ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ДВОЙНОГО ДЕЙСТВИЯ Российский патент 2020 года по МПК F02B75/28 F02B33/22 

Изобретение относится к двигателестроению в частности к устройствам, использующим энергию топлива.

Известно большое количество двигателей, содержащих блок цилиндров и перемещающиеся в них поршни, где энергия сжигаемого топлива используется не полностью.

Известен двигатель внутреннего сгорания в описании к изобретению №2269017, от 2002.09.16 МПК F02B 75/28, содержащий три цилиндра, разделенные двумя стенками, в трех цилиндрах установлены два блока поршней, каждый из которых состоит из рабочего поршня, жестко соединенного штоком через стенку с дополнительным поршнем с образованием дополнительных полостей между дополнительным поршнем и стенкой, компрессор для сжатия и подачи воздуха в камеру сгорания, герметичную емкость для нагнетания в нее воздуха и подачи из нее воздуха в дополнительные полости в определенный период цикла через запорно-перепускные устройства, при этом топливо подается в поток воздуха в период подачи воздуха из компрессора в камеру сгорания, отличающийся тем, что после закрытия клапана подачи воздуха в дополнительные полости открывается клапан перепуска высокотемпературного газа из камеры сгорания в дополнительные полости по соединительному трубопроводу.

Недостатки: неполное использование сжигаемого топлива.

Наиболее близким к заявленному техническому решению по технической сущности является свободнопоршневой двигатель N25/3076. Двигатель содержит картер с установленными в нем устройствами для подачи и воспламенения топлива. Помимо этого двигатель содержит дополнительный цилиндр с поршнем, впускные и выпускные каналы и поршневые группы, связанные штоком. Дополнительный цилиндр отделен от картера перегородкой. Известному двигателю, как и всем выше рассматриваемым, присущ один недостаток - неполное использование сжигаемого топлива.

Техническим результатом настоящего изобретения - повышение экономичности двигателя за счет использования тепла, получаемого при сжигании топлива и увеличение полезной работы при расширении газа.

Поставленная задача достигается за счет того, что двигатель внутреннего сгорания двойного действия (ВСДД), содержащий два (фиг. 1) цилиндра разного диаметра, цилиндр меньшего диаметра 18 - компрессор, цилиндр большего диаметра - рабочий цилиндр 25. Цилиндры жестко соединены с двух сторон со стенками 17. В компрессоре и рабочем цилиндре перемещаются возвратно-поступательно два поршня 20,2 6 сочлененные кривошипно-шатунным механизмом 19,27 с коленчатыми валами 28,29, установлеными в кронштейнах 39 (фиг. 1 и фиг. 6).

Корпус 21 мембранного механизма соединен с трубопроводом 37, регулировочный стержень 22 установлен в корпусе 21, пружина 23 установлена между стержнем 22 и мембраной 24. В корпусе 36 перепускного устройства под действием кулачка 35, шток 34 с отверстием 33 в определенный период цикла смещается до совпадения с полостью трубопровода 37, открывая проход воздуха из компрессора в полость рабочего цилиндра, между штоком 34 и корпусом 36 установлена пружина 31. Дополнительный цилиндр 14 жестко соединен с плитой 17. В цилиндре поршень 16 сочленен кривошипно-шатунным механизмом 15 с коленчатым валом 28, самодействующий клапан 32 на трубопроводе 37 перекрывает доступ, воздух в обратном направлении.

Два кривошипа 41 и две штанги 42 передают усилие двух коленчатых валов 28 и 29 на общий вал 43.

Заявленное техническое решение иллюстрируется при помощи чертежей

1. Принципиальная схема кинематики двигателя ВСДД

2. Объем 45 и размер между поршнями 44 сжатого воздуха в компрессоре степень сжатия 14 (фиг. 2)

3. Объем 46 и размер 47 поступившего воздуха из компрессора (фиг. 3) в рабочий цилиндр.

4. Соединение цилиндра компрессора 18 и рабочего цилиндра 25 с плитами 17 (фиг. 4 и фиг. 5).

5. Крепление кронштейна 39 к плите 17 (фиг. 6 и фиг. 7)

6. Подшипник 48, подшипник из двух половинок 30 (фиг. 8, 9).

7. Объем 45 сжатого воздуха в компрессоре и размер 44 между поршнями (фиг. 10)

8. Объем сжатого воздуха 49 в компрессоре после поступления части воздуха в мембранный механизм (фиг. 11)

9. Объем сжатого воздуха 46 (фиг. 3 и фиг. 12) в полости рабочего цилиндра после поступления воздуха из компрессора и мембранного механизма, размер между поршнями (фиг. 12 и фиг. 3), 47=0,57 см.

10. Выпускное устройство (фиг. 13) ось клапана 50 смещена относительно горизонтальной оси на необходимый угол.

