Способ повышения эффективности поршневого двигателя внутреннего сгорания
METHOD FOR IMPROVING EFFICIENCY OF RECIPROCATING INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности, повышает эффективность способа работы управляющего вала, предназначенного осуществлять процессы в цилиндре поршневого двигателя внутреннего сгорания, путем связи с поршнем.
В двигателестроении известен способ управления процессами путем вращательного движения коленчатого вала (Ваншейдт В.А. Двигатель внутреннего сгорания Л., Судпромгиз, 1962 г.). Сущность способа заключается в том, что вращательное движение коленчатого вала, путем кривошипно-шатунного механизма, преобразуется в возвратно-поступательное движение поршня, в результате чего в цилиндре двигателя происходят процессы наполнения, сжатия, сгорания, рабочего такта и выпуска газов продуктов сгорания.
e
i
i
m
i
m
e
Недостатком данного способа является то, что эффективный КПД (η) процесса преобразования внутренней энергии (U) в механическую работу очень мал. Это связано с тем, что индикаторный КПД (η), в районе верхней мертвой точки (ВМТ) равен 100% и направлен вниз по ходу поршня. При этом его индикаторный КПД (η) в нижней мертвой точке (НМТ) снижается до 0%. В то же время механический КПД (η) в районе ВМТ направлен перпендикулярно оси движения поршня, движителем которого является коленчатый вал, изменяет свое значение от 0% в ВМТ до 100% в районе поворота коленчатого вала на угол равный 90°. Таким образом произведение (η ⋅ η) будет стремиться к 0%, а вместе с этим и эффективный КПД (η) будет низким.
Также известен способ повышения эффективности работы управляющего вала поршневого двигателя внутреннего сгорания с кулачковым валом, выполненным в виде вала с барабаном, снабженным криволинейным пазом (Патент СССР 12168 «ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО ГОРЕНИЯ», опубл. 31.12.1929) Использование в известном поршневом двигателе кулачкового вала позволяет увеличить КПД двигателя. Однако создание кулачка с профилем, полностью реализующим потенциальные возможности энергии сгораемого топлива, практически неосуществимо из-за большой скорости движения поршня в процессе рабочего хода. Поэтому у существующих поршневых двигателей с кулачковыми валами поршень и кулачок работают по несовпадающим рабочим диаграммам, т.е. существует потенциальная возможность увеличения КПД способа.
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ повышения эффективности работы управляющего вала поршневого двигателя внутреннего сгорания (способ Печкина) (Патент РФ №2228452, опубл. 10.05.2004 Бюл. №13). Сущность данного способа заключается в том, что вращательное движение управляющего вала преобразуются в возвратно-поступательное движение поршня. В результате чего в цилиндре двигателя происходят процессы впуска, сжатия, сгорания и выпуска газов продуктов сгорания. В момент начала процесса сжатия зубья сектора малого колеса, жестко закрепленного на коленчатом валу, входят в зацепление с зубьями большой шестерни, закрепленной на выходном валу.
m
Недостатком способа является то, что механический КПД (η) процесса преобразования остался низким и только процесс сжатия получил ускорение путем зубчатого сектора. Исходя из вышеизложенного, была поставлена задача разработать такой способ повышения эффективности управления процессами внутреннего сгорания, в котором будут устранены описанные недостатки и сохранены существенные признаки известных способов.
Поставленная задача решается тем, что зубчатые сектора, закрепленные на управляющем валу, удаленном от оси движения поршня на значительное расстояние, поочередно поднимают подпружиненный шток поршня, в результате чего в цилиндре двигателя происходят процессы наполнения, сжатия, сгорания рабочего такта и выпуска газов продуктов сгорания. Во время рабочего процесса прямолинейное движение зубчатого штока поршня преобразуется во вращательное движение зубчатого колеса, связанного с валом нагрузки путем зубчатого обвода храпового колеса
В заявленном способе признаки изобретения общими для него и его наиболее близкого аналога являются:
- управление процессами путем зубчатых секторов;
i
m
- совпадение направлений действий индикаторного КПД (η) с механическим КПД (η) путем смещения оси вращения зубчатого колеса от оси движения поршня.
Отличительными признаками является то, что:
- зубчатые сектора, закрепленные на управляющем валу поочередно преобразуют вращательные движения в поступательные движения зубчатого подпружиненного штока поршня, в результате чего в цилиндре двигателя происходят процессы впуска, сжатия, сгорания и выпуска газов продуктов сгорания;
- во время рабочего процесса прямолинейное движение зубчатого штока поршня преобразуется во вращательное движение зубчатого колеса, связанного с валом нагрузки путем зубчатого обвода храпового колеса;
- в случае объединения одноцилиндровых двигателей в многоцилиндровый двигатель автоматическая система управления обеспечивает работу электроприводов пружин зубчатых штоков поршней таким образом, что одноцилиндровые двигатели, входящие в состав многоцилиндровых двигателей работают либо поочередно, либо группами, либо одновременно.
Данная совокупность отличительных технических признаков изобретения вместе с общими техническими признаками заявленного способа и наиболее близкого его аналога обеспечивают получение положительного эффекта изобретения во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлено устройство для реализации способа повышения эффективности поршневого двигателя внутреннего сгорания;
на фиг. 2 представлена схема сил, действующих в цилиндре ДВС во время преобразования прямолинейного движения поршня во вращательное движение вала нагрузки, путем кривошипно-шатунного механизма;
на фиг. 3 изображена схема сил, действующих в устройстве для реализации способа повышения эффективности поршневого двигателя внутреннего сгорания.
