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

Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности, повышает эффективность способа работы управляющего вала, предназначенного осуществлять процессы в цилиндре поршневого двигателя внутреннего сгорания, путем автоматической системы управления.

В двигателестроении широко известен способ управления процессами путем вращательного движения коленчатого вала (Ванштейдт В.А. Двигатель внутреннего сгорания: Л. Судпромгиз. 1962 г.).

Сущность способа состоит в том, что вращательное движение коленчатого вала преобразуется в возвратно-поступательные движения поршней, многоцилиндрового двигателя, в результате, чего в цилиндрах совершаются процесс, наполнения, сжатия, сгорания и выпуск газов продуктов сгорания.

Недостатком способа является то, что для изменения выходной мощности многоцилиндрового двигателя используют коробки передач или автоматы, которые требуют большого количества энергии для их работы. Кроме того они сложны и дорогостоящие.

Также известен способ повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания (описание изобретения к патенту RU №2163681, опубл. 27.02.2001 г. Бюл. №6).

Сущность способа состоит в том, что кулачковый вал преобразует вращательное движение в неподвижное и возвратно-поступательное движение поршня, в результате этого в цилиндре двигателя происходят процессы впуска, сжатия, сгорания и выпуск газов продуктов сгорания.

Недостатком способа является то, что профилированный кулачек во время преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное движение поршня совершает мертвую зону, где поршень стоит на месте или движется крайне медленно. Кроме того для изменения выходной мощности многоцилиндрового двигателя используют коробки передач или автоматы.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания (описание изобретения к патенту RU №2335648 С1 опубл. 10.10.2008, Бюл. №28), (способ Печкина).

Сущность способа состоит в том, что неподвижное положение и возвратно-поступательное движение поршень совершает при помощи подпружиненного коромысла, один конец которого связан с валом нагрузки, а другой его конец может фиксироваться на одном из зубьев в зубчатой собачки, в результате чего в цилиндре происходят процессы впуска, сжатия, сгорания, рабочего такта и выпуска газов продуктов сгорания. 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 способа является то, что устройство для реализации способа имеет большие размеры, поэтому использовать их в современных транспортных средствах не эффективно.

Исходя из вышеизложенного, была поставлена задача разработать такой способ, в котором будут устранены описанные недостатки и сохранены существенные признаки известных способов.

Поставленная задача решается тем, что для повышения эффективности работы двигателя свободно движущийся поршень с Т-образным зубчатым штоком, связанным зубчатыми ободами храповых колес с валом нагрузки, совершает неподвижное положение и возвратно-поступательное движение при помощи вращательного движения коромысел установленных на управляющих валах.

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

Неподвижное положение и возвратно-поступательное движение поршень совершает при помощи подпружиненного коромысла, один конец которого связан с валом нагрузки, а другой его конец может фиксироваться на одном из зубьев зубчатой собачки, в результате чего в цилиндре двигателя происходят процессы впуска, сжатия, сгорания, рабочего такта и выпуска продуктов сгорания.

В двигателе предусмотрен 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, движителей поршней, таким образом, что одноименные процессы в цилиндрах многоцилиндрового двигателя осуществляются либо поочередно, либо одновременно, либо группами.

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

Неподвижное положение и возвратно-поступательное движение поршень с Т-образным зубчатым подпружиненным штоком, связанным зубчатыми ободами храповых колес валом нагрузки, совершают при помощи вращательного движения коромысел вращающихся на управляющих валах.

Данная совокупность отличительных признаков изобретения вместе с общими признаками заявленного способа и наиболее близкого 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 поршневого двигателя внутреннего сгорания.

На Фиг. 2 Электрическая схема автоматической системы управления (АСУ) устройством для реализации способа повышения эффективности поршневого двигателя внутреннего сгорания.

На Фиг. 3 Индикаторные диаграммы процессов в цилиндрах четырехтактного четырехцилиндрового ДВС одноименные процессы, в которых совершаются поочередно;

На Фиг. 4 Диаграммы эффективных мощностей цилиндров в четырехцилиндровом ДВС, рабочие процессы в которых совершаются поочередно;

На Фиг. 5 Индикаторные диаграммы процессов в цилиндрах четырехтактного четырехцилиндрового ДВС рабочие процессы, в которых совершаются группами;

На Фиг. 6 Диаграммы эффективных мощностей цилиндров в четырехтактном четырехцилиндровом ДВС, рабочие процессы в которых совершаются группами;

На Фиг. 7 Индикаторные диаграммы процессов в цилиндрах четырехтактного четырехцилиндрового ДВС, рабочие процессы в которых совершаются одновременно;

На Фиг. 8 Диаграммы эффективных мощностей цилиндров в четырехцилиндровом ДВС, рабочие процессы в которых совершаются одновременно.

