ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности, к двигателям внутреннего сгорания поршневого типа, преимущественно, бензиновым, дизельным. В качестве топлива в заявляемом поршневом двигателе внутреннего сгорания могут использоваться, например:
- жидкости - бензин, дизельное топливо, спирты, биодизель;
- газы - сжиженный газ, природный газ, водород, газообразные продукты крекинга нефти, биогаз;
- монооксид углерода, вырабатываемый в газогенераторе, входящем в состав топливной системы двигателя, из твердого топлива (угля, торфа, древесины).
Предшествующий уровень техники
Известна конструкция поршневого двигателя внутреннего сгорания, описанная в учебнике «Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей» под редакцией А.С.Орлина, М.Г. Круглова, М., изд. Машиностроение, 1990 г., стр.5, 6, рис.1,а).
Указанный двигатель содержит цилиндр с крышкой (головкой) и с размещенным внутри него поршнем, связанным с шатуном, коленчатый вал, впускные и выпускные клапаны.
Недостатком известного двигателя внутреннего сгорания является недостаточная эффективность работы, обусловленная недостатком времени для полного сгорания топлива и для эффективного выпуска отработавших газов и впуска топливно-воздушной смеси в цилиндр. Происходит это вследствие того, что угловая скорость вращения коленчатого вала в двигателях внутреннего сгорания достигает 700 радиан в секунду, и на отдельные процессы, наиболее важные из которых происходят при прохождении поршня в области верхней и нижней мертвых точек, приходится очень незначительное время, исчисляемое тысячными долями секунды.
Раскрытие сущности полезной модели
Задачей заявляемой полезной модели, является повышение эффективности работы двигателя внутреннего сгорания.
Техническим результатом, позволяющим решить указанную задачу, является уменьшение угловой скорости коленчатого вала при движении поршня в области верхней и нижней мертвых точек и увеличение угловой скорости коленчатого вала при движении поршня в области середины хода поршня.
Сущность полезной модели состоит в том, что:
В известный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с размещенным внутри него поршнем, связанным с шатуном, и коленчатый вал, согласно настоящей заявке, введены два некруглых зубчатых колеса, первое из которых жестко закреплено на коленчатом валу, а второе с возможностью взаимодействия с первым жестко закреплено на дополнительном валу таким образом, что при положениях коленчатого вала, соответствующих нахождению поршня в верхней и нижней мертвых точках, расстояние от полюсов зацепления первого колеса со вторым до оси вращения первого колеса составляет 1,1-5 расстояния от этих полюсов зацепления до оси вращения второго колеса, а при положениях коленчатого вала, соответствующих нахождению поршня в середине его хода, расстояние от полюсов зацепления первого колеса со вторым до оси вращения первого колеса составляет 0,2-0,9 расстояния от этих полюсов зацепления до оси вращения второго колеса.
В частных случаях реализации полезной модели некруглые зубчатые колеса выполнены эллиптическими.
В других частных случаях реализации полезной модели некруглые зубчатые колеса выполнены овальными.
Введение в двигатель двух некруглых зубчатых колес, первое из которых жестко закреплено на коленчатом валу, а второе с возможностью взаимодействия с первым жестко закреплено на дополнительном валу таким образом, что при положениях коленчатого вала, соответствующих нахождению поршня в верхней и нижней мертвых точках, расстояние от полюсов зацепления первого колеса со вторым до оси вращения первого колеса составляет 1,1-5 расстояния от этих полюсов зацепления до оси вращения второго колеса, а при положениях коленчатого вала, соответствующих нахождению поршня в середине его хода, расстояние от полюсов зацепления первого колеса со вторым до оси вращения первого колеса составляет 0,2-0,9 расстояния от этих полюсов зацепления до оси вращения второго колеса позволяет уменьшить угловую скорость коленчатого вала при движении поршня в области верхней и нижней мертвых точек и увеличить угловую скорость коленчатого вала при движении поршня в области середины его хода.
Это дает возможность увеличить время перемещения поршня в области верхней и нижней мертвых точек, создать тем самым оптимальные временные условия для полного сгорания топлива, выпуска отработавших газов и впуска топливно-воздушной смеси в цилиндр, и тем самым повысить эффективность работы двигателя внутреннего сгорания.
При этом некруглые зубчатые колеса могут быть выполнены эллиптическими.
При этом некруглые зубчатые колеса могут быть выполнены овальными.
Предлагаемая совокупность существенных признаков придает заявляемому двигателю новые свойства, позволяющие решить поставленную задачу.
Заявляемый двигатель внутреннего сгорания обладает новизной по сравнению с прототипом, отличаясь от него тем, что:
- в него введены два некруглых зубчатых колеса, первое из которых жестко закреплено на коленчатом валу, а второе с возможностью взаимодействия с первым жестко закреплено на дополнительном валу таким образом, что при положениях коленчатого вала, соответствующих нахождению поршня в верхней и нижней мертвых точках, расстояние от полюсов зацепления первого колеса со вторым до оси вращения первого колеса составляет 1,1-5 расстояния от этих полюсов зацепления до оси вращения второго колеса, а при положениях коленчатого вала, соответствующих нахождению поршня в середине его хода, расстояние от полюсов зацепления первого колеса со вторым до оси вращения первого колеса составляет 0,2 - 0,9 расстояния от этих полюсов зацепления до оси вращения второго колеса,
- некруглые зубчатые колеса могут быть выполнены эллиптическими,
- некруглые зубчатые колеса могут быть выполнены овальными.
