Способ повышения эффективности поршневого двигателя внутреннего сгорания
METHOD FOR IMPROVING THE 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 поршневой двигатель внутреннего сгорания (двигатель Печкина) (Патент РФ №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 в цилиндре двигателя происходят процессы впуска, сжатия, рабочего такта и выпуска газов продуктов сгорания. При этом рабочий такт протекает быстрее остальных тактов.
Недостатком данного способа является то, что кулачковый вал являясь управляющим валом, связан с валом нагрузки, поэтому не может выполнить два взаимоисключающих требования: с одной стороны, обеспечивать номинальную мощность в цилиндре двигателя, а с другой- снабжать выходной вал автомобиля энергией в непрерывно меняющихся условиях движения. Чтобы выполнить эти требования в традиционных двигателях используют дорогостоящие коробки передач или автоматы.
Также известным в двигателестроении является способ повышения эффективности поршневого двигателя внутреннего сгорания (Патент РФ №2756153, опубл. 28.09.2021 Бюл. №28) Сущность способа состоит в том, что 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 наполнения, сжатия, сгорания и выпуска газов продуктов сгорания. При этом во время рабочего процесса прямолинейное движение зубчатого штока поршня преобразуется во вращательное движение зубчатого колеса, связанного с валом нагрузки.
Использование известного способа позволят применять два вала: управляющий и вал нагрузки. Однако они связаны между собой зубчатой шестерней. Это не позволяет выполнить два взаимоисключающих требования.
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ повышения эффективности поршневого двигателя внутреннего сгорания (Патент РФ №2258819, опубл. 20.08.2005 Бюл. №23). Сущность способа заключается в том, что управляющий вал, выполненный в виде кулачкового вала, преобразует вращательное движение в поступательное движение подпружиненного штока поршня, в результате чего в цилиндре двигателя совершаются процессы наполнения, сжатия, сгорания, рабочего такта и выпуска газов продуктов сгорания. При этом скорость вращения управляющего вала изменяют с помощью сельсина-приемника и сельсина-датчика. Используя при этом автоматическую систему управления (АСУ).
Недостатком использования сельсинной системы для управления работой ДВС является то, что сельсинная система редко используется, поэтому приобрести необходимые детали и оборудование очень сложно.
Исходя из вышеизложенного, была поставлена задача разработать такой способ повышения эффективности поршневого двигателя внутреннего сгорания, в котором будут устранены описанные недостатки и сохранены существенные признаки известных способов.
Поставленная задача решается заявленным способом повышения эффективности поршневого двигателя внутреннего сгорания, включающим преобразование вращательного движения управляющего вала, выполненного в виде профилированного кулачка, в поступательное движение подпружиненного зубчатого штока поршня, в результате чего в цилиндре двигателя совершаются 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. При этом скорость вращения управляющего вала изменяют путем двигателя постоянного тока, а 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 многоцилиндрового двигателя работают либо поочередно, либо группами, либо одновременно.
В заявленном способе признаки изобретения общими для него и его наиболее близкого аналога являются:
- кулачок управляющего вала снабжен коромыслом с пружиной и соединен с вершиной кулачка. Это позволит удалить точку приложения сил от центра вала;
- изменение скорости вращения управляющего вала осуществляют путем сельсина-приемника, с помощью автоматической системы управления и сельсина-датчика;
- вращательное движение профилированного кулачка управляющего вала преобразуется в возвратно- поступательное движение штока поршня, в результате чего в цилиндре двигателя совершаются процессы наполнения, сжатия, сгорания, рабочего такта и выпуска газов продуктов сгорания.
В заявленном способе признаками изобретения, отличающими его от наиболее близкого аналога являются:
- управляющий вал с профилированным кулачком вращает двигатель постоянного тока;
- во время рабочего такта прямолинейное движение зубчатого штока поршня преобразуется во вращательное движение зубчатого обвода храпового колеса, связанного с валом нагрузки;
- при объединении одноцилиндровых двигателей в многоцилиндровый двигатель автоматическая система управления обеспечивает работу электроприводов пружин зубчатых штоков поршней таким образом, что одноцилиндровые двигатели, входящие в состав многоцилиндрового двигателя работают, либо поочередно, либо группами, либо одновременно.
Данная совокупность отличительных признаков изобретения вместе с общими признаками заявленного способа повышения эффективности поршневого двигателя внутреннего сгорания и наиболее близкими его аналогами обеспечивают получение положительного эффекта изобретения во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображена кинематическая схема устройства для реализации способа повышения эффективности поршневого двигателя внутреннего сгорания;
на фиг. 2 представлена схема диаграмма распределения энергии в спектре излучения абсолютного черного тела.
