Способ повышения эффективности поршневого двигателя внутреннего сгорания
METHOD FOR IMPROVING EFFICIENCY OF A 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 электродвигателем постоянного тока.
В двигателестроении известен способ повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания (описание изобретения к патенту RU №2163681, опубл. 27.02.2001, Бюл. №6).
Сущность способа состоит в том, что кулачковый вал преобразует вращательное движение в неподвижное и возвратно-поступательное движение поршня, в результате этого за два оборота кулачка в цилиндре двигателя происходят процессы впуска, сжатия, сгорания и выпуск газов продуктов сгорания.
Недостатком способа является то, что профилированный кулачек за два оборота проходи две мертвые зоны, в которых поршень стоит или движется крайне медленно.
Также известен способ повышения эффективности работы управляющего вала поршневого двигателя внутреннего сгорания (описание изобретения к патенту RU №2373410 за 2008 г.).
Сущность способа заключается в том, что возвратно-поступательное движение поршень совершает посредством качательного движения подпружиненного кривошипно-коромыслового механизма, связанного с валом нагрузки, в результате этого в цилиндре двигателя совершаются процессы впуска, сжатия, сгорания и выпуска газов продуктов сгорания.
Недостатком устройств для реализации способа является то, что не имея мертвых зон при работе, имеют громоздкие размеры, поэтому использовать их в современных транспортных средствах не эффективно.
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ повышения эффективности поршневого двигателя внутреннего сгорания (описание изобретения к патенту RU №2756153, опубл. 28.09.2021 г., Бюл. №28).
Сущность способа состоит в том, что зубчатые сектора, закрепленные на управляющем валу, поочередно преобразуют вращательные движения в поступательные движения зубчатого подпружиненного штока поршня, в результате чего в цилиндре двигателя, за один оборот управляющего вала, происходят процессы впуска, сжатия, сгорания и выпуска газов продуктов сгорания.
Недостатком способа является то, что он не позволяет осуществить два взаимоисключающих условия: с одной стороны, обеспечивать постоянство нагрузки при номинальном режиме работы двигателя, а с другой - снабжать автомобиль энергией в непрерывно меняющихся условиях движения.
Исходя из вышеизложенного была поставлена задача разработать такой способ, в котором будут устранены описанные недостатки и сохранены существенные признаки известных способов.
Поставленная задача решается тем, что для повышения эффективности работы двигателя использованы ролико-коромысловые устройства, закрепленные на управляющих валах, которые будут вращать электродвигатель постоянного тока, обеспечивая постоянство нагрузки при номинальном режиме работы двигателя. Во время рабочего процесса прямолинейное движение зубчатого штока поршня преобразуется во вращательное движение зубчатого колеса, связанного с валом нагрузки путем зубчатых ободов храповых колес, обеспечивая автомобиль энергией в непрерывно меняющихся условиях движения.
В заявленном способе признаками изобретения, общими для него и для его наиболее близкого аналога, являются:
- четыре такта совершаются за один оборот ролико-коромыслового устройства;
- 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.
В заявленном способе признаками изобретения, отличающие его от наиболее близкого аналога, являются:
- использованы ролико-коромысловые устройства;
- управляющие валы вращают электродвигатель постоянного тока, обеспечивающий эффективный режим работы двигателя;
- свободно движущийся поршень позволяет снабжать автомобиль энергией в непрерывно меняющихся условиях движения.
Данная совокупность отличительных признаков изобретения вместе с общими признаками заявленного способа и наиболее близко его аналога обеспечивают получение положительного эффекта изобретения во всех случая, на которые распространяются испрашиваемый объем правовой охраны.
На фиг. 1 изображена кинематическая схема устройства для реализации способа повышения эффективности поршневого двигателя внутреннего сгорания.
Устройство для реализации способа повышения эффективности поршневого ДВС (см. фиг. 1) состоит из цилиндра 1, поршня 2, соединенного с зубчатым подпружиненным Т-образным штоком 3. На конце Т-образного штока 3 закрепленные прямоугольные пластины 4и 5, которые стремятся занять нижнее положение путем пружины 6, установленной на штоке 3. С помощью электродвигателя 7 постоянного тока, вращают управляющие валы 8 и 9 путем шестерен 10, 11 и 12. На концах управляющих валов 8, 9 закреплены ролико-коромысловые устройства 13 и 14. С одной стороны ролико-коромысловых устройств закреплены ролики 15 и 16, а с другой ролики 17, 18. На другой стороне управляющих валов 8 и 9 закреплены синхронизирующие шестерни 19 и 20, которые обеспечивают одновременный приход роликов пар либо в верхние точки, либо в нижние точки. Прямолинейное движение Т-образного зубчатого штока 3 преобразуется во вращательные движения зубчатых ободов 21 и 22 храповых колес 23, 24 связанных валами 25, 26 шестернями 27, 28 с валами нагрузки 29, путем шестерни 30, которая позволяет менять обороты вала 29 нагрузки посредством переключателя 31. На верхней крышки цилиндра 1 установлен впускной клапан 32, выпускной клапан 33, а также свеча 34 зажигания.
