Л. На верхней крышке цилиндра 1 установлены форсунка 10, клапаны 16 наполнения цилиндра воздухом с приводом 1КН.

В нижней части цилиндра расположен канал выпуска газов продуктов сгорания 14. Устройство для реализации способа имеет управляющий барабан, на котором размещены полукольца-датчики 18, 19, 21, 22, 24. Вокруг управляющего барабана рядами с интервалом 90° на отметках 0°, 90°, 180° и 270° установлены электроприемники.

Водитель с помощью выключателя задает нужный режим и автоматическая система управления (АСУ) быстро и безошибочно осуществит нужные процессы во всех рабочих цилиндрах.

Перед запуском устройства для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания водитель проверяет готовность двигателя к пуску. В этом он убеждается по сигнальным лампочкам 1Л, 2Л, 3Л и 4Л. Если лампочки не горят, водитель включает сначала выключатель 1П. Это позволит через выключатель 1П подать напряжение 12V (вольт) на катушку 1КН клапана 16 наполнения цилиндра воздухом с приводом 1КН и тем самым подать сжатый воздух из ресивера (на фиг.1 не показан) в первый рабочий цилиндр (см. фиг.1 и 14).

О подаваемом количестве воздуха в цилиндр оператор узнает по сигнальной лампочке 1Л, которая должна загореться по окончании данной операции. Кроме того, конец коромысла 4 зафиксируется на одном из зубьев зубчатой собачки 8.

Аналогичные операции произойдут с каждым рабочим цилиндром четырехцилиндрового двигателя, если оператор включит поочередно выключатели 2П, 3П и 4П.

Далее оператор включает в работу управляющий барабан путем подачи напряжения 12V к электродвигателю ЭДП постоянного тока через выключатель ДБ (см. фиг.14). После включения выключателя ДБ напряжение 12V появится также на сплошном кольце 18 барабана через щеткодержатель Щ. От кольца 18 напряжение распределиться по всем полукольцам-датчикам, закрепленным на барабане. Затем оператор включает выключатель 1ВР режима магнитного пускателя 1P. После включения магнитного пускателя 1P напряжение появится в катушках магнитных пускателей 1МП-0, 2МП-90, 3МП-180 и 4МП-270. Это позволит во время запуска двигателя включить в работу цилиндры четырехцилиндрового двигателя таким образом, чтобы одноименные процессы в разных цилиндрах совершались поочередно через интервал в 90°.

Для примера рассмотрим, каким образом начнет работать первый рабочий цилиндр при запуске. Во время вращения барабана полукольцо-датчик 19 приближается, а затем коснется электроприемника 1С-0. Это позволит подать напряжение 12V с полукольца-датчика 19, замкнутые контакты 1С1 магнитного пускателя 1МП-0 в катушку привода 1C зубчатой собачки 8 первого рабочего цилиндра. После этого привод 1C сожмет пружину 12, повернет зубчатую собачку 8 влево и освободит хвостовик коромысла 4. Под воздействием пружины 9 коромысло 4 вместе с шатуном 3, поршнем 2 поднимутся вверх, а поршень 2 сожмет при этом воздух в цилиндре 1. В районе верхней точки хода поршня в полость цилиндра с помощью форсунки 10 поступит топливо, которое воспламенится и сгорит. Под действием высокого давления поршень поменяет свое направление и быстро начнет двигаться вниз, увлекая за собой шатун 3 с коромыслом 4. При этом коромысло 4 не будет поворачивать зубчатый обод храпового колеса 5 против часовой стрелки. Напротив, вал нагрузки в этот момент будет стоять на месте или двигаться по часовой стрелке. Это позволит поршню 2 быстро сжимать пружину 9, а в нижнем положении хвостовик коромысла 4 повернет зубчатую собачку 8 влево и зафиксируется на одном из зубьев собачки 8. В это время полукольцо-датчик 21 приблизится, а затем коснется электроприемника 1КН-0 на отметке 0°, после чего напряжение 12V, минуя замкнутые контакты 1КН1 магнитного пускателя 1МП-0, поступит в катушку 1КН привода клапана 14 наполнения первого рабочего цилиндра. Это позволит сжатому воздуху из ресивера направиться в первый рабочий цилиндр, вытесняя при этом отработанные газы через канал выпуска отработанных газов 14. Вскоре конец полукольца-датчика 21 покинет отметку 0° на барабане. После этого прекратится подача электроэнергии в катушку 1КН привода наполнения клапана 14 первого цилиндра. А в это время полукольцо-датчик 19 приблизится, а затем коснется электроприемника 1С-0. Это позволит подать напряжение 12V с полукольца-датчика 19, замкнутые контакты 1С1 магнитного пускателя 1МП-0 в катушку привода 1C зубчатой собачки 8 первого рабочего цилиндра. После этого привод 1C сожмет пружину 12, повернет зубчатую собачку 8 влево и освободит хвостовик коромысла 4. Под действием пружины 9 коромысло 4 будет поворачивать зубчатый обод храпового колеса 5 по часовой стрелке, который в это время связан с валом 7 нагрузки, путем зубчатого колеса 6. Вместе с этим шатун 3 поршнем 2 поднимутся вверх, а поршень 2 сожмет при этом воздух в цилиндре 1. В районе верхней точки хода поршня в полость цилиндра 1 с помощью форсунки 10 поступит топливо, которое воспламенится и сгорит. За один оборот управляющего барабана во всех четырех цилиндрах совершатся аналогичные процессы, причем одноименные процессы с интервалом в 90° будут происходить в разных цилиндрах по мере вращения управляющего барабана.

