КРИВОШИПНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к четырехтактным двигателям внутреннего сгорания как стационарных, так и мобильных энергетических установок.
Широко известен четырехтактный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), у которого топливо сгорает непосредственно в цилиндре. В результате сгорания образуются газообразные продукты, имеющие высокие давление и температуру. Давление данных газообразных продуктов сгорания воздействует на поршень, находящийся в цилиндре, и приводит его в прямолинейное движение, которое преобразуется во вращательное движение коленчатого вала двигателя посредством кривошипно-шатунного механизма (см. Политехнический словарь, издание третье. - М.: Советская энциклопедия, 1989, с.141-142).
Данный двигатель имеет довольно низкую скорость протекания процессов, что связано с тем, что линейная скорость у центра вала невелика. Очевидно, чтобы осуществить полный цикл в четырехтактном двигателе, приходиться совершать два оборота, т.е. 720° поворота коленчатого вала, а это в свою очередь снижает агрегатную мощность двигателя.
Наиболее близким по конструкции аналогом, взятым за прототип, к заявленному двигателю относится устройство, описанное в патенте России №2239076, содержащее цилиндр, снабженный впускным и выпускным клапанами и размещенным внутри него поршнем, соединенным посредством шатуна, имеющего нижнюю головку, с кривошипом коленчатого вала, при этом в отверстии нижней головки шатуна размещен составной из двух частей эксцентриковый диск со смещенным относительно его центра отверстием, охватывающим кривошип коленчатого вала, причем диск установлен с возможностью вращения относительно кривошипа коленчатого вала и нижней головки шатуна, плоскость разъема диска расположена в горизонтальной или вертикальной плоскости сечения, проходящей через центр его отверстия. Разъемный эксцентриковый диск является по своей сути редуктором, который позволяет уменьшить скорость движения поршня во время такта впуск относительно скорости такта рабочий ход, что способствует более полному сгоранию топлива в цилиндре и повышению эффективного КПД двигателя. Но и в известном ДВС эффективный КПД не велик т.к. на выпуск отработавших газов потребляется больше энергии, чем экономится с помощью данного технического решения.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективного КПД четырехтактного ДВС.
Указанный технический результат достигается за счет того, что кривошипно-поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит корпус, по меньшей мере, один цилиндр, снабженный впускным и выпускным клапанами и размещенным внутри него поршнем, соединенным посредством шатуна, имеющего нижнюю головку, с кривошипом коленчатого вала, при этом в отверстии нижней головки шатуна размещен составной из двух частей эксцентриковый диск со смещенным относительно его центра отверстием, охватывающим кривошип коленчатого вала, причем диск установлен с возможностью вращения относительно кривошипа коленчатого вала и нижней головки шатуна, плоскость разъема диска расположена в горизонтальной или вертикальной плоскости сечения, проходящей через центр его отверстия. На эксцентриковом диске неподвижно закреплено разъемное зубчатое колесо с отверстием в его центре, которое охватывает кривошип коленчатого вала и находится в зацеплении с неподвижным зубчатым колесом с внутренними зубьями, либо цельным либо составным из двух или более частей, закрепленным на внутренней части корпуса. Плоскость разъема разъемного зубчатого колеса расположена в горизонтальной или вертикальной плоскости сечения, проходящей через центр его отверстия. Количество зубьев разъемного зубчатого колеса и количество зубьев неподвижного зубчатого колеса в зависимости от способа работы рассчитывается следующим образом:
1. Скорость вращения коленчатого вала меньше скорости вращения эксцентрикового диска вокруг своей оси в два раза - количество зубьев составного зубчатого колеса и количество зубьев неподвижного зубчатого колеса соотносятся как 1/3.
2. Скорость вращения коленчатого вала больше скорости вращения эксцентрикового диска вокруг своей оси в два раза - количество зубьев составного зубчатого колеса и количество зубьев неподвижного зубчатого колеса соотносятся как 2/3.
Отличительные признаки: установка на эксцентриковом диске неподвижно разъемного зубчатого колеса с отверстием в центре, охватывающего кривошип коленчатого вала и находящегося в зацеплении с внутренними зубьями неподвижного зубчатого колеса, установленного на внутренней части корпуса, плоскость разъема разъемного зубчатого колеса расположена в горизонтальной или вертикальной плоскости сечения, проходящей через центр его отверстия, количество зубьев разъемного зубчатого колеса и количество зубьев неподвижного зубчатого колеса соотносятся как 1/3 или 2/3.