Во время запуска двигателя водитель подает электропитание на двигатель 7 постоянного тока от аккумуляторной батареи. Это позволит раскрутить управляющие валы 8 и 9 посредствам шестерни 10, 11 и 12. Закрепленные на управляющих валах 8, 9 ролико-коромысловые устройства 13 и 14 начнут вращаться в противоположные стороны. Вращательные движения ролико-коромысловых устройств 13, 14 преобразуются в поступательное движение Т-образного подпружиненного зубчатого штока 3 поршня 2, путем роликов 15 и 16. Ролик 15 катается по пластине 4, как по рельсу, а ролик 16 катается по пластине 5. Во время подъема Т-образного штока 3 поршня 2 в полости цилиндра 1 будет совершаться процесс выпуска, через открытый выпускной клапан 33.
В верхней мертвой точки (ВМТ) закроется выпускной клапан 33 и откроется впускной клапан 32, после этого ролики 15 и 16 разойдутся в разные стороны и освободят пластины 4, 5 Т-образного штока 3. Под действием пружины 6 Т-образный шток 3 поршня 2 опустится вниз, при этом поршень 2 создаст вакуум в полости цилиндра 1. Это позволит заполнить полость цилиндра 1 топливовоздушной смесью. В нижней мертвой точке закроется впускной клапан 32, а пластины 4 и 5 Т-образного штока 3 накроют сверху ролики 17 и 18. Под действием вращательного движения ролико-коромысловых устройств 13 и 14 пластины 4 и 5 начнут совершать прямолинейные движения. В это время в полости цилиндра 1 будет совершаться процесс сжатия топливовоздушной смеси.
В верхней мертвой точки (ВМТ) хода поршня проскочит искра в свече 34 зажигания. Сжатая топливовоздушная смесь воспламенится и сгорит. Под действием высокого давления поршень 2 начнет давить вниз и с помощью пластин 4 и 5 раздвинут ролики 17 и 18 в разные стороны. Это позволит пластинам 4 и 5 вместе с Т-образным штоком 3 и поршнем 2 свободно двигаться вниз. Прямолинейное движение зубчатого штока 3 преобразуется во вращательное движение зубчатых ободов 21 и 22 храповых колес 23 24, связанных с валом 29 нагрузки транспортного средства, посредствам шестерен 27, 30. В нижней мертвой точки (ВМТ) откроется выпускной клапан 33, а пластины 4 и 5 накроют ролики 15 и 16 сверху. Под действием вращательного движения ролико-коромысловых устройств 13 и 14, ролики 15 и 16 начнут подниматься вверх, толкая пластины 4, 5 вместе с Т-образным штоком 3 и поршнем 2, который при этом будет выталкивать отработанные газы через впускной клапан 33. Таким образом описанные выше процессы будут повторяться.
Прежде чем перейти к изложению технико-экономических преимуществ, подкреплю убедительными примерами цель изобретения. Зарождение создания тепловых двигателей относится к концу XVII века (1680 г.). Теоретически основы для двигателей внутреннего сгорания были разработаны в начале XX века для малооборотных двигателей, в которых топливо сгорало при низких температурах. Очевидно поэтому при расчетах потери на лучеиспускание продуктов сгорания не учитывали. При создании высокооборотных двигателей, в которых топливо сгорало при температуре 1700-2000°С в мертвых зонах (т.е. когда поршень стоял на месте или двигался крайне медленно). Потери на лучеиспускание возросли до огромных величин. Это связано с тем, что согласно квантовой механики, продукты сгорания с температурой 1700-2000°С излучают короткие волны, которые распространяются со скоростью света, т.е. 300000 км/с. Таким образом за доли секунд продукты сгорания отдают в окружающую среду огромное количество внутренней энергии.
Использование предлагаемого способа повышения эффективности поршневого двигателя внутреннего сгорания позволит создать устройства, которые будут обладать следующими преимуществами:
а) будет работать на любом виде жидкого или газообразного топлива;
б) свободно движущий поршень позволит совершать рабочий такт в несколько раз быстрее, по сравнению с традиционными двигателями;
в) процессы в четырехтактном двигателе будут совершаться за один оборот управляющего вала;
г) будет выполнять два взаимоисключающих требования: с одной стороны обеспечивать эффективную работу процессов в цилиндре двигателя, а с другой - снабжать выходной вал автомобиля энергией в непрерывно меняющихся условиях движения.
Благодаря вышеизложенным преимуществам устройства для реализации способа будут иметь большую агрегатную мощность при меньших размерах двигателя, которую при этом можно будет увеличивать, удовлетворяя растущие потребности использования двигателей для решения многочисленных научных и технических проблем, а также в обороне страны.