ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С ВЫСОКИМ КПД ПО СХЕМЕ ГОРШКОВА Ю.А.
YU GORSHKOV'S HIGH-EFFICIENCY PISTON ENGINE

Холодный поршневой двигатель с высоким КПД, выполненный по схеме Горшкова Ю.А. (далее по тексту поршневой двигатель), относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания и предназначен для автономного силового привода стационарных или мобильных устройств различного назначения, особенно для устройств с ограниченным объемом, например спортивных автомобилей и бронемашин.
Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является поршневая машина, содержащая корпус, зубчатый планетарный механизм преобразования вращательного движения в поступательное, и наоборот, с фигурной зубчатой рейкой, ведущее зубчатое колесо, взаимодействующее с рейкой, цилиндр и размещенный в нем поршень с шатуном, соединенным с рейкой (RU 2299989 С2, МПК F01В 9/00).
Недостатками этой машины в варианте двигателя являются ограничение скорости движения поршня скоростью вращения вала ведущего колеса. Происходят уменьшение КПД, перегрев двигателя, особенно при малых оборотах вала, и требуется мощная система охлаждения для сохранения работоспособности. Замкнутая рейка усложняет сборку.
Задачей изобретения является увеличение КПД поршневого двигателя внутреннего сгорания, уменьшение зависимости КПД от оборотов и упрощение конструкции.
Поставленная задача решается за счет того, что поршневой двигатель имеет камеру сгорания, камеру сжатия - расширения, поршни камер подвижно связаны с двумя сочлененными и частично обрезанными фигурными зубчатыми рейками планетарного механизма. Одно из ведущих колес планетарного механизма имеет шестерню с обгонным устройством, например храповиком. Число зубьев на храповом колесе - равным или кратным числу зубьев шестерни.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 показан разрезанный поршневой двигатель без крышек подшипников. На фиг.2 - расчетная работа расширения (суммарная по ходу поршня). На фиг.3 - расчетные внутренние теплопотери (суммарные по ходу поршня).
max
поршня
2
Исходные расчетные данные: Р=5 МПа (50 кг/см), ⌀=82 мм, ход 77 мм. Наименования графиков на фиг.2, 3: «шатун» - двигатель с коленвалом, «механизм» - с фигурной рейкой без обгонной муфты, «свободный ход» - с обгонной муфтой. На фиг.4 крупным планом показана шестерня ведущего зубчатого колеса с обгонным устройством - храповиком.
Поршневой двигатель состоит из камеры сгорания 1, камеры сжатия - расширения 2, двух сочлененных и частично обрезанных реек 3, подвижно соединенных с поршнями 4, 5, двух ведущих колес: одно без обгонного устройства 6, другое с обгонным устройством 7 (фиг.1), храпового колеса 8, выполненного на валу шестерни ведущего колеса 7, собачек 9, 10 и общего колеса - маховика 11 (фиг.4).
При рабочем ходе поршня 4 камеры сгорания 1 рейка 3 планетарного механизма с поршнем 5, зацепленная с ведущим колесом 7, под действием давления дымовых газов движется свободно. Обгонное движение обеспечивают собачками 9, 10 храпового колеса 8, выполненного заодно с валом ведущего колеса 7. Поршень 5, связанный через рейку 3 с поршнем 4, сжимает воздух в камере сжатия - расширения 2. Дымовые газы через кинетическую энергию движущихся деталей отдают энергию воздуху, сжимаемому в камере 2. В конце цикла сжатия воздуха в камере 2 шестерня ведущего колеса 7 прекращает обгонное движение. Рейка 3 зацепляется с двумя ведущими колесами 6 и 7, проходит мертвую точку, начинает двигаться в обратном направлении, расцепляется с ведущим колесом 7 и через ведущее колесо 6 передает энергию воздуха, сжатого в камере 2, колесу-маховику 11. Колесо-маховик 11 обеспечивает синхронную работу ведущих колес 6, 7 и работу камеры сгорания 1 с поршнем 5 как по двухтактному, так и по четырехтактному циклу. Для обеспечения синхронной работы ведущих колес 6, 7 после прекращения обгонного движения необходимо, чтобы число зубьев храпового колеса 8 на валу шестерни ведущего колеса 7 было равно или кратно числу зубьев этой шестерни.
Потери тепла в двигателях внутреннего сгорания пропорциональны (в первом приближении) давлению дымовых газов, их температуре и времени контакта со стенками цилиндра. При свободном движении рейки 3 с поршнями 4, 5 время контакта дымовых газов со стенками камеры сгорания 1 уменьшается в три - пять раз. Примерно во столько же раз уменьшаются тепловые потери в камере сгорания 1 (фиг.3) и увеличивается полезная работа (фиг.2). Сброс тепла сжатого воздуха на стенки камеры 2 в 5-8 меньше сброса тепла дымовых газов на стенки камеры сгорания 1, так как температура сжатого воздуха меньше 600°С, а температура дымовых газов больше 2000°С. По расчетам КПД усовершенствованного поршневого двигателя достигнет 50%-60% вне зависимости от оборотов, в то время как КПД существующих поршневых двигателей близкий к 40% падает при снижении оборотов до 20% и они перегреваются. Некоторое усложнение конструкции поршневой группы усовершенствованного двигателя окупается упрощением конструкции системы охлаждения (можно обойтись воздушным охлаждением), а повышенная температура выхлопных газов упрощает утилизацию их энергии для дополнительного увеличения КПД. Маленький сброс тепла на стенки камеры сгорания усовершенствованного двигателя позволит эффективнее использовать водород в качестве топлива. Обрезанные рейки упрощают конструкцию: детали последовательно укладываются в корпус.
Работоспособность изобретения проверена на компьютере.