При таком режиме выходная мощность двигателя будет небольшой, так как рабочие процессы в цилиндрах двигателя будут совершаться поочередно. Поэтому в любой момент времени на выходной вал будет действовать только механическая мощность, идентичная мощности одного цилиндра.

Для того чтобы увеличить выходную мощность двигателя два раза, оператор должен отключить выключатель режима 1ВР, а затем включить выключатель режима 2ВР. Это позволит отключить катушку магнитного пускателя 1P и включить под напряжение катушку магнитного пускателя 2Р. После включения магнитного пускателя 2Р напряжение появится в катушках магнитных пускателей 1МП-0, 2МП-0, а также 3МП-180, 4МП-180. Это позволит совершать одноименные процессы сразу в двух цилиндрах, то есть в первом и во втором на отметке 0°, в третьем и четвертом цилиндрах - на отметке 180°. Для примера рассмотрим, каким образом будут совершать одноименные процессы сразу два цилиндра. Во время вращения управляющего барабана полукольцо-датчик 19 приблизится, а затем прикоснется к электроприемнику 1С-0. Это позволит подать напряжение 12V с полукольца-датчика 19, замкнутые контакты 1С1 магнитного пускателя 1МП-0 в катушку привода 1C зубчатой собачки 8 первого рабочего цилиндра. Одновременно напряжение 12V появится в катушке привода 2С зубчатой собачки 8 второго рабочего цилиндра, с полукольца-датчика 22, замкнутые контакты 2С1 магнитного пускателя 2МП-0. После этого зубчатые собачки 8 синхронно повернутся в первом и втором цилиндрах и освободят хвостовики коромысел 4 в обоих цилиндрах. Под воздействием пружин 9 зубчатые сектора коромысла 4 будут поворачивать зубчатые обода храповых колес 5 по часовой стрелке, которые в это время связаны с валами 7 нагрузки путем зубчатого колеса 6. Одновременно с этим шатуны 3 поршнями 2 поднимутся вверх, а поршни 2 сожмут при этом воздух в цилиндрах 1. В районе верхних точек хода поршня в полости цилиндров первого и второго с помощью форсунок 10 поступит топливо, которое воспламенится и сгорит. Под воздействием высокого давления поршни первого и второго цилиндров поменяют свое направление и быстро опустятся вниз, не связанно с валами 7 нагрузок. Это позволило поршням 2 первого и второго цилиндров быстро сжимать пружины 9 и зафиксировать хвостовики коромысел 4 на одном из зубьев собачки 8. В это время полукольца-датчики 21, 24 приблизятся, а затем коснутся электроприемника 1КН-0 на отметке 0°, после чего напряжение 12V, минуя замкнутые контакты 1КН1 магнитного пускателя 1МП-0, поступят в катушки 1КН приводов клапанов 14 наполнения первого и второго цилиндров. Это позволит сжатому воздуху из ресивера направиться в первый и второй цилиндры и вытеснить из них отработанные газы через каналы 14, расположенные в нижней части. После этого концы полуколец-датчиков 21, 24 покинут отметку 0° на барабане и прекратят подачу электроэнергии в катушки 1КН, 2КН приводов наполнения клапанов 14 первого и второго цилиндров. Затем полукольца-датчики 19, 22 приблизятся, а затем коснутся электроприемников 1C, 2С. Это позволит подать напряжение 12V с полуколец-датчиков 19, 22, замкнутые контакты 1С1, 2С1 магнитных пускателей 1МП-0, 2МП-0 в катушки 1C, 2С приводов зубчатой собачки 8 первого и второго цилиндров на отметке 0°. После этого зубчатые собачки 8 синхронно повернутся в первом и во втором цилиндрах и освободят хвостовики коромысел 4 в обоих цилиндрах. Под действием пружин 9 зубчатые сектора коромысел 4 будут поворачивать зубчатые обода храповых колес 5 по часовой стрелке, которые в это время связаны с валами 7 нагрузок.

