ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Область техники, к которой относится полезная модель
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 непроизводительными тепловыми потерями энергии. Происходит это потому, что при воспламенении смеси топлива с воздухом в камере сгорания (надпоршневом пространстве цилиндра) образующиеся газы высокой температуры и давления давят на поршень и перемещают его в цилиндре поступательное движение поршня через шатун преобразуется во вращательное движение коленчатым валом. Однако, при движении поршня в области верхней мертвой точки, угловое перемещение коленчатого вала вызывает гораздо меньшее линейное перемещение поршня, чем при движении поршня в средней части его хода. При этом около 70% тепловой энергии, которая рассеивается на нагрев конструкция двигателя, приходится на первые 70° его оборота, начиная от положения, при котором поршень находится в верхней мертвой точке.
Поэтому значительная часть энергии образующихся газов не превращается в кинетическую энергию поршня, а непроизводительно затрачивается на нагрев конструкций двигателя.
Раскрытие сущности полезной модели
Задачей заявляемой полезной модели является повышение эффективности работы двигателя внутреннего сгорания.
Техническим результатом, позволяющим решить указанную задачу, является сокращение времени прохождения коленчатым валом первых 70º его оборота, начиная от положения, при котором поршень находится в верхней мертвой точке. Повышение эффективности работы двигателя обусловлено тем, что в начале такта рабочего хода превращение тепловой энергии газов в механическое перемещение поршня происходит за меньшее время, в результате чего уменьшаются потери тепловой энергии на нагрев деталей двигателя и на утечки тепла, в результате чего происходит уменьшение потерь тепловой энергии на нагрев деталей двигателя и сэкономленная тепловая энергия превращается в полезную механическую энергию двигателя.
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, введены два некруглых зубчатых колеса, первое из которых жестко закреплено на коленчатом валу, второе с возможностью взаимодействия с первым жестко закреплено на дополнительном валу, причем расстояние от полюса зацепления первого колеса со вторым, расположенного на наибольшей хорде центроиды первого колеса, или ближайшего к ней, до оси вращения первого колеса составляет 0,15-0,8 расстояния от этого полюса зацепления до оси вращения второго колеса, а положение, в котором при этом зацеплении находится первое колесо, соответствует позиционированию коленчатого вала в диапазоне от -20° до +80° от его положения, при котором поршень находится в верхней мертвой точке.
В частных случаях реализации полезной модели некруглые зубчатые колеса выполнены эллиптическими, с осью вращения в фокусе.
В других частных случаях реализации полезной модели некруглые зубчатые колеса выполнены овальными.
Введение двух некруглых зубчатых колес, первое из которых жестко закреплено на коленчатом валу, второе с возможностью взаимодействия с первым жестко закреплено на дополнительном валу, причем расстояние от полюса зацепления первого колеса со вторым, расположенного на наибольшей хорде центроиды первого колеса, или ближайшего к ней, до оси вращения первого колеса составляет 0,15-0,8 расстояния от этого полюса зацепления до оси вращения второго колеса, а положение, в котором при этом зацеплении находится первое колесо, соответствует позиционированию коленчатого вала в диапазоне от -20º до+80º от его положения, при котором поршень находится в верхней мертвой точке позволяет увеличить угловую скорость движения коленчатого вала во время начального движения поршня от его верхней мертвой точки и, соответственно, сократить время прохождения коленчатым валом первых 70º его оборота.
Это дает возможность увеличить скорость перемещения поршня в начальные моменты сгорания топлива, сократить тем самым непроизводительные потери энергии на нагрев конструкций двигателя, увеличить вырабатываемую полезную мощность, и тем самым повысить эффективность работы двигателя внутреннего сгорания.
При этом, некруглые зубчатые колеса могут быть выполнены эллиптическими, с осью вращения в фокусе.
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, второе с возможностью взаимодействия с первым жестко закреплено на дополнительном валу, причем расстояние от полюса зацепления первого колеса со вторым, расположенного на наибольшей хорде центроиды первого колеса, или ближайшего к ней, до оси вращения первого колеса составляет 0,15-0,8 расстояния от этого полюса зацепления до оси вращения второго колеса, а положение, в котором при этом зацеплении находится первое колесо, соответствует позиционированию коленчатого вала в диапазоне от -20° до +80° от его положения, при котором поршень находится в верхней мертвой точке.