Заявляемое полезная модель может найти широкое применение в машиностроении, в частности, в двигателях внутреннего сгорания поршневого типа, поэтому она соответствует критерию «промышленная применимость».
Заявителю неизвестен двигатель внутреннего сгорания, обладающий вышеуказанными отличительными существенными признаками, позволяющими явным образом достичь такого же технического результата, он не следует явным образом из изученного им уровня техники, поэтому заявитель считает, что заявляемое полезная модель соответствует критерию «новизна».
Перечень фигур чертежей
Заявляемый двигатель внутреннего сгорания иллюстрируется чертежами на примере двухтактного бензинового двигателя, где представлены на:
Фиг.1. Общий вид двигателя внутреннего сгорания с частичным разрезом при положении поршня в верхней мертвой точке.
Фиг.2. Общий вид двигателя внутреннего сгорания с частичным разрезом при положении поршня в нижней мертвой точке.
Фиг.3. Общий вид двигателя внутреннего сгорания с частичным разрезом при положении поршня на половине его хода к нижней мертвой точке.
Фиг.4. Общий вид двигателя внутреннего сгорания с частичным разрезом при положении поршня на половине его хода к верхней мертвой точке.
Предпочтительный вариант осуществления полезной модели
Двигатель внутреннего сгорания, представленный на чертежах (см.Фиг.1-4) содержит цилиндр 1 с размещенным внутри него поршнем 2, связанным с шатуном 3, коленчатый вал 4, установленный в кривошипной камере 5 с возможностью вращения в опорах 6, свечу 7 зажигания с электродами, находящимися в камере 8 сгорания.
На коленчатом валу 4 жестко закреплено первое овальное зубчатое колесо 9 с возможностью взаимодействия со вторым овальным зубчатым колесом 10, жестко закрепленным на дополнительном валу 11. Вал 11 установлен в опорах вращения (на чертежах не показаны) с возможностью совместного вращения с зубчатым колесом 10.
Некруглые зубчатые колеса 9 и 10 могут быть выполнены овальными, эллиптическими, в форме двулистника (см. «Механизмы. Справочное пособие» под ред. Кожевникова С.Н. и др., М., изд. «Машиностроение», 1976г., стр.159, рис.3.28), и другими видами некруглых зубчатых колес.
Расстояние от полюсов 12 и 13 зацепления первого колеса 9 со вторым колесом 10 (см. Фиг.1 и 2) до оси 14 вращения первого колеса 9 при положениях коленчатого вала 4, соответствующих нахождению поршня 2 в верхней и нижней мертвых точках, составляет 2,0 расстояния от полюсов 12 и 13 зацепления до оси 15 вращения колеса 10.
Расстояние от полюсов 16 и 17 зацепления первого колеса 9 со вторым колесом 10 (см. Фиг.3 и 4) до оси 14 вращения первого колеса 9 при положениях коленчатого вала 4, соответствующих нахождению поршня 2 в середине его хода, составляет 0,5 расстояния от полюсов 16 и 17 зацепления до оси 15 вращения второго колеса 10.
Соотношение расстояний от полюсов 12 и 13 зацепления до оси 14 вращения первого колеса 9 при положениях коленчатого вала 4, соответствующих нахождению поршня 2 в верхней и нижней мертвых точках, может составлять от 1,1 до 5,0 расстояния от полюсов 12 и 13 зацепления до оси 15 вращения колеса 10, а соотношение расстояний от полюсов 16 и 17 зацепления до оси 14 вращения первого колеса 9 при положениях коленчатого вала 4, соответствующих нахождению поршня 2 в середине его хода может составлять от 0,2 до 0,9 расстояния от полюсов 16 и 17 зацепления до оси 15 вращения второго колеса 10, что позволяет достичь необходимого технического результата.
Дополнительный вал 11 в данном примере исполнения является валом отбора мощности, на нем установлен маховик 18. Для впуска топливно-воздушной смеси имеется впускное 19 окно с клапаном 20 и продувочное 21 окно, а для выхода выхлопных газов - выпускное 22 окно.
Направление вращения колес 9, 10 на Фиг.1-4 показано стрелками.
Двигатель содержит другие детали и элементы, известные специалистам, включая, но не ограничиваясь, следующие: насос(ы), охладитель, электропроводка, электрическая система зажигания и другие детали для механического действия двигателя (не изображены). В настоящей заявке изложены только те конструктивные признаки, которые необходимы для понимания сущности полезной модели.
Заявляемый двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.
Цикл работы двигателя начинается с такта сжатия, когда коленчатый вал 4 находится в положении 180° (см. Фиг.2). При этом поршень 2 находится в нижней мертвой точке, первое колесо 9 находится в зацеплении со вторым колесом 10 в полюсе зацепления 13. Маховик 18 имеет угловую скорость ω.