Аналогичные операции будут совершаться при данном режиме сразу в двух цилиндрах, то есть в первом и во втором на отметке 0°. А также в третьем и четвертом - на отметке 180° (см. фиг.15). Если обстановка потребует увеличения мощности двигателя, оператор отключит выключатель режима 2ВР, а затем включить выключатель 3ВР. Это позволит совершать одноименные процессы во всех четырех цилиндрах одновременно на отметке 0°. Таким образом, мощность двигателя возрастет в четыре раза, то есть будет равна сумме механических мощностей пружин 9, равным цилиндровым мощностям всех цилиндров двигателя.

Кроме того, на данном режиме оператор сможет увеличить выходную мощность путем увеличения скорости вращения управляющего барабана с одновременным увеличением давления воздуха, поступающего в цилиндр во время вспомогательного такта. Это позволит получить максимальную мощность ДВС.

Прежде чем перейти к изложению технико-экономических преимуществ, подкрепляют убедительными примерами цель изобретения. В настоящее время в мире выпускают ДВС транспортных средств по проектам, которые были созданы без научных, технических знаний. Это нанесло человеческому обществу непоправимый вред, так как сегодня мощности ДВС превышают необходимую для данного транспортного средства в 50-70 раз. Как ни странно, двигателисты сегодня создают такие «парадоксальные» двигатели на «законных» основаниях.

Так, сегодня для определения КПД двигателей внутреннего сгорания используют формулировку второго закона термодинамики, предложенную французским инженером Сади Карно в 1824 году. Однако эта формулировка была предложена для идеальных двигателей, которые работают в идеальных условиях, т.е. без потерь. Сегодня стало очевидно, что эта формулировка не отражает потери, которые возникают в современных ДВС из-за несовершенства их конструкций.

Так, согласно квантовой механике, рабочее тело (продукты сгорания), имеющие начальную температуру 2000К, излучают короткие волны, которые распространяются со скоростью, близкой к скорости света (300000 км/сек). Чтобы спасти детали цилиндро-поршневой группы от разрушения, двигателисты внедрили сложнейшую систему охлаждения. Таким образом, рабочее тело в цилиндре с начальной температурой 2000К стали охлаждать водой. Очевидно, этот процесс, сопровождающийся потерей внутренней энергии в цилиндре, не отражен в формулировке Сади Карно. Кроме того, во время совершения рабочего процесса поршень в цилиндре двигается «медленно» из-за того, что он связан с коленчатым валом, который имеет «мертвые зоны». Вместе с этим коленчатый вал через коробку передач соединен с валом нагрузки, который железной хваткой связан с дорогой.