- некруглые зубчатые колеса могут быть выполнены эллиптическими с осью вращения в фокусе.
- некруглые зубчатые колеса могут быть выполнены овальными.
Заявляемая полезная модель может найти широкое применение в машиностроении, в частности, в двигателях внутреннего сгорания поршневого типа, поэтому она соответствует критерию «промышленная применимость».
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. Схема взаимного расположения некруглых зубчатых колес, коленчатого вала и поршня.
Фиг.4. - Фиг.5. Схемы зацепления некруглых зубчатых колес при передаточных отношениях 6,67 и 1,25.
Фиг.6. - Фиг.7. Схемы взаимного расположения некруглых зубчатых колес, коленчатого вала и поршня при передаточном отношении 1,25 и отклонении коленчатого вала -20° от его положения, при котором поршень находится в верхней мертвой точке.
Фиг.8. - Фиг.9. Схемы взаимного расположения некруглых зубчатых колес, коленчатого вала и поршня при передаточном отношении 1,25 и отклонении коленчатого вала +80° от его положения, при котором поршень находится в верхней мертвой точке.
Предпочтительный вариант осуществления полезной модели
Двигатель внутреннего сгорания, представленный на чертеже (см. Фиг.1 и Фиг.2) содержит цилиндр 1 с размещенным внутри него поршнем 2, связанным с шатуном 3, и коленчатый вал 4, установленный в кривошипной камере 5 с возможностью вращения в опорах 6, свечу 7 зажигания с электродами, находящимися в камере сгорания 8.
На коленчатом валу 4 жестко закреплено первое эллиптическое зубчатое колесо 9 с возможностью взаимодействия со вторым эллиптическим зубчатым колесом 10, жестко закрепленным на дополнительном валу 11. Вал 11 установлен в опорах вращения (не изображены) с возможностью совместного вращения с зубчатым колесом 10.
Некруглые зубчатые колеса 9 и 10 могут быть выполнены овальными, в форме двулистника или трилистника, а также в виде зубчатых колес, имеющих начальные цилиндры, очерченные дугами логарифмических спиралей, у которых период изменения передаточного отношения за один оборот может быть равен одному, двум, трем, четырем и более (см. «Механизмы. Справочное пособие» под ред. Кожевникова С.Н. и др., М., изд. «Машиностроение», 1976 г., стр.156, рис.3.27, стр.159, рис.3.28, 3.30, 3.31, 3.32), и другими видами некруглых зубчатых колес.
Расстояние от полюса 12 зацепления первого колеса 9 со вторым колесом 10, расположенного на наибольшей хорде 13 центроиды 14 первого колеса 9, до оси вращения 15 колеса 9 (см. Фиг.3) составляет 0,5 расстояния от полюса 12 зацепления до оси вращения 16 колеса 10, а положение, в котором при этом зацеплении находится первое колесо 9, соответствует положению коленчатого вала 4, при котором поршень 2 находится в верхней мертвой точке. Передаточное отношение колес при этом равно 2. Полюс 17 зацепления расположен на противоположном полюсу 12 конце наибольшей хорды 13 центроиды 14 первого колеса 9.
Соотношение расстояний от полюса 12 до оси вращения 15 колеса 9 к расстояниям от полюса 12 до оси вращения 16 колеса 10 может составлять от 0,15 до 0,8, передаточные отношения колес при этом варьируются от 6,67 до 1,25, что обеспечивает нужное соотношение угловых скоростей первого 9 и второго 10 колес, позволяющее достичь необходимого технического результата.
Причем, при величине передаточного отношения 6,67 полюсы зацепления 18 и 19, при которых угловые скорости колес 9 и 10 выравниваются, расположены на колесе 9 на угловом отклонении ±137° от полюса 12, а при величине передаточного отношения 1,25 полюсы зацепления 18 и 19, при которых угловые скорости колес 9 и 10 выравниваются, расположены на колесе 9 на угловом отклонении ±96° от полюса 12 (см. Фиг.4 и 5).
При зацеплении колеса 9 с колесом 10 в пределах дуги 18-12-19 угловая скорость колеса 9 выше, чем угловая скорость колеса 10.