Наличие новых отличительных от прототипа признаков обуславливает соответствие заявленного технического решения критерию «новизна».
Предложенная совокупность существенных признаков позволяет существенно изменить работу двигателя внутреннего сгорания:
1. Время такта «выпуск» становится в три раза больше времени такта «рабочий ход» - это облегчает выпуск отработавших газов, что увеличит КПД двигателя, снижает уровень шума при выпуске, а, следовательно, потребуется менее мощный глушитель, который будет меньше препятствовать выпуску все тех же отработавших газов, что также существенно увеличит КПД двигателя.
2. В предложенном новом ДВС имеется два плеча приложения силы: плечо кривошипа и плечо, образуемое эксцентриковым диском со смещенным относительно его центра отверстием. В сумме два этих плеча нового ДВС будут больше, чем плечо кривошипа прототипа при равных рабочем ходе поршня и полном объеме цилиндра, следовательно, мощность нового ДВС будет выше мощности прототипа при равных условиях, что свидетельствует о более высоком КПД.
Достижение нового технического результата, выразившегося в увеличении КПД двигателя за счет увеличения время такта «выпуск» в три раза больше времени такта «рабочий ход» и увеличения суммарного плеча приложения силы, в частности, плеча кривошипа и плеча, образуемого эксцентриковым диском со смещенным относительно его центра отверстием
Изобретение поясняется графическим материалом, где на фиг.1 представлен общий вид ДВС; на фиг.2 изображен поэлементно эксцентриковый диск, с прикрепленным к нему разъемным зубчатым колесом; на фиг.3 изображено неподвижное зубчатое колесо с внутренними зубьями; на фиг.4 изображено положение двигателя в момент окончания такта «выпуск» и начала такта «рабочий ход»; на фиг.5 изображено промежуточные положения двигателя во время такта «рабочий ход»; на фиг.6 - изображено положение двигателя в момент окончания такта «рабочий ход» и начала такта «выпуск»; на фиг.7, 8, 9, 10, 11 представлено промежуточное положение двигателя во время такта «выпуск».
Двигатель содержит кривошип 1 коленчатого вала, цилиндр 2, головку 3 цилиндра 2 с впускным клапаном 4 и выпускным клапаном 5, поршень 6, шатун 7, нижнюю головку 8 шатуна 7, разъемный эксцентриковый диск 9, выполненный в виде втулки, со смещенным от
центра отверстием, разъемное зубчатое колесо 10 с отверстием в центре и неподвижное зубчатое колесо 11, с внутренними зубьями, закрепленное на внутренней части корпуса. Кривошип 1 коленчатого вала размещен в отверстии диска 9 и зубчатого колеса 10 с возможностью свободного вращения, а сам диск 9 расположен в отверстии нижней головки 8 шатуна 7 также с возможностью вращения. Диск 9 выполняют составным из двух частей, причем плоскость их разъема располагают в горизонтальной или вертикальной плоскости сечения. Зубчатое колесо 10 также выполняют составным из двух частей, причем плоскость их разъема располагают в горизонтальной или вертикальной плоскости сечения. Диск 9 и зубчатое колесо 10 неподвижно соединены между собой. Зубчатое колесо 10 находится в зацеплении с неподвижным зубчатым колесом 11. Зубчатое колесо 11 выполняют либо цельным либо составным из двух или более частей, причем плоскость их разъема располагают в горизонтальной или вертикальной плоскости сечения.
На чертежах также обозначена ось коленчатого вала - О.
Уплотнительные кольца, каналы для охлаждения, подшипники, болты, штифты и т.п. элементы, в силу их широкой известности и не имеющие прямого отношения к существу изобретения выносных позиций не имеют.
Работа предложенного ДВС осуществляется следующим образом.
Кривошипно-шатунный механизм ДВС раскручивают с помощью стартера (не показан), причем в исходном положении поршень б находится в верхней мертвой точке (ВМТ), кривошип 1 в верхнем положении (+/- 90 градусов), а диск 9 - в положении, при котором центр его отверстия расположен в нижней его части (+/- 90 градусов).
Коленчатый вал и эксцентриковый диск вращаются в противоположенных направлениях.