Вся эта «цепочка» механизмов замедляет скорость движения поршня во время совершения рабочего процесса. Однако эти потери не отражены в формулировке второго закона термодинамики. Зная об этом, мы должны составить, а затем применить новую формулировку для определения КПД реальных двигателей, которая, очевидно, будет выглядеть так:

,

где T₁ - начальная температура газов продуктов сгорания;

T₂ - температура газов продуктов сгорания, покидающих цилиндр через выпускные клапана;

Т₃ - температура газов продуктов сгорания, на которую снизилась начальная температура из-за присутствия в устройстве коробки передач или автомата;

Т₄ - температура газов продуктов сгорания, на которую снизилась начальная температура из-за связи вала нагрузки с поршнем во время совершения рабочего процесса;

Т₅ - температура газов продуктов сгорания, на которую снизилась начальная температура из-за прохождения «мертвой зоны» коленчатого вала;

Т₆ - температура газов продуктов сгорания, на которую снизилась начальная температура во время охлаждения цилиндра водой.

Таким образом, нам стало ясно, что созданный без научных обоснований ДВС оброс «надстройками», которые перевели его в разряд «парадоксальных», с множеством существенных недостатков.

Эти недостатки отсутствуют в устройстве для реализации способа, предлагаемого автором изобретения. Это стало возможным благодаря научно-обоснованным расчетам, приведенным выше. Это позволило убрать из конструкции устройства для реализации способа сложнейшие «надстройки»: коленчатый вал, распределительный вал, коробки передач, автоматы, сложнейшую систему охлаждения. Механическая система управления будет заменена электрической. Это позволит не только повысить КПД двигателя путем ликвидации потерь Т₃, Т₄, Т₅, Т₆ в формулировке для определения КПД нового двигателя, но и получить простое в изготовлении, надежное в работе устройство для реализации способа повышения эффективности работы ДВС. Движителем поршня будет обыкновенное коромысло. Охлаждать цилиндр будет воздух с внутренней стороны, который при нагревании будет повышать температуру рабочего тела. Этот процесс будет совершаться во время вспомогательного такта. Однорежимные двигатели-«великаны» будут заменены на однорежимные малолитражные двигатели, которые будут работать на номинальном расчетном режиме постоянно, независимо от профиля дороги, поэтому эффективно. Изменять мощность в широких пределах будет водитель путем автоматической системы управления (АСУ) без коробок передач или автоматов.

Благодаря вышеизложенным преимуществам устройства для реализации способа повышения эффективности работы двигателя внутреннего сгорания будут иметь большую агрегатную мощность по сравнению с современными ДВС при меньших размерах, которую при этом можно будет при надобности увеличивать, удовлетворяя растущие потребности использования двигателей для решения многочисленных научных и технических проблем, а также в обороне страны.

Изобретение относится к области энергомашиностроения. Технический результат заключается в повышении эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит цилиндр, поршень с шатуном, связанным с подпружиненным коромыслом, качающимся на оси. Один конец коромысла связан с валом нагрузки, а другой его конец фиксируется на одном из зубьев зубчатой собачки. Поршень посредством шатуна и коромысла сжимает пружину коромысла без связи с валом нагрузки, после чего один конец коромысла фиксируется на одном из зубьев собачки. А после освобождения зафиксированного конца коромысла, под действием сжатой пружины коромысла другой конец коромысла вращает зубчатый обод храпового колеса вала нагрузки при движении поршня с шатуном и коромыслом из нижнего положения. Это позволит поршню совершать рабочий процесс быстрее. 15 ил.

Устройство для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащее цилиндр, поршень с шатуном, связанным с подпружиненным коромыслом, качающимся на оси, при этом один конец которого связан с валом нагрузки, а другой его конец фиксируется на одном из зубьев зубчатой собачки, отличающееся тем, что поршень посредством шатуна и коромысла сжимает пружину коромысла без связи с валом нагрузки, после чего один конец коромысла фиксируется на одном из зубьев собачки, а после освобождения зафиксированного конца коромысла под действием сжатой пружины коромысла другой конец коромысла вращает зубчатый обод храпового колеса вала нагрузки при движении поршня с шатуном и коромыслом из нижнего положения.