Способ повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания Российский патент 2023 года по МПК F02B75/32 

Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности, усовершенствует способ преобразования внутренней энергии в механическую работу, предназначенный для энергетических установок, например, на электростанциях, кораблях, тепловозах, автомобилях, авиации.

В двигателестроении широко известен способ повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания с противоположно движущими поршнями (ПДП), (Ваншейдт В.А., Судовые двигатели внутреннего сгорания, Судпромгиз.-Л.: 1962, с. 525). Сущность способа заключается в том, что процессы в одноцилиндровом двигателе совершают два поршня. Это позволяет повысить КПД двигателя в два раза.

Недостатком данного способа является то, что отбор мощности совершают два вала нагрузки, расположенные друг от друга на расстоянии.

Также известным в двигателестроении является способ повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания (патент РФ №2756153, опубл. 28.09.2021 г., бюл. №28). Сущность способа состоит в том, что зубчатые сектора, закрепленные на управляющем валу, поочередно поднимают подпружиненный зубчатый шток поршня до верхней мертвой точки (ВМТ), в результате чего в цилиндре двигателя происходит сгорание топливогазовой смеси. При этом давление газов продуктов сгорания возрастает до P_z=250 кГс/см². Высокое давление газов давит на поршень жестко соединенный с зубчатым подпружиненным штоком. Прямолинейное движение зубчатого штока преобразуется во вращательное движение зубчатых ободов храповых колес, связанных с валом нагрузки.

Недостатком использования зубчатых секторов для сжатия топливогазовой смеси является то, что в момент сгорания топлива зубья сектора испытывают большие нагрузки, поэтому могут сломаться.

Наиболее близким к заявленному способу является описание изобретения (двигатель Печкина) (Патент РФ №2163681, опубл. 27.02.2001 г., бюл. №6). Сущность способа заключается в том, что при воспламенении сжатой топливогазовой смеси, вращающийся на оси поршня штока, ролик соскальзывает с вершины профилированного кулачка и поршень вместе с жестко закрепленным с ним штоком резко движется вниз. Подпружиненное коромысло, закрепленное на штоке, воздействует на вершину профилированного кулачка, обеспечивая вращение кулачкового вала.

Недостатком способа является то, что во время рабочего такта поршень совершает боковое давление на шток. Это приводит к разрушению деталей цилиндра поршневой группы, а также к снижению КПД двигателя.

Исходя из вышеизложенного, была поставлена задача разработать такой способ повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания, в котором будут устранены описанные недостатки и сохранены существенные признаки известных способов.

Поставленная задача решается заявленным способом повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания, включающим преобразование вращательного движения профилированного кулачка кулачкового вала в возвратно-поступательное движение подпружиненного штока поршня, в результате чего в цилиндре двигателя совершаются процессы наполнения, сжатия, сгорания, рабочего такта и выпуска газов продуктов сгорания, причем в начале рабочего такта ролики, установленные на концах Т-образного штока поршня, соскальзывают с вершин профилированных кулачков и вместе с подпружиненными коромыслами движутся вниз до соприкосновения с цилиндрическими частями кулачков. На продолжении всего пути движения Т-образного штока коромысла за счет пружин воздействуют на вершины кулачков, обеспечивая вращение в противоположные стороны кулачковых валов, связанных с валом нагрузки путем шестерен.

В заявленном способе признаками изобретения, общими для него и для его наиболее близкого аналога, являются:

- преобразование вращательного движения профилированного кулачка кулачкового вала в возвратно-поступательное движение подпружиненного штока поршня, в результате чего в цилиндре двигателя совершаются процессы наполнения, сжатия, сгорания, рабочего такта и выпуск газов продуктов сгорания;

- при воспламенении сжатой топливогазовой смеси ролик штока соскальзывает с вершины профилированного кулачка и поршень вместе с жестко закрепленным с ним штоком резко движется вниз;

- коромысло в начальный момент движения штока вниз контактирует с вершиной кулачка и по мере продвижения штока вниз сжимает пружину, обеспечивая, плавно, без ударов движение штока до соприкосновения ролика с цилиндрической частью кулачка;

- на продолжении всего пути движения штока с роликом и коромыслом вниз коромысло, за счет пружины, воздействует на вершину кулачка, обеспечивая вращение кулачкового вала.

