ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к машиностроению, а именно к производству и эксплуатации поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Известна конструкция широко применяющихся ДВС, которая обеспечивает при каждом непрерывно следующем друг за другом рабочем ходе взаимодействие круто снижающегося усилия поршня с плечом вала, начиная с момента, когда усилие поршня имеет максимальный размер, а плечо вала равно нулю.
Силовое воздействие при этом практически заканчивается в момент, когда размер плеча достигает полной величины («Двигатели внутреннего сгорания», т.1 «Теория рабочих процессов», Москва, «Высшая школа», 2007 г., стр.14, 16, рис.1.3, 1.5).
При такой организации рабочего хода, являющейся характерной особенностью ДВС, у которых для превращения продольного хода поршня во вращательное движение вала используется шатунно-кривошипный способ, львиная энергия топлива расходуется впустую, в атмосферу выбрасывается повышенное количество углекислого газа, не обеспечивается должное силовое воздействие на плечо вала.
Известен также ДВС, в котором для силового воздействия используются штоки и плечи вала, а превращение продольного перемещения поршня во вращательное движение вала производится с помощью микротолчков штоков на плечи вала (патент РФ №2374466, Б.И. №33-2009).
Верхняя головка штока известного ДВС монтируется по прессовой посадке на пальцы поршня, а нижний торец его взаимодействует с набором тарельчатых пружин, неподвижно закрепленных на корпусе ДВС.
На валу симметрично оси каждого цилиндра выполнено по три кулачка. Два боковых функциональных кулачка, имеющих радиальный уступ, смещенный на девяносто градусов от оси канавки на среднем кулачке в сторону, противоположную вращению вала, взаимодействуют с ползуном, жестко закрепленным на штоке, и обеспечивают управление перемещением поршня. Средний кулачок, к поверхности которого постоянно поджата боковая поверхность штока, имеет продольную канавку, которая взаимодействует с выступом на боковой поверхности штока и обеспечивает проведение микротолчка и процесса всасывания.
При проведении микротолчка обеспечивается совмещение максимального усилия поршня с полным плечом вала, выполненным на среднем кулачке вала. Такое взаимодействие поршня с валом обеспечивает повышение КПД ДВС до 90% и более.
Совмещение максимального усилия поршня с полной величиной плеча вала обеспечивается за счет смещения оси блока цилиндров существующих ДВС на величину плеча от оси вала. Это можно обеспечить за счет изменения конструкции корпуса блока цилиндров.
Из изложенного понятно, что вариант известного ДВС может быть реализован в массовом производстве. Для этого нужно отладить с необходимыми изменениями корпус блока цилиндров и разработать и изготовить кулачковый вал, шток, ползун и другие мелкие детали, скомпоновать их доработки в новом конструктивном варианте и провести все необходимые работы в соответствии с действующим регламентом при создании новых ДВС. Экономия топлива в этом случае может быть обеспечена только после того, как известные ДВС будут реализованы в массовом производстве.
Надо отметить, что затраты времени и средств на реализацию известного ДВС в массовом производстве будут многократно меньше, чем при отработке новых ДВС, т.к. известный ДВС конструктивно близок к существующим вариантам.
Неограниченные возможности для экономии топлива можно получить в том случае, если удается обеспечивать проведение модернизации ДВС, находящихся в эксплуатации, на предмет снижения расхода топлива. Модернизация может быть приемлема только в том случае, если она может производиться быстро и дешево.
Известное устройство в существующем конструктивном варианте является непригодным для модернизации ДВС, находящихся в эксплуатации, т.к. его реализация связана с высокой трудоемкостью и стоимостью работ.
Задача, на решение которой направлено создание предлагаемого технического решения, - создание конструкции ДВС, пригодной к модернизации.