Устройство для реализации способа повышения эффективности поршневого двигателя внутреннего сгорания (см. фиг. 1) состоит из цилиндра 1, поршня 2, соединенного с зубчатым подпружиненным штоком 3, последний вместе с поршнем 2 стремится занять нижнее положение путем пружины 4. Стартер 5 служит для запуска двигателя, в котором предусмотрен электропривод 6 с включающей катушкой 7, которая, во время подачи на нее напряжения от аккумулятора, с помощью штока 8 удерживает подпружиненный зубчатый шток 3 с поршнем 2 в ВМТ. С помощью пружины 4 зубчатый шток 3 с поршнем 2 стремятся занять НМТ. На управляющем валу 9 жестко закреплены зубчатые сектора 10 и 11, которые связаны с валом 12 нагрузки путем шестерен 13 и 14. Путем зубчатого подпружиненного штока 3 поршня 2, осуществляется преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное движение малой шестерни 15, связанной с валом 12 нагрузки путем обода 16 храпового колеса. На верхней крышке цилиндра 1 установлены выпускной клапан 17, впускной клапан 18, а также свеча 19 зажигания.
Перед запуском двигателя (см. фиг. 1) водитель подает питание 12 вольт на катушки 7 электроприводов 6 штоков 8 одноцилиндровых двигателей в составе многоцилиндрового двигателя, которые будут стоять во время запуска многоцилиндрового двигателя. Затем раскручивают шестерню 19 с помощью стартера 5. Это позволит зафиксировать все зубчатые штоки 3 поршней 2 путем штоков 8 электроприводов 7 в ВМТ, которые будут бездействовать во время запуска двигателя. При вращении управляющего вала 9 с помощью шестерни 20 будут также вращаться по часовой стрелке зубчатые сектора 10 и 11, жестко закрепленные на управляющем валу 9. Во время начала процесса выпуска в цилиндре 1 первого одноцилиндрового двигателя зубья сектора 10 входят в зацепление с зубьями подпружиненного штока 3 поршня 2, это позволит управляющему валу 9 совершить процесс выпуска газов из полости цилиндра 1 через выпускной клапан 17. После завершения процесса выпуска, зубчатый сектор 10 освободит зубчатый подпружиненный шток 3 поршня 2. Это позволит поршню 2 вместе с зубчатым подпружиненным штоком 3 опуститься вниз до НМТ под действием пружины 4 и совершить процесс наполнения цилиндра топливовоздушной смесью через открытый впускной клапан 18. Во время начала процесса сжатия в цилиндре 1 первого одноцилиндрового двигателя, зубья сектора 11 входят в закрепление с зубьями подпружиненного штока 3 поршня 2. Это позволит управляющему валу 9 совершить процесс сжатия топливовоздушной смеси в цилиндре 1 при закрытых клапанах 17 и 18. Во время максимального сжатия топливно-воздушной смеси проскочит искра в свече 19 зажигания. Перед этим зубья сектора 11 освободят подпружиненный шток 3 поршня 2 от зацепления зубьев. Под действием высокой температуры топливовоздушная смесь воспламенится и сгорит. Под действием высокого давления поршень 2 вместе со штоком 3 начнут опускаться вниз. При этом произойдет преобразование прямолинейного движения поршня 2 с подпружиненным штоком 3 во вращательное движение малой шестерни 15, связанной с валом 12 нагрузки путем большого обвода 16 храпового колеса. После запуска одноцилиндрового двигателя стартер 5 необходимо отключить. Если обстановка во время движения транспортного средства потребует увеличения нагрузки. Водитель отключает электропитание 12 вольт на катушку 7 электропривода 6 подпружиненного штока 3 второго одноцилиндрового двигателя в составе многоцилиндрового двигателя и тем самым освобождает подпружиненный шток 3 поршня 2 путем выхода штока 3 из зацепления с зубьями. Это позволит совершать возвратно- поступательные движения подпружиненным штокам 3 с поршнями 2 сразу в двух двигателях.
р
i
m
m
i
m
i
m
е
Рассмотрим схему, действующих в цилиндре ДВС во время преобразования прямолинейного движения поршня во вращательное движение вала нагрузки, путем кривошипно-шатунного механизма (фиг. 2). Сила давления газов на поршень Р, а также индикаторный КПД (η)направлены вниз и проходят путь равный диаметру окружности. В то же время механический КПД (η) кривошипно-шатунного механизма движется по касательной сектора и проходит путь равный длине половины окружности. Кроме того, направление сил механического КПД (η) кривошипно-шатунного механизма постоянно меняется и совпадает с направлением индикаторного КПД (η) только в одной точке, т.е. когда угол между шатуном и кривошипом равен 90°, а в ВМТ механический КПД (η) кривошипно-шатунного механизма равен 0%. Из вышесказанного следует, что, если перенести ось вращения кривошипа перпендикулярно оси движения поршня, на максимальное расстояние отклонения шатуна, то это позволит скоординировать силы действующие в процессе преобразования возвратно-поступательного движения в поступательное (фиг. 3) и тем самым повысить индикаторный КПД (η) и механический КПД (η). А вместе с ними повысить и эффективный КПД (η) двигателя.
Благодаря вышеуказанным преимуществам устройства для реализации предполагаемого способа повышения эффективности поршневого двигателя внутреннего сгорания будут иметь большую агрегатную мощность по сравнению с традиционными ДВС (при меньших размерах), которую при этом можно будет увеличить путем увеличения количества одноцилиндровых двигателей, удовлетворяя растущие потребности использования двигателей для решения многочисленных научных и технических проблем, а также в обороне страны.