Обозначение электроаппаратуры, механизмов в схеме автоматической системы управления (АСУ) в устройстве для реализации способа.

ДБ - выключатель электропитания 12V;

ЭДП - электродвигатель постоянного тока;

Щ - щеткодержатель для поддачи электропитания на кольца и полукольца управляющего барабана;

1С, 2С, 3С, 4С - токоприемники приводов пружинных штоков одноцилиндровых ДВС;

1BP, 2ВР, 3ВР - выключатели выбора режима;

1P, 2Р, 3Р - катушки магнитных пускателей выбора режима;

1МП-О; 2МП-О; 3МП-О; 4МП-О - катушки магнитных пускателей электропитания нулевой отметки на управляющем барабане;

1МП-90; 2МП-90; 3МП-90; 4МП-90 - катушки магнитных пускателей электропитания на 90 градусной отметке на управляющем барабане;

1МП-180; 2МП-180; ЗМП -180; 4МП-180- катушки магнитных пускателей электропитания на 180 градусной отметке на управляющем барабане;

1МП-270; 2МП-270; 3МП-270; 4МП-270 - катушки магнитных пускателей электропитания на 270 градусной отметке на управляющем барабане.

Устройство для реализации способа повышения эффективности поршневого двигателя внутреннего сгорания (см. Фиг. 1) состоит из цилиндра 1, поршня 2, соединенным с зубчатым подпружиненным Т-образным штоком 3.

На Т-образном штоке 3 установлены прямоугольные пластины 5 и 4. Т-образный шток 3 с поршнем стремятся занять верхнее положение путем пружины 6. С помощью электродвигателя 9 постоянного тока (ЭДП) раскручивают управляющие валы 7 и 8 с помощью шестерен 10, 11 и 12. На управляющих валах 7, 8 установлены коромысла 13, 14. Коромысло 13 имеет ролик 15, а коромысло 14 - ролик 16. Во время возвратно-поступательных движений Т-образный шток 3 вращает зубчатые обода 17 и 18 храповых колес движений Т-образный шток 3 вращает зубчатые обода 17 и 18 храповых колес 19, 20 связанных с валом 21 нагрузки, путем валов 22, 23, а также шестерен 24, 25, 26.

На впускном канале цилиндра 1 установлена воздуходувка 27, а с другой выпускной канал 28.

На верхней крышке цилиндра 1 установлена форсунка 29. В нижней части Т-образного штока 3 закреплена зубчатая рейка 30, которая фиксирует Т-образный шток 3 в нижнем положении путем штока 31с пружиной 32. С помощью катушки 33 Т-образный шток 3 поршня 2 приобретает свободное движение. С помощью рычага 34 шестерня 26 будет вращаться от шестерни 24 или от шестерни 25. Это позволит изменять вращение вала 21 нагрузки.

Перед запуском двигателя водитель подает (см. Фиг 1.) электропитание 12У путем включения выключателя ДБ. Это позволит раскрутить управляющий барабан, а также управляющие валы 7 и 8, путем двигателя 9 постоянного тока. После этого включает выключатель режима 1 ВР и этим подает электропитание 12V на катушку магнитного пускателя 1Р выбора режима.

После включения магнитного пускателя 1Р замкнуться контакты 0,1; 90°; 2; 180°-3; 270°-4 (см Фиг. 2)

Контакты 0°-1 замкнуться и подадут электропитание на катушку 1 МП-0, после включится контакт 1C. Это позволит подать напряжение 12V на катушку 33 привода подпружиненного штока 31. Очевидно шток 31 переместится в правую сторону сожмет пружину 32 и освободит зубчатую рейку 3. Под действием пружины 6 Т-образный зубчатый шток 3 поршня 2 поднимется вверх, а поршень 2 сожмет воздух в полости цилиндра 1. В районе верхней мертвой точки хода поршня 1 с помощью форсунки 29 совершится впрыск топлива. Под действием высокой температуры топливо самовоспламенится, в тоже время ролик 16, под действием вращательного движения коромысла 14, переместится вправо и освободит путь прямоугольной пластины4. Под действием высокого давления поршень 2 начнет двигаться вниз. Прямолинейное движение зубчатого Т-образного штока 3 преобразуется во вращательное движение зубчатых ободов 17 и 18 храповых колес 19 и 20 связанных с валом 21 нагрузки, путем валов 22, 23, а также шестерен 24, 25, 26.

В момент начала процесса сгорания топлива давление в цилиндре достигнет максимального значения. Это позволит штоку 3 двигаться с большей скоростью и передать большие вращательные скорости зубчатым ободам 17, 18. Это позволит им запастись механической энергией, а затем выступить в роли маховиков, во время сжатия пружины 6. Это позволит поршню 2 во время рабочего такта опуститься ниже и позволить воздуходувки 27 продуть полость цилиндра 1 воздухом, через выпускной канал 28. Под действием пружины 6 Т-образный шток 3 поршня 2 начнет подниматься вверх.