Поставленная задача решается тем, что предлагается ДВС, содержащий цилиндропоршневую группу, головку двигателя с камерой сгорания, механизм газораспределения, системы смесеобразования, топливоподачи, смазки и охлаждения, штоки и продольный вал, выполненный многокулачковым, ось которого параллельна торцам цилиндров и находится в плоскости, проходящей через оси цилиндров, симметрично оси каждого из цилиндров выполнены кулачки, по три кулачка напротив каждого цилиндра, в том числе по одному среднему кулачку, имеющему продольную канавку, и двух функциональных кулачков, каждый из которых связан с поршнем и имеет радиальный уступ, смещенный на 90° от канавки в сторону, противоположную вращению вала, согласно изобретению каждый из штоков выполнен из двух частей, одна из них служит ведущей, а другая - ведомой, обе части жестко спарены друг с другом, так что оси их параллельны и расположены на расстоянии, равном плечу вала, на верхнем торце ведущей части штока расположена головка для прессовой посадки на пальце поршня, а на нижнем торце смонтирован ползун, продольная ось ведущей части штока проходит через центр поперечной оси среднего кулачка, боковая поверхность ведомой части штока постоянно поджата к поверхности вала, на ней выполнен прямоугольный выступ, имеющий возможность взаимодействия с канавкой на среднем кулачке при создании микротолчка и в процессе всасывания, нижний торец ведомой части штока может взаимодействовать с набором тарельчатых пружин.
Предлагаемое техническое решение не только обеспечивает важные преимущества по сравнению с известными ДВС (патент РФ №2374466), но и сохраняет все решения, обеспечивающие высокую эффективность ДВС по сравнению с широко применяющимися в настоящее время. Надо отметить, что главные преимущества предлагаемой конструкции обеспечиваются за счет комплексного использования взаимодействия конструктивных элементов, используемых в изобретении, для обеспечения нового процесса работы ДВС.
Наиболее важным преимуществом предлагаемой конструкции по сравнению с известными является исключение необходимости изменения конструкции корпуса блока цилиндров при доработке ДВС. Это обеспечивает возможность модернизации эксплуатируемых ДВС для кардинального повышения их эффективности.
Модернизированный ДВС будет обеспечивать при работе получение максимального Мкр за счет обеспечения взаимодействия максимального усилия поршня с полным плечом вала. Этот Мкр много больше, чем создается в существующих одинаковых по мощности ДВС. Модернизация исключает появление боковых усилий при работе поршня за счет того, что обеспечивается совмещение осей поршня и ведущего штока в момент создания усилия на плечо вала. При работе ДВС после модернизации повышается давление рабочего газа за счет сохранения неизменного объема при дожигании топливной смеси. Уменьшаются динамические нагрузки на детали, направление движения которых изменяется на противоположное за счет микрозадержки движения поршня в верхней мертвой точке (в.м.т.). Модернизация позволяет увеличить усилие поршня на плечо вала за счет непосредственного их взаимодействия в виде толчка, что полностью исключается в существующих ДВС. Повышается КПД работы за счет многократного сокращения внутренних путей перемещения усилия для обеспечения работы ДВС.
Отмеченные преимущества в работе ДВС после модернизации обеспечивает его КПД не менее 90%.
ДВС состоит из цилиндропоршневой группы, головки двигателя с камерой сгорания, механизма газораспределения, систем смесеобразования, топливоподачи, смазки и охлаждения, штоков и продольного вала. Вал выполнен многокулачковым, ось его параллельна торцам цилиндров и находится в плоскости, проходящей через оси цилиндров.
Симметрично оси каждого из цилиндров выполнены кулачки, по три кулачка напротив каждого цилиндра, в том числе по одному среднему кулачку, имеющему продольную канавку, и двух функциональных кулачков, каждый из которых связан с поршнем и имеет радиальный уступ, смещенный на 90° от канавки в сторону, противоположную вращению вала.
Такое исполнение предлагаемого ДВС поясняется чертежом, где показана упрощенная схема поперечного разреза ДВС.
