RU35378U1 - Двигатель внутреннего сгорания - Google Patents

Description

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Предлагаемв$1 п оле г, относится к области машиностроения, в частности двигателестроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС),

Анализ технического уровня в рассматриваемой области показал следующее.

Известный ДВС В.М. Кушуля (авторское свидетельство СССР № 128231, класс 46 а 109 «Двигатель внутреннего сгорания) содержит два совместно работающих цилиндра (1-й и 2-й), расположенных нерненднкулярно осн коленчатого вала, норшнн которых соединены с номощью двух шатунов, основного н нрнценного, посаженных на один кривошин.

Рабочие полости цилиндров соединены между собою перепускным каналом. Первый цилиндр имеет камеру сгорания, второй не имеет. В первый цилиндр поступает рабочая смесь, во второй цилиндр - чистый воздух. Процесс сгорания рабочей смеси проводится в два этапа. Первый этап - принудительно от свечи зажигания загорается рабочая смесь в 1-м цилиндре. На втором этапе из 2-го цилиндра поступает высокосжатый воздух в камеру сгорания 1-го цилиндра и происходит дожигание продуктов сгорания. Расширение газов происходит одновременно в двух цилиндрах. Для обеспечения «впрыскивания высоко сжатого чистого воздуха в камеру сгорания 1-го цилиндра, поршень 2-го цилиндра, не имеющего камеры сгорания, отстает на 22-30 градусов угла поворота коленчатого вала от движения порщня 1-го цилиндра. Величина угла отставания зависит от величины степени сжатия рабочей смеси в 1-м цилиндре. Подробнее см. книгу В.М. Кушуль «Повый тип двигателя внутреннего сгорания. Издательство «Судостроение, Ленинград, 1965.

Известен также бесшатунный ДВС Баландина С.С. (авторское свидетельство СССР .№ 118471, класс 46 а «Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания), в котором возвратно-поступательное движение поршней в цилиндрах преобразуется во вращательное движение вала бесшатунным силовым механизмом (БСМ). Известно несколько конструктивных вариантов БСМ, с помощью которых исключаются усилия щатунов, действующие на поршни, снашивающие цилиндры и поршневые кольца двигателя. Одним из таких вариантов есть эксцентриковый механизм. В результате применения БСМ ресурс двигателя повышается больше чем в 10 раз. Подробнее см. книгу С.С. Баландина «Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. Издательство «Машиностроение, Москва, 1972.

При работе ДВС как по а.с. № 128231, так и по а.с. № 118471, а также и у всех существующих в мире ДВС, в момент зажигания рабочей смеси возникает ударное воздействие на всю механику двигателя: порщни, кольца, пальцы, щатуны, коленчатый вал и т.д. Паличие ударных нагрузок заставляет увеличивать прочность всех деталей двигателя.

.2003126611

til

7 F02 В 75/00

Задачей настоящего изобретения является разработка ДВС с существенно более высокнм КПД по сравнению с существующими двигателями, экологически чистого, работающего на любом топливе.

Это достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания, включающий коленчатый вал, кривошипы, блоки цилиндров, в которых каждые два цилиндра соединены между собою, один из которых содержит камеру сгорания, располагаются не перпендикулярно оси коленчатого вала, а в одном-ряду вдоль оси коленчатого вала. При этом кривошип 2-го цилиндра развернут на величину угла 22-30° по отношению к кривошипу 1-го цилиндра и зафиксирован в этом положении.

В каждый цилиндр введен эксцентриковый механизм с подшипниками качения и ползунами. Между поршнем и эксцентриком вводится упругий элемент, выполненный, в частности, в виде резино-кордной оболочки (РКО), а ее полость соединена с внутренними полостями штока и поршня. Внутренняя и внешняя поверхности поршня покрыты теплозащитным покрытием.

В картере двигателя установлены центробежные форсунки для распыления масла, смазывающего подшипники и охлаждающего РКО.

Общими с прототипом существенными признаками являются:

а)наличие коленчатого вала, распредвала, системы всасывающих и выхлопных клапанов,

б)наличие кривощипов,

в)наличие блока цилиндров, в котором два цилиндра соединены между собой, один из которых содержит камеру сгорания,

г)наличие маховика.

Отличительными признаками изобретения являются:

1.Расположение совместно работающих цилиндров в одном ряду вдоль оси коленчатого вала.

2.Установка эксцентриковых механизмов с ползунами в каждом цилиндре.

3.Установка упругого элемента, в частности, в виде РКО между порщнем и эксцентриком в каждом цилиндре.

4.Введение теплозащиты внутренних и внешних поверхностей поршня и камер сгорания головки блока двигателя.

5.Установка в картере двигателя центробежных форсунок.

6.Установка подшипников качения всюду: в эксцентриках, ползунах, на коленчатом вале и на распределительном вале.