Двигатель ВСДД (фиг. 1) содержит цилиндр компрессора 18 с двумя поршнями 20, компрессор - сжатие воздуха после впуска, степень сжатия 14, подача сжатого воздуха в полость между поршнями рабочего цилиндра

Рабочий цилиндр после подачи сжатого воздуха, подача топлива, вспышка, горение топлива, такт расширения. Такты ВСДД разделены: компрессор - впуск воздуха и сжатие, подача воздуха, рабочий цилиндр после подачи воздуха и подачи топлива такт расширения, обратный ход выпуск.

Компрессор и рабочий цилиндр с двух сторон соединены с плитами 17. Два коленчатых вала 28 и 29 усилие рабочих поршней 26 через кривошипно-шатунный механизм 27 передают на общий вал 43 через штангу 42 и кривошип 41. Коленчатые валы 28 и 29 установлены в кранштейнах 39 (фиг. 1 и фиг. 6, 7) показаны плита 17. Коленчатый вал 28, 29, кронштейн 39, подшипник 48.

Цилиндр 14 для дополнительной подачи воздуха жестко закреплен на плите 17, в цилиндре поршень 16 через кривошипно-шатунный механизм 15 сочленен с коленчатым валом 28, самодействующие клапаны 13 впуск, 40 подача в компрессор.

Для стабилизации давления в период подачи воздуха из компрессора в полость рабочего цилиндра применяется мембранный механизм, который содержит корпус 21, соединенный с трубопроводом 37, в корпусе мембрана 24 под заданное давление регулируется упором 22 (фиг. 1), сжимая пружину 23 до соответствующего давления поступающего воздуха.

Устройство для подачи воздуха из компрессора в полость рабочего цилиндра содержит корпус 36, соединенный с трубопроводом 37, в корпусе 36 под действием кулачка 35 перемещается шток 34 с отверстием 33. В период подачи воздуха из компрессора 18 кулачек совмещает отверстие 33 с трубопроводом 37, сжатый воздух из компрессора и мембранного механизма по трубопроводу 37 поступает в полость рабочего цилиндра 25 между поршнями 26, в момент вспышки обратный клапан 32 перекроет поступление газа из рабочего цилиндра в компрессор.

Два кривошипа 41 и две штанги 42 передают усилие двух коленчатых валов 28 и 29 на общий вал 43.

Для обеспечения работоспособности выпускного устройства (фиг. 13) ось клапана 50 расположена под углом к горизонтальной оси (фиг. 13), где общий вал 43, кулачек 51, толкатель 52, коромысло 53, клапан 50, рабочий цилиндр 25.

Вышеизложенное рассмотрим на примере, для чего компрессор и рабочий цилиндр возьмем со следующими параметрами:

1. Компрессор: диметр цилиндра 50 мм \, площадь поршней по 20 см2, ход поршней по 60 мм 6+6=12 см, объем после в пуска 20×12=240 см3, степень сжатия 14, объем сжатого воздуха 240:14=17, 1 см3 размер между поршнями при объеме 17,1 см3 12:14=0,86 см.

2. Рабочий цилиндр: площадь поршней по 30 см³, при диаметре цилиндра 61,8 мм, размер между поршнями при объеме 17,1 равен 17,1:30=0,57 см, ход поршней компрессора и рабочего цилиндра равны по 60 мм (6+6=12 см.) Объем 45 (фиг. 2) и объем 46 (фиг. 3) равны по 17,1 см², размеры между поршнями компрессора 44 (фиг. 2) равен 0,86 см, размер между поршнями рабочего цилиндра 47 (фиг. 3) равен 0,57 см. Объемы сжатого воздуха компрессора и рабочего цилиндра равны, размеры меду поршнями компрессора и рабочего цилиндра не равны (0,86 и 0,57). Положение поршней перед началом подачи из компрессора в полость рабочего цилиндра (фиг. 10) размер между поршнями компрессора 0,86 см, поршни рабочего цилиндра ВМТ. Во время перепуска поршни компрессора сближаются до ВМТ, вытеснив в рабочий цилиндр объем 17,1 см³, поршни рабочего цилиндра от ВМТ разойдутся до размера 0,86, создав объем 0,86×30=25,8 см³. Объем рабочего цилиндра в 1,5 раза больше поступившего объема компрессора (25,8:17,1=1,5), давление поступившего воздуха в полость рабочего цилиндра уменьшится в 1,5 раза, двигатель ВСДД работать по принципу «дизель» не может.

Для подачи объема воздуха из компрессора в полость рабочего цилиндра не снижая давление, применяется мембранный механизм. Поршни компрессора, сжав воздух до размера 0,86, продолжают сближение, до размера 0,57 см, тогда объем между поршнями компрессора равен 0,57×20=11,4 см³, объем (17,1-11,4=5,7 см³), 5,7 см³ поступит в мембранный механизм (фиг. 11).

Во время подачи воздух подается поршнями компрессора и мембранного механизма в полость рабочего цилиндра в объеме 17,1 см³ и давление 4 МПа (фиг. 11 и фиг. 12), после подачи воздуха подача топлива, горение, расширение, рабочий ход.

Сравним технические характеристики ВСДД и четырех цилиндрового четырехтактного двигателя «дизель».