Устройство включает поршень 1, шток, включающий ведущую часть 2 и ведомую 3, жесткий фиксатор двух частей штока между собой 4, функциональные кулачки 5, кулачковый вал 6, механизм взаимодействия ведомой части штока с кулачковым валом 7, средний кулачок 8, ползун 9, поджимной ролик 10.
Перечисленные детали связаны между собой для обеспечения рабочего процесса.
На верхнем торце ведущей части 2 штока выполнена головка, с помощью которой ведущая 2 часть штока по прессовой посадке соединена с пальцем поршня 1.
Продольная ось ведущей 2 части штока совмещена с осью поршня 1. На плоском торце ведущей 2 части штока жестко смонтирован ползун 9.
Ведущая 2 часть штока с помощью жесткого фиксатора 4 неподвижно связана с ведомой частью штока 3 так, что продольная ее ось параллельна продольной оси ведомой 3 части штока и расположена от нее на расстоянии плеча вала 6. Связку из ведущей 2 и ведомой 3 части штока можно поворачивать вокруг оси пальца поршня 1 для обеспечения мягкой работы механизма 7, содержащего канавку на среднем кулачке 8 вала, взаимодействующую с прямоугольным выступом на ведомой 3 части штока. Ведомая 3 часть штока своей боковой поверхностью с помощью поджимного ролика 10 постоянно поджимается к поверхности кулачкового вала 6. Два функциональных кулачка 5 при взаимодействии с ползуном 9 обеспечивают подачу поршня в в.м.т. и освобождают поршень 1 от взаимодействия с ними в момент создания микротолчка и проведения процесса всасывания, когда поршень двигается за счет давления рабочего газа или за счет инерции вращающихся частей ДВС. После создания микротолчка или при проведении процесса всасывания поршень микровоздействует с набором тарельчатых пружин неподвижно смонтированных на корпусе ДВС (на чертеже не показаны).
Работу предлагаемого ДВС удобно рассматривать, начиная с процесса всасывания. Процесс всасывания начинается после процесса расширения и выталкивания отработанного газа. При этом поршень 1 за счет взаимодействия функциональных кулачков 5 с ползуном 9 от нижней мертвой точки (н.м.т.) поднимается в в.м.т., а механизм 7 обеспечивает подачу выступа на ведомом штоке 3 в канавку на среднем кулачке 8 и потерю опоры ползуна 9 на рабочей поверхности функциональных кулачков 5. Освобожденный от нагрузок поршень 1 перемещается за счет воздействия стенок канавки механизма 7 на стенку выступа на ведомой части 3 штока за счет инерции вращающихся частей ДВС при движении из в.м.т. в н.м.т. При этом обеспечивается процесс всасывания. Далее функциональными кулачками 5, взаимодействующими с ползуном 9, поршень 1 перемещается из н.м.т. в в.м.т., одновременно сжимая горючую смесь. Для обеспечения более полного сгорания топлива перемещение поршня 1 в в.м.т. задерживается на 15…20° вращением вала 6 за счет применения рабочего контура кулачков 5 с постоянным радиусом вращения. В дальнейшем срабатывает механизм 7. Поперечный выступ на ведомой части 3 штока входит в канавку на кулачке 8. Ползун 9 выходит из контакта с рабочей поверхность функционального кулачка 5, освобожденный поршень 1 создает микротолчок на плечо вала 6, обеспечивая создание максимального Мкр и запас инерции маховика для вращения вала б. После этого цикл повторяется.
Расположение продольных осей ведущего 2 и ведомых 3 частей штоков относительно поперечной оси среднего кулачка 8 исключает необходимость изменения корпуса блока цилиндров и существенно снижает стоимость при модернизации ДВС, находящихся в эксплуатации. Основной работой при модернизации в этом случае останется замена кулачкового вала и штока. Изготовление штока и вала и других малых деталей может производиться в нужных количествах на малых предприятиях.