В заявленном способе признаками изобретения, отличающими его от его наиболее близкого аналога, являются:

- в начале рабочего такта ролики, установленные на концах Т-образного штока поршня, скатываются с вершин профилированных кулачков и вместе с подпружиненными коромыслами движутся вниз;

- на продолжении всего пути движения Т-образного штока коромысла за счет пружин воздействуют на вершины кулачков, обеспечивая вращение в противоположные стороны кулачковых валов, связанных с валом нагрузки путем шестерен;

- в случае объединении одноцилиндровых двигателей в многоцилиндровый двигатель автоматическая система управления обеспечивает работу электроприводов пружин Т-образных штоков поршней таким образом, что одноцилиндровые двигатели, входящие в состав многоцилиндрового двигателя, работают либо поочередно, либо группами, либо одновременно.

Данная совокупность отличительных признаков изобретения вместе с общими признаками заявленного способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания и наиболее близкими его аналогами 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 изображена кинематическая схема устройства для реализации способа во время преобразования прямолинейного движения Т-образного штока поршня во вращательные движения профилированных кулачков; на фиг. 3 изображена кинематическая схема устройства для реализации способа во время преобразования внутренних энергий пружин коромысел во вращательные движения профилированных кулачков.

Устройство для реализации способа повышения эффективности работы поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, поршень 2 жестко соединен с Т-образный штоком 3, на концах которого закреплены оси роликов 6, 13 и оси 8, 15 коромысел 7, 14 с возможностью качания коромысел относительно своих осей.

Постоянный подвижный контакт роликов 6, 13 с профилированными поверхностями кулачков 5, 12 обеспечивает пружина 9. При воспламенении сжатой топливовоздушной смеси ролики 6, 13 скатываются с вершин противоположно вращающихся кулачков 5, 12 и поршень 2 вместе с жестко закрепленным с ним Т-образным штоком 3 резко движутся вниз (см. фиг. 2). Коромысла 7, 14 в начальный момент движения штока 3 вниз контактируют с вершинами кулачков 5, 12 и по мере продвижения штока 3 вниз сжимают пружины 10, 16, обеспечивая плавное, без ударов движение штока 3 до соприкосновения роликов 6,13 с цилиндрическими частями профилированных кулачков 5,12. На протяжении всего пути движения штока 3 вниз коромысла 7, 14, за счет пружин 10, 16, воздействуют на вершины кулачков 5, 12 (см. фиг. 3), обеспечивая вращение кулачковых валов 4, 11 в противоположные стороны, связанные с валом нагрузки 20 путем шестерен 17, 18, 19. С помощью шестерни 17, которая передвигается по шлицам вала 20 нагрузки можно менять вращения вала 20 нагрузки, путем соединения шестерни 17 с шестерней 18 либо с шестерней 19. Стартер 21 служит для запуска двигателя. На верхней крышке цилиндра 1 размещены: впускной клапан 22, выпускной клапан 23, а также топливная форсунка 24. Электропривод 25 с включающей катушкой 26, которая во время подачи на нее напряжения от аккумулятора с помощью штока 27 удерживает подпружиненный Т-образный шток 3 с поршнем 2 в ВМТ.

