ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области моторостроения поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Аналогом изобретения является патент 2038497, F02B 75/32, опубл. 1995 «Способ повышения топливно-мощностной эффективности двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания».
Повышение эффективности двигателя может быть достигнуто конструктивными особенностями шатунно-кривошипного узла, позволяющими производить выбор оптимального угла поворота кривошипа α в начале рабочего такта, с наступлением которого образуется номинальный объем камеры сжатия и происходит зажигание горючей смеси. В этом случае тангенциальная составляющая силы крутящего момента будет многократно превосходить паразитную радиальную составляющую по оси кривошипа, в результате чего повышается эффективность двигателя.
Для достижения этой цели в аналоге шатуны выполнены составными, из двух подпружиненных, подвижных относительно друг друга частей. Такая конструкция снижает механическую прочность шатуна в целом, одного из основных элементов, подверженных в двигателе силовым нагрузкам. Составной шатун, взаимодействуя с кулачками шейки кривошипа коленчатого вала, в процессе поворота кривошипа от верхней мертвой точки на угол α 30°÷40° удерживает поршень в положении, при котором объем камеры сжатия сохраняется номинальным до момента зажигания горючей смеси. После зажигания части шатуна начинают сдвигаться, в процессе которого давление на кривошип со стороны шатуна ослабляется, сопровождаясь потерей мощности, а в конечной фазе сдвига частей возможен удар шатуна по шейке кривошипа. Кроме того, такт всасывания сокращается на угол α.
Предлагаемое изобретение не изменяет конструкции кривошипно-шатунного механизма, не снижает механической прочности в классическом его исполнении.
Технический результат достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания,содержащем головку блока цилиндров, кривошипно-шатунный механизм и газораспределительный механизм, в головке, в полости подвода горючей смеси к всасывающему клапану каждого рабочего цилиндра встроен цилиндр с поршнем внутри него, шток которого контактирует со своим кулачком распределительного вала, а внутренняя полость цилиндра через отверстие сообщена с каналом подвода горючей смеси к всасывающему клапану.
Повышение эффективности двигателя достигается модернизацией газораспределительного механизма, дополнением его принудительным нагнетательным устройством горючей смеси в камеру сгорания, согласованно действующим с перемещением впускного клапана, рабочего поршня и кривошипа, в результате чего номинальный объем камеры сжатия и момент зажигания образуются ко времени поворота кривошипа на оптимальный угол α от верхней мертвой точки в начале рабочего хода поршня.
На фиг.1÷6 изображены положения деталей газораспределительного механизма за полный цикл работы четырехтактного двигателя, где:
1 - рабочий цилиндр;
2 - рабочий поршень;
3 - кривошип;
4 - шатун;
5 - клапан впускной (всасывающий);
6 - шток клапана впускного (всасывающего);
7 - цилиндр;
8 - поршень;
9 - шток поршня;
10 - головка рабочих цилиндров (головка блока цилиндров);
11 - газораспределительный вал;
12 - кулачок впускного(всасывающего) клапана;
13 - кулачок поршня;
14 - канал подвода горючей смеси.
На фиг.1 изображены положения деталей в начале такта всасывания.
На фиг.2 изображен разрез фиг.1 по А-А.
На фиг.3 изображены положения деталей в конце такта всасывания.
На фиг.4 изображены положения деталей в момент нахождения рабочего поршня в верхней мертвой точке.
На фиг.5 изображены положения деталей в начале рабочего хода.
На фиг.6 изображены положения деталей в конце такта выхлопа.
На фиг.7 изображен схематический чертеж двигателя, поясняющий расчет возможности осуществления изобретения.
В предложенном двигателе конструкция кривошипно-шатунного механизма сохранена классическая, изменена конструкция газораспределительного механизма следующим образом. В голове 10 каждого из рабочих цилиндров 1 в полости подвода горючей смеси к впускному клапану 5 встроен цилиндр 7 с поршнем 8 внутри него. Перемещение поршня 8 осуществляется кулачком 13 распределительного вала 11 посредством штока поршня 9.
Двигатель работает следующим образом.
1
2
2
1
С началом такта всасывания в рабочий цилиндр 1 и цилиндр 7 поступает горючая смесь из канала 14 (фиг.1, фиг.2). По мере поворота кривошипа 3, в конце такта всасывания, канал 14 перекрывается поршнем 8, впускной клапан 5 остается открытым (фиг.3). Горючая смесь сжимается до объема камеры сжатия V=V+V (фиг.4). К моменту поворота кривошипа 3 на угол α=30° горючая смесь объема V из цилиндра 7 вытесняется поршнем 8 в камеру сжатия V, впускной клапан 5 закрывается, включается зажигание (фиг.5). К окончанию такта выхлопа поршень 8 возвращается в исходное положение (фиг.6).
Для иллюстрации возможности осуществления изобретения произведен расчет габаритных размеров встраиваемого в головку цилиндра и диапазон перемещения поршня в нем применительно к двигателю автомобиля «Ока»:
- диаметр рабочего цилиндра, D - 82 мм;
- диаметр впускного клапана, d - 34 мм;
- ход рабочего поршня, h - 71 мм;
3
- объем камеры сжатия, V - 38 см.
Расчет производится для угла поворота кривошипа от верхней мертвой точки α=30°.
1. Определяется частичный объем рабочего цилиндра между поверхностями поршня в ВМТ и при повороте кривошипа на угол
α=30° (фиг.7):
;
;
1
2
2. Объемы камеры сжатия Пс составляют объемы V и V (фиг.4):
1
2
3
V=V+V=38 см
1
1
2
2
ц
3
3
3
2
3. С поворотом кривошипа на угол α=30° V увеличивается на 26,8 см, следовательно, для компенсации V объем V должен также составлять 26,8 см с тем, чтобы в итоге объем камеры сжатия V ко времени зажигания и поворота кривошипа на α=30° составлял 38 см. При объеме камеры встроенного цилиндра V=26,8 см и при ходе поршня 1 см площадь цилиндра S=26,8 см, чему соответствует его диаметр,
из
2
При ходе поршня 2 см площадь цилиндра 13,4 см и диаметр его 4,15 см. Как в первом, так и во втором случаях цилиндр может быть без труда встроен в головку рабочих цилиндров, а шток поршня может контактировать со своим кулачком распределительного вала.