Под действием вращательного движения коромысел 13 и 14, путем роликов 15 и 16, совершится преобразование вращательного движения в прямолинейное движение Т- образного штока 3 поршня 2. В районе верхней мертвой точки хода поршня 1 с помощью форсунки 29 под давлением совершится впрыск топлива. Под действием высокой температуры топливо самовоспламенится. В это время ролик 16, под действием вращательного движения коромысла 14, переместится вправо и освободит путь прямоугольной пластины 4. Под действием высокого давления поршень 2 начнет двигаться вниз. Прямолинейное движение зубчатого Т-образного штока 3 преобразуется во вращательное движение зубчатых ободов 17 и 18 храповых колес 19 и 20 связанных с валом 21 нагрузки, путем валов 22, 23, а также шестерен 24, 25. Таким образом первый одноцилиндровый двигатель будет работать от 0° до 90°. После остановки его заменит второй одноцилиндровый двигатель, который будет работать от 90° до 180°. Затем второй одноцилиндровый двигатель остановится, а работу продолжит третий одноцилиндровый двигатель и т.д.

Таки образом четырехцилиндровый двигатель будет работать как одноцилиндровый двигатель(См. Фиг. 3 и Фиг. 4). если обстановка потребует увеличения мощности двигателя, водитель отключает выключатель режима 1ВР, а затем включает выключатель режима 2ВР, это позволит отключить катушку магнитного пускателя 1Р. После включения магнитного пускателя 2Р напряжение появится в катушках магнитных пускателей 1МП-0, 2МП-0, а также ЗМП-180°, 4МП-180°. Это позволит совершать одноименные процессы сразу в двух цилиндра, то есть в первом и во втором на отметке 0°. На отметке 180° первый и второй цилиндры отключаются, а третий и четвертый цилиндры включаются в работу. Таким образом четырехцилиндровый двигатель будет работать как двухцилиндровый двигатель (См. Фиг. 5 и Фиг. 6). Если обстановка потребует увеличения мощности двигателя, водитель отключает выключатель 2ВР, а затем включает выключатель режима 3ВР. Это позволит совершать одноименные процессы во всех четырех цилиндрах одновременно. Таким образом мощность четырехцилиндрового двигателя возрастает в два раза, то есть будет равна сумме четырех эффективных мощностей (Ne) рабочих тактов (См. Фиг. 7 и Фиг. 8).

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Способ повышения эффективности поршневого двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что поршень (3) занимает неподвижное положение и совершает возвратно-поступательное движение, на управляющем барабане вращают с помощью электродвигателя (9) полукольца-датчики и устанавливают электроприемники вокруг барабана. Т-образный зубчатый подпружиненный шток (3) поршня (2) занимает неподвижное положение и совершает возвратно-поступательное движение путем вращательного движения коромысел (13), (14), в результате чего в цилиндре (2) двигателя происходят процессы впуска, сжатия, сгорания, рабочего такта и выпуска газов продуктов сгорания. Во время рабочего такта прямолинейное движение Т-образного зубчатого штока (3) поршня (2) преобразуется во вращательное движение зубчатых ободов (17) и (18) храповых колес (19) и (20), связанных с валом (21) нагрузки. В случае объединения одноцилиндровых двигателей в многоцилиндровый двигатель автоматическая система управления обеспечивает работу электроприводов подпружиненных штоков (3) таким образом, что одноименные процессы в цилиндрах многоцилиндрового двигателя осуществляются либо поочередно, либо одновременно, либо группами. Технический результат заключается в уменьшении размеров двигателя. 8 ил.

Способ повышения эффективности поршневого двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что поршень занимает неподвижное положение и совершает возвратно-поступательное движение, на управляющем барабане вращают с помощью электродвигателя полукольца-датчики и устанавливают электроприемники вокруг барабана, отличающийся тем, что Т-образный зубчатый подпружиненный шток поршня занимает неподвижное положение и совершает возвратно-поступательное движение путем вращательного движения коромысел, в результате чего в цилиндре двигателя происходят процессы впуска, сжатия, сгорания, рабочего такта и выпуска газов продуктов сгорания, во время рабочего такта прямолинейное движение Т-образного зубчатого штока поршня преобразуется во вращательное движение зубчатых ободов храповых колес, связанных с валом нагрузки, в случае объединения одноцилиндровых двигателей в многоцилиндровый двигатель автоматическая система управления обеспечивает работу электроприводов подпружиненных штоков таким образом, что одноименные процессы в цилиндрах многоцилиндрового двигателя осуществляются либо поочередно, либо одновременно, либо группами.