Перед запуском двигателя (см. фиг. 1) водитель подает электропитание 12 вольт на катушки 26 электроприводов 25 штоков 27 одноцилиндровых двигателей, которые будут стоять во время запуска многоцилиндрового двигателя. Затем раскручивает кулачковые валы 4, 11 в противоположные стороны с помощью стартера 21. Это позволит зафиксировать все штоки 3 с поршнями 2 путем штоков 27 электроприводов 25 в ВМТ, которые будут бездействовать во время запуска двигателя. Во время начала процесса выпуска в цилиндре 1 откроется выпускной клапан 23. Это позволит газам из полости цилиндра 1 выйти через выпускной клапан 23. Во время движения поршня из нижней мертвой точки (НМТ) до ВМТ путем кулачков 5 и 12. В районе ВМТ хода поршня закроется выпускной клапан 23 и откроется впускной клапан 22. Это позволит атмосферному воздуху заполнить полость цилиндра 1 во время движения поршня 2 от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ) путем пружины 9. В нижней мертвой точке (НМТ) закроется впускной клапан 22. Это позволит поршню 2 сжать воздух с помощью вращательных движений кулачков 5, 12. В момент наибольшего сжатия воздуха в полость цилиндра 1 с помощью форсунки 24 впрыскивается топливо. При воспламенении сжатой топливовоздушной смеси ролики 6, 13 штока 3 соскальзывают с вершин противоположно вращающихся кулачков 5, 12 и поршень 2 вместе с жестко закрепленным с ним штоком 3 резко движется вниз. Коромысла 7, 14 в начальный момент движения штока 3 вниз контактируют с вершинами кулачков 5, 12 и по мере продвижения штока 3 вниз сжимают пружины 10, 16, обеспечивая плавное, без ударов движение штока 3 до соприкосновения роликов 6, 13 с цилиндрическими частями кулачков 5, 12. На продолжении всего пути движения штока 3 с роликами 6, 13 и коромыслами 7, 14 вниз коромысла, за счет пружин 10, 16 воздействуют на вершины кулачков 5, 12, обеспечивая вращение кулачковых валов 4, 11 в противоположные стороны. В нижней мертвой точке откроется выпускной клапан 23. Это позволит газам продуктов сгорания из полости цилиндра 1 выйти в атмосферу во время движения поршня 2 из нижней мертвой точки до верхней мертвой точки путем кулачков 5 и 12. В районе ВМТ хода поршня закроется выпускной клапан 23 и откроется впускной клапан 22. Это позволит атмосферному воздуху заполнить полость цилиндра 1 во время движения поршня 2 от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки (НМТ) путем пружины 9 штока 3. В нижней мертвой точке закроется впускной клапан 22. Это позволит сжать воздух с помощью поршня 2 при движении Т-образного штока 3 под действием кулачков 5, 12. После запуска одноцилиндрового двигателя стартер 21 необходимо отключить. Если обстановка во время движения транспортного средства потребует увеличения нагрузки водитель отключает электропитание 12 вольт на катушке 26 электропривода 25 подпружиненного штока 3 второго одноцилиндрового двигателя в составе многоцилиндрового двигателя и тем самым освобождает подпружиненный шток 3 поршня 2 путем штока 27. Это позволит совершать возвратно-поступательные движения подпружиненным штокам 3 с поршнями 2 сразу в двух двигателях и тем самым увеличить выходную мощность двигателя в два раза.

Прежде чем перейти к изложению технико-экономических преимуществ, подкреплю убедительными примерами цель изобретения.

Зарождение создания тепловых двигателей относится к концу XVII века (1680 г. ). Квантовая теория предложена в начале XX века. Это привело к тому, что большая часть внутренней энергии в тепловых двигателях не используется. Это связано с тем, что с повышением температуры максимум излучательной способности смещается в сторону коротких волн. Рабочее тело (продукты сгорания) ДВС, имея начальную температуру Tz=1700-2000K, излучает короткие волны, характерные для максимума излучательной способности. Согласно квантовой теории взаимное превращение на столь высоком уровне протекают с большой скоростью (сравнимой со скоростью света, т.е. 300000 км/с). Совершать работу с такой скоростью в настоящее время не представляется возможным.

Использование устройств для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания будет обладать следующими преимуществами:

а). под действием высокого давления поршень 2 с большой скоростью движется вниз, увлекая за собой Т-образный шток 3 с коромыслами 7, 14. Последние двигаясь с большой скоростью, отталкивают вершины кулачков 5, 12 в разные стороны (совершая прямолинейное движение штока 3 во вращательное движение профилированных кулачков 5, 12) (см. фиг. 2). В точках А шток 3 «замирает». Это позволит коромыслам 7, 14, опираясь на кулачки 5, 12, отталкивать их в разные стороны с помощью пружин 10, 16 (совершая преобразование механической энергии пружин во вращательную энергию кулачков 5, 12) (см. фиг. 3). Таким образом, прямолинейное движение поршня преобразовалось (аккумулировалось) во внутреннюю энергию пружин 10, 16, которая преобразовалась во вращательную силу F путем коромысел 7, 14 (совершая затяжной рабочий процесс);