При анализе чертежа видно, что за два оборота вала предложенного ДВС обеспечивается прохождение четырех тактов работы ДВС, т.е всасывание, сжатие, микротолчок штока с плечом вала и процесс расширения.
При микротолчке обеспечивается взаимодействие максимального усилия поршня с полным плечом вала. При таком взаимодействии, как уже указывалось, обеспечивается высокий КПД работы ДВС. В качестве примера обеспечения высокого КПД может служить турбина, где за счет взаимодействия микротолчков с плечом турбины КПД ее работы может достичь 95%.
Для обеспечения процесса всасывания канавка на среднем кулачке взаимодействуя с выступом на ведомом штоке, перемещает поршень в н.м.т., используя энергию инерции вращения маховика. В дальнейшем вал с помощью энергии маховика и функциональных кулачков, взаимодействующих с ползунами, подает поршень в в.м.т., сжимая и воспламеняя топливную смесь. При максимальном давлении горючая смесь создает микротолчок на плечо вала, одновременно увеличивая энергию инерции вращения маховика.
Следует отметить, что при применении функциональных кулачков есть возможность увеличения давления рабочего газа при догорании топлива, т.е в момент создания микротолчка на плечо вала.
Это обеспечивается за счет выполнения рабочего контура функциональных кулачков в момент догорания топлива с постоянным радиусом относительно вала. Это обеспечивает в момент догорания сохранение объема камеры сгорания неизменным. Догорание топлива при неизменном объеме несомненно обеспечит повышение давления рабочего газа, а микроостановка поршня снизит динамические нагрузки на взаимодействующие детали.
За счет инерции маховика функциональные кулачки, взаимодействуя с ползуном, подают поршень в верхней мертвой точке (в.м.т.), обеспечивая расширение и выталкивание отработанного рабочего газа.
Описанные такты проходят в каждом цилиндре в соответствии с порядком их работы.
Расчет показывает, что при широком применении модернизации эксплуатирующихся ДВС можно получать очень большую экономию за счет сохранения топлива. Эта экономия послужит стимулом к расширению работ в этом направлении.
6
6
9
9
Для упрощения расчета примем, что каждый ДВС, прежде чем он будет сдан в металлолом, после модернизации проедет с автомобилем 50000 км и израсходует 5000 литров бензина суммарной стоимостью 100000 рублей. Экономия за счет модернизации составит 50000 рублей. Если за один год модернизировать 5·10 машин, то в атмосферу за один год их работы будет выброшено на 2,5·5·10 литров бензина меньше, чем было бы выброшено до модернизации. Экономия в рублях 2,5·10·20=50·10, т.е 50 мрд. рублей.
Очень важно, что за счет расширения модернизации эксплуатирующихся ДВС можно обеспечить существенное снижение выброса углекислого газа в атмосферу, что в настоящее время является весьма важной задачей для всех стран мира и, как утверждается в печати, для сохранения жизни на земле.
В случае надобности предложенный ДВС может существенно упростить проблему создания супермощных двигателей для танков, грузовиков, землеройных машин и т.д.
Важным конструктивным преимуществом предложенного варианта ДВС является исключение боковых нагрузок поршня с цилиндром. Это обеспечивается за счет того, что силовое воздействие между ними осуществлено по оси ведущего штока, совмещенного с осью поршня.
Повсеместное применение производства ДВС, при работе которых обеспечивается высокий КПД, позволит в будущем снизить выброс углекислого газа в атмосферу на 11..18%, чтобы удерживать ежегодное повышение температуры на земле ниже 2°С.
Надо отметить, что применение вместо существующего рабочего хода при взаимодействии усилия поршня с плечом вала микротолчков является принципиально новым способом работы ДВС и, конечно, потребует отработки механизма взаимодействия.
Но это позволит выйти на передовой уровень производства ДВС в мире.