При работе двигателя внутреннего сгорания момент инерции нагрузки, в которую входят: маховик, механизмы трансмиссии и т.п., выше момента инерции коленчатого вала, шатуна и поршня, поэтому относительные колебания угловой скорости маховика 18 являются незначительными, дополнительный вал 11 в пределах одного оборота вращается практически с неизменной угловой скоростью.
Поршень 2 за счет силы инерции маховика 18 двигается от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, перекрывая сначала продувочное 21, а затем выпускное 22 окна.
Завершение процесса продувки происходит при движении поршня 2 в области нижней мертвой точки, где угловая скорость первого колеса 9 примерно в два раза меньше угловой скорости второго колеса 10, так как отношение расстояния от полюса 13 зацепления до оси 14 вращения первого колеса 9 к расстоянию от полюса 13 зацепления до оси вращения 15 второго колеса 10 составляет приблизительно 2,0. Благодаря этому увеличивается время нахождения поршня 2 в области нижней мертвой точки, что благоприятно сказывается на процессе выпуска отработавших газов и на процессе заполнения цилиндра 1 топливно-воздушной смесью.
После закрытия поршнем 2 выпускного 22 окна в цилиндре 1 заканчивается процесс продувки отработавших газов топливно-воздушной смесью и заполнения цилиндра 1 топливно-воздушной смесью, начинается сжатие поступившей в него топливно-воздушной смеси.
Одновременно с процессом сжатия в камере сгорания топливно-воздушной смеси в кривошипной камере 5, вследствие ее герметичности, под поршнем 2 создается разрежение, под действием которого в камеру 5 через впускное 19 окно с открывающимся клапаном 20 поступает топливно-воздушная смесь для следующего рабочего цикла.
Сжатие топливно-воздушной смеси в камере сгорания 8 и создание разрежения в кривошипной камере 5 происходит за счет энергии маховика 18, крутящий момент которого через дополнительный вал 11 передается на второе колесо 10, с него на первое колесо 9 и через коленчатый вал 4 и шатун 3 на поршень 2.
При достижении поршнем 2 верхней мертвой точки (см. Фиг.1) первое колесо 9 находится в зацеплении со вторым колесом 10 в полюсе 12 зацепления. Свеча 7 зажигания воспламеняет топливно-воздушную смесь.
Высвобождающаяся при сгорании топлива энергия воздействует на поршень 2, заставляя его перемещаться в сторону нижней мертвой точки. При движении поршня 2 в области верхней мертвой точки угловая скорость первого колеса 9 примерно в два раза меньше угловой скорости второго колеса 10, так как отношение расстояния от полюса 12 зацепления до оси 14 вращения первого колеса 9 к расстоянию от полюса 12 зацепления до оси вращения 15 второго колеса 10 близко к 2,0. Благодаря этому увеличивается время движения поршня 2 в области верхней мертвой точки, что обеспечивает полноту сгорания топлива.
Двигаясь под давлением раскаленных газов вниз, поршень 2 создает высокое давление в кривошипной камере 5. Под действием давления клапан 20 закрывается, не позволяя горючей смеси выходить через впускное 19 окно.
При приближении поршня 2 к нижней мертвой точке выпускное 22 окно открывается и начинается выпуск отработавших газов в атмосферу, давление в цилиндре 1 понижается. При дальнейшем перемещении поршень 2 открывает продувочное 21 окно, сжатая в кривошипной камере 5 рабочая смесь поступает в цилиндр 1, осуществляя его продувку от остатков отработавших газов.
При перемещении поршня 2 от среднего положения в сторону нижней мертвой точки угловая скорость первого колеса 9 снижается и становится примерно в два раза меньше угловой скорости второго колеса 10, так как отношение расстояния от полюса 13 зацепления до оси 14 вращения первого колеса 9 к расстоянию от полюса 13 зацепления до оси вращения 15 второго колеса 10 в области нижней мертвой точки составляет приблизительно 2,0. Благодаря этому увеличивается время нахождения поршня 2 в области нижней мертвой точки, что благоприятно сказывается на процессе выпуска отработавших газов и на процессе заполнения цилиндра 1 топливно-воздушной смесью.
Цикл заканчивается и затем начинается новый цикл.
Заявляемая конструкция может быть использована также в четырехтактных двигателях и других видах поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Заявляемый двигатель внутреннего сгорания по сравнению с прототипом является более эффективным за счет уменьшения угловой скорости коленчатого вала при движении поршня в области верхней и нижней мертвых точек и увеличения угловой скорости коленчатого вала при движении поршня в области середины хода поршня.
Эффективность заявляемого двигателя внутреннего сгорания достигается также за счет повышения крутящего момента на коленчатом валу в конце такта сжатия, позволяющего уменьшить инерционную массу маховика, снизить минимальную пороговую величину оборотов холостого хода двигателя внутреннего сгорания и/или, при необходимости, увеличить степень сжатия рабочей смеси.
Промышленная применимость
Настоящая полезная модель реализуется с помощью универсального оборудования, широко распространенного в промышленности.