б). исчезнут «мертвые» зоны, в которых внутренняя энергия (U) продуктов сгорания топлива преобразовалась в тепловую энергию: в стенках цилиндров, поршне, системе охлаждения, а высокое давление до P_z=210 кГс/см² разрушало детали цилиндра-поршневой группы;

в). вспомогательные процессы будут осуществляться более совершенно;

г). прямолинейное движение Т-образного штока поршня будет преобразовываться во вращательное движение кулачков, расположенных по разные стороны от оси движения штока;

д). появилась возможность быстро аккумулировать внутреннюю энергию продуктов сгорания в другие виды энергии (в механическую энергию пружин, во вращательную энергию маховиков, генераторов и т.д.).

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

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Способ повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания заключается в преобразовании вращательного движения профилированных кулачков (5), (12) кулачковых валов (4), (11) в возвратно-поступательное движение подпружиненного штока (3) поршня (2), в результате чего в цилиндре (1) двигателя совершаются процессы наполнения, сжатия, сгорания, рабочего такта и выпуска газов продуктов сгорания. В начале рабочего такта ролики (6), (13) штока (3) поршня (2) соскальзывают с вершины профилированного кулачка (5), (12) и шток (3) с подпружиненными коромыслами (7), (14) движется вниз. Коромысла (7), (14) во время движения контактируют с вершиной профилированных кулачков (5), (12) и по мере продвижения штока (3) вниз сжимают пружины (10), (16) коромысел (7), (14). На продолжении всего пути движения штока (3) коромысла (7), (14) за счет пружин (10), (16) воздействуют на вершины кулачков (5), (12), обеспечивая вращение кулачковых валов (4), (11), связанных с валом (20) нагрузки. В начале рабочего такта ролики (6), (13), установленные на концах Т-образного штока (3) поршня (2), скатываются с вершин профилированных кулачков (5), (12) и вместе с подпружиненными коромыслами (7), (14) движутся вниз. На продолжении всего движения Т-образного штока (3), коромысла (7), (14) за счет пружин (10), (16) воздействуют на вершины кулачков (5), (12), обеспечивая вращение в противоположные стороны кулачковых валов (4), (11), связанных с валом (20) нагрузки путем шестерен (17), (18), (19). В случае объединения одноцилиндровых двигателей в многоцилиндровый двигатель автоматическая система управления обеспечивает работу электроприводов (25) пружин (10), (16) Т-образных штоков (3) поршней таким образом, что одноцилиндровые двигатели, входящие в состав многоцилиндрового двигателя, работают либо поочередно, либо группами, либо одновременно. Технический результат заключается в предотвращении бокового давления поршня на шток и снижении тепловых потерь. 3 ил.

Способ повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания, включающий преобразование вращательного движения профилированного кулачка кулачкового вала в возвратно-поступательное движение подпружиненного штока поршня, в результате чего в цилиндре двигателя совершаются процессы наполнения, сжатия, сгорания, рабочего такта и выпуска газов продуктов сгорания, характеризующийся такой особенностью, что в начале рабочего такта ролик штока поршня соскальзывает с вершины профилированного кулачка и шток с подпружиненным коромыслом движутся вниз, коромысло во время движения контактирует с вершиной профилированного кулачка и по мере продвижения штока вниз сжимает пружины коромысла, на продолжении всего пути движения штока коромысло за счет пружины воздействует на вершину кулачка, обеспечивая вращение кулачкового вала, связанного с валом нагрузки, отличающийся тем, что в начале рабочего такта ролики, установленные на концах Т-образного штока поршня, скатываются с вершин профилированных кулачков и вместе с подпружиненными коромыслами движутся вниз, на продолжении всего движения Т-образного штока коромысла за счет пружин воздействуют на вершины кулачков, обеспечивая вращение в противоположные стороны кулачковых валов, связанных с валом нагрузки путем шестерен, а в случае объединения одноцилиндровых двигателей в многоцилиндровый двигатель автоматическая система управления обеспечивает работу электроприводов пружин Т-образных штоков поршней таким образом, что одноцилиндровые двигатели, входящие в состав многоцилиндрового двигателя, работают либо поочередно, либо группами, либо одновременно.