Исходя из этих величин можно утверждать, что при всех отклонениях коленчатого вала 4 в диапазоне от -20° до +80° от его положения, при котором поршень 2 находится в верхней мертвой точке, колесо 9 в первые 70° своего оборота находится в зацеплении с колесом 10 в пределах дуги 18-12-19, где угловая скорость колеса 9 выше, чем угловая скорость колеса 10 и, следовательно, происходит сокращение времени прохождения коленчатым валом 4 первых 70° его оборота, начиная от положения, при котором поршень 2 находится в верхней мертвой точке, то есть достигается необходимый технический результат (см. Фиг.6 - Фиг.9).
Дополнительный вал 11 в данном примере исполнения является валом отбора мощности, на нем установлен маховик 20. Для впуска топливно-воздушной смеси имеется впускное 21 окно с клапаном 22 и продувочное 23 окно, а для выхода выхлопных газов - выпускное окно 24.
Направление вращения на Фиг.1, 2 показано стрелками.
Двигатель содержит другие детали и элементы, известные специалистам, включая, но не ограничиваясь, следующими: 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, из положения, когда коленчатый вал 4 находится в положении 180°, при котором поршень 2 находится в нижней мертвой точке, первое колесо 9 находится в зацеплении со вторым колесом 10 в полюсе зацепления 17, противоположном полюсу 12, а передаточное отношение колес равно 0,5. Маховик 20 имеет угловую скорость ω (см. Фиг.2).
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 являются незначительными, дополнительный вал 11 в пределах одного оборота вращается практически с неизменной угловой скоростью.
Поршень 2 за счет силы инерции маховика 20 двигается от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, перекрывая сначала продувочное 23, а затем выпускное 24 окна. После закрытия поршнем 2 выпускного окна 24 в цилиндре 1 начинается сжатие ранее поступившей в него топливно-воздушной смеси.
Одновременно в кривошипной камере 5, вследствие ее герметичности, под поршнем 2 создается разрежение, под действием которого в камеру 5 через впускное 21 окно с открывающимся клапаном 22 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 20, крутящий момент с 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 верхней мертвой точки поршнем 2 первое колесо 9 находится в зацеплении со вторым рабочим колесом 10 в полюсе 12 зацепления (см. Фиг.1). Свеча 7 зажигания воспламеняет топливно-воздушную смесь.
Высвобождающаяся при сгорании топлива энергия воздействует на поршень 2, заставляя его перемещаться к нижней мертвой точке. В этот момент угловая скорость первого колеса 9 в два раза больше угловой скорости второго колеса 10, так как отношение расстояния от оси вращения 15 первого колеса 9 до полюса 12 зацепления к расстоянию от оси вращения 16 второго колеса 10 до полюса 12 составляет 0,5. Благодаря этому в два раза увеличивается скорость движения поршня 2 и сила давления газа вырабатывает в два раза большую мощность.
Дополнительно получаемая мощность расходуется на увеличение кинетической энергии поршня 2, шатуна 3, коленчатого вала 4, раскручивая его до большей угловой скорости, а также на увеличение крутящего момента на втором колесе 10. Увеличение крутящего момента на колесе 10 в начале такта рабочего хода обеспечена передаточным отношением первого колеса 9 ко второму колесу 10, величина которого составляет 2.
В конце рабочего хода скорость вращения коленчатого вала 4 уменьшится в 4 раза, по сравнению со скоростью в начале за счет изменения передаточного отношения колес с 2 до 0,5, следовательно, его кинетическая энергия, накопленная в начале такта рабочего хода, в значительной мере будет передана на дополнительный вал 11 отбора мощности.
Цикл заканчивается и затем начинается новый цикл.
С точки зрения термодинамических процессов, увеличение кинетической энергии поршня 2, шатуна 3, коленчатого вала 4 с первым колесом 9 объясняется тем, что в начале такта рабочего хода превращение тепловой энергии газов в механическое перемещение поршня 2 происходит за меньшее время, в результате чего уменьшаются потери тепловой энергии на нагрев деталей двигателя и на утечки тепла, в результате чего происходит уменьшение потерь тепловой энергии на нагрев деталей двигателя и сэкономленная тепловая энергия превращается в полезную механическую энергию двигателя.
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 сокращения времени прохождения коленчатым валом первых 70° его оборота, начиная от положения, при котором поршень находится в верхней мертвой точке.
Промышленная применимость
Настоящая полезная модель реализуется с помощью универсального оборудования, широко распространенного в промышленности.