7.Использование в качестве ресивера для РКО внутренних полостей штока и поршня.

8.Диаметры поршней и плечи кривошипов двух совместно работающих цилиндров могут иметь различные величины: диаметр поршня и плечо кривошипа 2-го цилиндра должны быть больше диаметра поршня и плеча кривошипа 1-го цилиндра.

существующих ДВС, работающих на легком топливе, равной 31,5%, то реализация конструкции двигателя по а.с. № 128231 повышает реальный КПД двигателя на 25% (см. книгу Кушуля В.М. стр. 207). Реализация конструкции по а.с. № 118471 и подшипников качения позволит поднять механический КПД с 78% до 97%. Использование теплозащитного покрытия на поршнях само по себе позволит увеличить КПД на 3%. Применение РКО дает побочный эффект повышения КПД на 40%. Увеличение диаметра поршня и плеча кривошипа 2-го цилиндра на. 20% позволит поднять степень расщирения продуктов сгорания с до и увеличить термический КПД двигателя с 44% до 48% (см. книгу Кушуля В.М. стр. 23 табл. 2), то есть на 4%. Если дополнительно использовать глушитель выхлопных газов, выполненный согласно а.с. СССР SU N° 1250658 А-2 4F 01 D 1/02 «Глушитель шума выхлопных газов, то это дает еще 2,2%.

Таким образом, если в новом двигателе реализовать все приведенные выше признаки, то в соединении с известными эффективный КПД двигателя может быть увеличен до 64,1%, то есть в 2 раза. Это означает, что при прочих равных условиях двигатель будет потреблять вдвое меньше топлива. При этом он будет иметь еще целый ряд преимуществ перед существующими в настоящее время двигателями, а именно:

1.Двигатель экологически чистый, так как «впрыскивание чистого воздзоса из 2-го цилиндра позволит исключить в продуктах сгорания содержание таких газов, как СО, N0 и твердых частиц углерода (сажи) (см. книгу Кушуля В.М., стр. 191).

2.Ресурс работы двигателя увеличивается больше чем в 10 раз, так как поршневая группа перестает быть слабым звеном (см. книгу Баландина С.С., стр. 39)... 3.Двигатель «всеядный, то есть работает на любом топливе: газе, бензине любых марок, включая даже соляровое масло (см. книгу Кушуля В.М., стр. 197).

4.Снимаются требования к необходимости несимметричного выполнения цилиндров и поршней.

5.Схема компоновки двигателя может быть любой: однорядной, двухрядной, V-образной, Х- образной и даже с оппозитным движением поршней.

6 Двигатель может работать как по четырехтактной, так и по двухтактной схемам.

Исследования показали, что наибольший эффект повышения КПД дает установка упругого элемента в виде РКО. Установка упругих элементов других типов (металлической пружины, резиновой шайбы и т.д.) также возможна, однако, сопровождается меньшим эффектом.

ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ И ПОЛНОЕ ОПИСАНИЕ:

На фиг. 1 схематично представлен продольный разрез четырехцилиндрового двигателя с однорядной схемой компоновки.

lCf3/ /

PRO 2-го цилиндра - на 30 атм.

На фиг. 4 представлен график деформации РКО, происходящей в процессе рабочего хода поршней 1-го и 2-го цилиндров.

На фиг. 5 представлен график величины крутящего момента, действующего на коленчатый вал двигателя в 1-м цилиндре с РКО и без РКО.

На фиг. 6 представлены графики величин крутящего момента, действующего на коленчатый вал двигателя во 2-м цилиндре, с РКО и без РКО.

На фиг. 1 продольного разреза четирехцилиндрового двигателя представлены две пары цилиндров 1, 2 и 3, 4. В каждой с этот пар один цилиндр имеет камеру сгорания (цилиндры 1, 4), второй не имеет ее (цилиндры 2, 3). Полости цилиндров 1, 2 соединены перепускным каналом 5, полости цилиндров 3 и 4 - перепускным каналом 6.

Вместо шатунов установлены эксцентрики 7 на коленчатом валу 8. Двигатель снабжен маховиком 9 и системой всасывающих и выхлопных клапанов 10. Свечи зажигания 11 установлены в камерах сгорания цилиндров 1 и 4.

Каждый цилиндр 1, 2,3, 4 (см. фиг. 2) содержит полый поршень 12 и полый щток 13, а также упругий элемент РКО 14, эксцентрик с ползунами 15 и захват 16, который удерживает упругий элемент в заневоленном состоянии. Внутренний малый подшипник эксцентрика 17 укреплен на кривошипе 18 коленчатого вала 8.

Внутренние пустоты РКО 14, штока 13 и поршня 12 соединены между собою с помощью отверстия 19.