1. Если скорость вращения коленчатого вала больше скорости вращения эксцентрикового диска вокруг своей оси в два раза - количество зубьев разъемного зубчатого колеса и количество зубьев неподвижного зубчатого колеса соотносятся как 2/3:
Первый такт впуск осуществляется следующим образом. Коленчатый вал, поворачиваясь вокруг своей оси "О" на 180° посредством кривошипа 1, зубчатого колеса 10 и неподвижного зубчатого колеса 11 поворачивает диск 9 вокруг своей оси на 90°, перемещая последний, а вместе с ним через шатун 7 поршень б вниз. В цилиндре 2 образуется объем, который за счет разряжения заполняется горючей смесью через открытый впускной клапан 4.
Во втором такте сжатие впускной клапан 4 закрывается и коленчатый вал, поворачиваясь вокруг своей оси "О" на 540° посредством кривошипа 1, зубчатого колеса 10 и неподвижного зубчатого колеса 11 поворачивает диск 9 вокруг своей оси на 270°, перемещая последний, а вместе с ним через шатун 7 поршень 6 в исходное положение (ВМТ), образуя камеру сгорания цилиндра 2, в которой смесь сжимается.
Третий такт рабочий ход осуществляется следующим образом: в конце такта сжатия, горючая смесь воспламеняется и быстро сгорает, в результате чего температура газов, а следовательно, и давление в камере сгорания повышаются. Давление газов передается на поршень 6 и далее через шатун 7 на диск 9. Диск 9 поворачивается вокруг своей оси на 90° и посредством зубчатого колеса 10, неподвижного зубчатого колеса 11 и кривошипа 1 поворачивает коленчатый вал вокруг своей оси "О" на 180° (фиг.4, 5, 6).
В четвертом такте выпуск коленчатый вал, поворачиваясь вокруг своей оси "О" на 540° посредством кривошипа 1, зубчатого колеса 10 и неподвижного зубчатого колеса 11 поворачивает диск 9 вокруг своей оси на 270°, перемещая последний, а вместе с ним через шатун 7 поршень 6 в исходное положение (ВМТ), а отработавшие газы вытесняются под действием последнего через открытый выпускной клапан 5 в атмосферу (фиг.7, 8, 9, 10, 11).
2. Если скорость вращения коленчатого вала больше скорости вращения эксцентрикового диска вокруг своей оси в два раза - количество зубьев разъемного зубчатого колеса и количество зубьев неподвижного зубчатого колеса соотносятся как 1/3:
Первый такт впуск осуществляется следующим образом. Коленчатый вал, поворачиваясь вокруг своей оси "О" на 90° посредством кривошипа 1, зубчатого колеса 10 и неподвижного зубчатого колеса 11 поворачивает диск 9 вокруг своей оси на 180°, перемещая последний, а вместе с ним через шатун 7 поршень 6 вниз. В цилиндре 2 образуется объем, который за счет разряжения заполняется горючей смесью через открытый впускной клапан 4.
Во втором такте сжатие впускной клапан 4 закрывается и коленчатый вал, поворачиваясь вокруг своей оси "О" на 270° посредством кривошипа 1, зубчатого колеса 10 и неподвижного зубчатого колеса 11 поворачивает диск 9 вокруг своей оси на 540°, перемещая
последний, а вместе с ним через шатун 7 поршень 6 в исходное положение (ВМТ), образуя камеру сгорания цилиндра 2, в которой смесь сжимается.
Третий такт рабочий ход осуществляется следующим образом: в конце такта сжатия, горючая смесь воспламеняется и быстро сгорает, в результате чего температура газов, а следовательно, и давление в камере сгорания повышаются. Давление газов передается на поршень 6 и далее через шатун 7 на диск 9. Диск 9 поворачивается вокруг своей оси на 180° и посредством зубчатого колеса 10, неподвижного зубчатого колеса 11 и кривошипа 1 поворачивает коленчатый вал вокруг своей оси "О" на 90°.
В четвертом такте выпуск коленчатый вал, поворачиваясь вокруг своей оси "О" на 270° посредством кривошипа 1, зубчатого колеса 10 и неподвижного зубчатого колеса 11 поворачивает диск 9 вокруг своей оси на 540°, перемещая последний, а вместе с ним через шатун 7 поршень 6 в исходное положение (ВМТ), а отработавшие газы вытесняются под действием последнего через открытый выпускной клапан 5 в атмосферу.