Двигатель ВСДД за один оборот коленчатого вала один рабочий ход с максимальным давлением на поршни в начале расширения (30+30)×8=480 МПа, два оборота 480×2=960 МПа.

Потребление на сжатие (20+20)×4=160 МПа, два оборота 160+160=320 МПа, разность расширения и сжатия 960-320=640 МПа.

Дизель один рабочий ход с начальным максимальным давлением на поршень в начале расширения 30×8=240 МПа за два оборота коленчатого вала четыре рабочих хода 240×4=960 МПа, максимальное давление на сжатие 30×4=120 МПа, за два оборота четыре сжатия 120×4=480 МПа.

Разность расширения и сжатия 960-480=480 МПа.

Расход топлива ВСДД за два оборота две порции топлива.

Расход топлива дизель за два оборота четыре порции топлива.

Модуль силы ВСДД равен М=Fx(R+R)

Модуль силы дизель равен М=FR

Расчет произведены, если при впуске объем компрессора будет заполнен воздухом атмосферного давления, фактически давление в компрессоре после впуска равно 75-85 Кпа, что снижает мощность двигателя. Подача дополнительного объема воздуха в компрессор дополнительным насосом (цилиндр с поршнем) увеличит мощность двигателя.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания двойного действия содержит рабочий цилиндр (25), компрессор (18) и устройство для подачи воздуха из компрессора (18) в полость рабочего цилиндра (25). Рабочий цилиндр (25) выполнен большего диаметра, с двумя поршнями. Компрессор (18) выполнен в виде цилиндра меньшего диаметра, с двумя поршнями. Поршни рабочего цилиндра (25) и поршни компрессора (18) сочленены кривошипно-шатунным механизмом с двумя коленчатыми валами (28), (29). Двигатель снабжен дополнительным цилиндром (14) для подачи воздуха в компрессор (18) и мембранным механизмом. Мембранный механизм содержит корпус (21), регулировочный стержень (22) с гайкой установленный в корпусе (21), пружину (23), установленную между стержнем (22) и мембраной (24). Устройство для подачи воздуха из компрессора (18) в полость рабочего цилиндра (25) содержит корпус (36). В корпусе (36) под действием кулачка (35) перемещается шток (34) с отверстием (33). В период подачи воздуха из компрессора (18) кулачек (35) совмещает отверстие (33) с трубопроводом (37) сжатого воздуха. Сжатый воздух из компрессора (18) и мембранного механизма по трубопроводу (37) сжатого воздуха поступает в полость рабочего цилиндра (25) между поршнями. Во время сжатия часть объема воздуха остается между поршнями компрессора (18), часть поступает в мембранный механизм. В момент вспышки самодействующий обратный клапан (32) перекрывает проход газа рабочего цилиндра (25) в компрессор (18). Коленчатые валы (28), (29) сочленены кривошипно-шатунным механизмом с кривошипом общего вала (43). Дополнительный цилиндр (14) для подачи воздуха в компрессор содержит поршень (16), сочлененный кривошипно-шатунным механизмом (15) с коленчатым валом (28), два самодействующих клапана, впуск в цилиндр и подачу в компрессор (18). Технический результат заключается в улучшении использования тепла, получаемого при сжигании топлива, и в увеличении полезной работы при расширении газа. 13 ил.

Двигатель внутреннего сгорания двойного действия, содержащий рабочий цилиндр, компрессор и устройство для подачи воздуха из компрессора в полость между поршнями рабочего цилиндра, рабочий цилиндр выполнен большего диаметра с двумя поршнями, компрессор выполнен в виде цилиндра меньшего диаметра двумя поршнями, поршни рабочего цилиндра и поршни компрессора сочленены кривошипно-шатунным механизмом с двумя коленчатыми валами, отличающийся тем, что двигатель снабжен дополнительным цилиндром для подачи воздуха в компрессор и мембранным механизмом, причем мембранный механизм содержит корпус, регулировочный стержень, установленный в корпусе, пружину, установленную между стержнем и мембраной, устройство для подачи воздуха из компрессора в полость рабочих поршней содержит корпус, в корпусе под действием кулачка перемещается шток с отверстием, в период подачи воздуха из компрессора и мембранного механизма, кулачек совмещает отверстие штока с трубопроводом сжатого воздуха, сжатый воздух из компрессора и мембранного механизма по трубопроводу сжатого воздуха поступает в полость между поршнями рабочего цилиндра, во время сжатия часть объема воздуха остается между поршнями компрессора, часть поступает в мембранный механизм, после поступления воздуха из компрессора и мембранного механизма в полость между поршнями рабочего цилиндра и подачи топлива, в момент вспышки самодействующий обратный клапан перекрывает проход газа из рабочего цилиндра в компрессор, коленчатые валы сочленены кривошипно-шатунным механизмом с кривошипом общего вала, дополнительный цилиндр для подачи воздуха в компрессор содержит поршень, сочлененный кривошипно-шатунным механизмом с коленчатым валом, два самодействующих клапана, впуск в цилиндр и подачу в компрессор.