РАБОТАЕТ ДВИГАТЕЛЬ ТАКИМ ОБРАЗОМ

Первоначально при сборке в систему РКО - ресивер (поз. 14, 13, 12.), в качестве которого служат внутренние полости штока 13 и порщня 12, накачивается любой газ (воздух, азот, аргон) и система герметизируется . Величина давления этого газа выбирается из условия, чтобы при такте сжатия РКО 14 не деформировалась.

В момент вспышки рабочей смеси в камере сгорания цилиндра 1 резко повышается давление и сила, действующая на поршень 12, начинает превышать силу, действующую на этот же поршень 12 со стороны РКО 14, и РКО 14 сжимается. Захват 16 не препятствует этому движению. В результате на эксцентрик 15, а соответственно и кривошип 18, и коленчатый вал 8, действует сила, равная реакции РКО 14, которая в 2-3 раза меньше максимальной величины силы, действующей на поршень 12 со стороны продуктов сгорания.

Таким образом, снимается максимальная ударная нагрузка, действующая на подшипники 17 и 20 эксцентрика, а также на коренные подшипники коленчатого вала.

На фиг. 3, в качестве примера, приведены расчетные данные по величинам усилий, передаваемых поршнем 12 на коленчатый вал 8 без РКО 14 (обычный двигатель типа ГАЗ или ВАЗ) и тот же двигатель с РКО 14.

W3ISi(M)

Как следует из графиков фиг. 3, уменьшенная нагрузка действует на коленчатый вал 8 достаточно продолжительное время, практически на протяжении всего рабочего хода поршней, В результате суш;ественно увеличивается среднеинтегральная величина крутяш.его момента на валу 8 двигателя (фиг. 1, 2.),

На фиг. 5 и 6 приведены графики величин крутяш;их моментов, действующих на коленчатый вал двигателя 8 со стороны поршней 1-го и 2-го цилиндров (фиг. 1, 2). Расчеты показывают, что при наличии РКО 14 среднеинтегральная величина крутящего момента на валу 8 двигателя (фиг. 1,2) за время рабочего хода 1-го поршня увеличилась на 10% по сравнению со середнеинтегральной величиной этого же момента без РКО 14. Для 2-го цилиндра (фиг. 1) при наличии РКО 14 среднеинтегральная величина крутящего момента увеличивается на 70%. Поскольку оба цилиндра работают в паре, то средняя величина добавочного среднеинтегрального момента составляет 40%, что отвечает увеличению КПД двигателя на 40%.

Повышение среднеинтегральной величины крутящего момента на валу 8 двигателя (фиг. 1, 2.) объясняется тем, что сила реакции РКО 14 сохраняет свою величину постоянной и сравнительно большой в районе угла , где плечо кривошипа 18 максимально, в то время как максимальная нагрузка давления в камере сгорания (цилиндры 1 и 4 фиг. 1) действует на всех без исключения сушествуюших ДВС в районе верхней мертвой точки, где плечо этой силы близко к нулю.

Поскольку на поршне 2-го цилиндра (фиг. 1) выигрыш в величине среднеинтегрального момента сушественным образом превышает выигрыш на поршне 1-го цилиндра (фиг. 1), а также позволяет поднять степень расширения продуктов сгорания, целесообразно увеличить площадь поршня и величину плеча кривошипа 2-го цилиндра (фиг. 1).

Исходя из вышеизложенного, данное изобретение целиком пригодно для промышленного использования и принесет обществу важный технический и экономический эффект.

li(/

Зыков Н.Е. , . , Зыкова Н.П. -vj

Claims (7)

1. Двигатель внутреннего сгорания, включающий коленчатый вал, кривошипы, систему клапанов, маховик, блоки цилиндров, в которых каждые два цилиндра соединены между собой, один из которых содержит камеру сгорания, отличающийся тем, что кривошипы цилиндров расположены в одном ряду вдоль оси коленчатого вала, в каждый цилиндр введен эксцентриковый механизм с подшипниками качения и ползунами, а между поршнем и эксцентриком каждого цилиндра установлен упругий элемент.

2. Двигатель по п.1 отличается тем, что в эксцентриках, ползунах, кривошипах, коленчатом валу и распределительном валу установлены подшипники качения.

3. Двигатель по п.1 отличается тем, что поверхность поршня, камер сгорания головки двигателя, а также газоходов, соединяющих смежные цилиндры, покрыта теплозащитой.

4. Двигатель по п.1 отличается тем, что цилиндры и поршни осесимметричны.

5. Двигатель по п.1 отличается тем, что в нем установлены центробежные форсунки.

6. Двигатель по п.1 отличается тем, что диаметр поршня и плечо кривошипа 2-го из совместно работающих цилиндров больше, чем диаметр поршня и плечо кривошипа 1-го цилиндра.

7. Двигатель по пп.1-6 отличается тем, что упругий элемент выполнен в виде резино-кордной оболочки, причем внутренний объем оболочки соединен с полым штоком и полым поршнем, либо в виде резиновой шайбы или металлической пружины.