Устройство для реализации способа повышения эффективности поршневого двигателя внутреннего сгорания (см. фиг. 2) состоит из цилиндра], поршня 2, соединенного с зубчатым подпружиненным штоком 3. Конец штока 3 со стороны кулачка 4 снабжен роликом 5. На вершине кулачка 4 установлено коромысло 6 с возможностью качания коромысла 6 относительно своей оси 7. Постоянный подвижный контакт ролика 5 с профилированной поверхностью кулачка 4 обеспечивает пружина 8. Качание коромысла 6 относительно своей оси 7 между штоком 3 и кулачком 4 обеспечивает пружина 9.
Двигатель 10 постоянного тока служит для вращения управляющего кулачкового вала 11. В двигателе предусмотрен электропривод 12 с пружиной 13 и катушкой 14, которая во время подачи на нее напряжения от аккумулятора с помощью штока 15 удерживает подпружиненный зубчатый шток 3 с поршнем 2 в верхних мертвых точках ВМТ. В нижней части цилиндра 1 находятся впускной канал 16 и выпускной канал 17, а также воздуходувка 18. На верхней крышке цилиндра 1 установлена форсунка 19. Прямолинейное движение зубчатого штока 3 преобразуется во вращательное движение зубчатых ободов 20 и 21 храповых механизмов, связанных с валом нагрузки 22, путем валов 23 и 24, вращающихся в разные стороны. Это позволяет изменять вращение вала 22 нагрузки путем передвижения шестерни 25 по шлицам 26 вала нагрузки 22 с шестерней 27 или шестерней 28. Вал нагрузки 22 соединяется путем шестерни 29 с валом двигателя постоянного тока шестерней 30.
Перед запуском двигателя (см. фиг. 1) водитель подает питание 12 вольт на катушку 14 электропривода 12 штоков 15 одноцилиндровых двигателей в составе многоцилиндрового двигателя, которые будут стоять во время запуска многоцилиндрового двигателя.
Затем раскручивают шестерню 29 управляющего вала 11 с помощью двигателя 10 постоянного тока путем шестерни 30. Это позволит зафиксировать все зубчатые штоки 3 поршней 2 путем штоков 15 электроприводов 12 в ВМТ, которые будут бездействовать во время запуска двигателя. После этого раскручивают вал 11 с помощью двигателя постоянного тока 10, при этом закрепленный на управляющем валу 11 профильный кулачок 4 будет вращаться против часовой стрелки.
z
z
По внешней части кулачка 4, как по рельсу, катится ролик 5, то медленно поднимается вверх, а затем стремится быстро к вершине трамплина, увлекая за собой подпружиненный зубчатый шток 3 с поршнем 2. Во время движения кулачка 4 относительно ролика 5 от точки А до точки Б в рабочем цилиндре 1 осуществляются такты: выпуска продуктов сгорания, продувка, а также наполнение рабочего цилиндра воздухом с помощью воздуходувки 18. При дальнейшем подъеме поршня 2 перекрываются впускной канал 16 и выпускной канал 17. На промежутке от точки Б до точки С происходит плавное движение ролика 5 вверх, в это время в цилиндре 1 осуществляется такт сжатия. В момент прохождения точки С у ролика 5 осуществляется впрыск топлива в цилиндр 1 с помощью форсунки 19. Распыленное топливо, смешанное со сжатым воздухом, самовоспламеняется и сгорает. Благодаря чему давление в цилиндре повышается до Р=2,5-5,0 Мпа, а температура до T=1100-1200°С. Горение топлива заканчивается у точки Д, в этот момент ролик 5 штока 3 соскальзывает с вершины кулачка 4. Под действием высокого давления поршень 2 с большой скоростью движется вниз, увлекая за собой зубчатый шток 3 с роликом 5, последний катится по коромыслу 6, отклоняет его влево, сжимая при этом пружину 9. В точке Е ролик 5 со штоком 3 «замирают». Это позволит коромыслу 6, опираясь на ролик 5, отталкивать от себя кулачок 4 с помощью пружины 9, по ходу вращения управляющего вала 11.
Таким образом, прямолинейное движение поршня преобразовалось (аккумулировалось) во внутреннюю энергию пружины 9, которая затем преобразуется во вращательную силу F путем коромысла 6, раскручивающую управляющий вал 11 с кулачком 4. Одновременно с этим процессом, при движении зубчатого штока 3 совершается преобразование прямолинейного движения зубчатого штока 3 во вращательное движение зубчатых ободов 20 и 21 храповых механизмов, связанных с валом нагрузки 22, путем валов 23 и 24, вращающихся в разные стороны. Это позволяет изменять вращение вала 22 нагрузки путем передвижения шестерни 25 по шлицам 26 вала нагрузки 22. Если обстановка во время движения транспортного средства потребует увеличения нагрузки водитель отключает электропитание двенадцать вольт на катушку 14 электропривода 12 подпружиненного штока 15, последний освобождает подпружиненный зубчатый шток 3 второго одноцилиндрового двигателя в составе многоцилиндрового двигателя и тем самым позволяет зубчатому штоку 3 с поршнем 2 второго одноцилиндрового двигателя совершать возвратно-поступательный движения. Таким образом, мощность многоцилиндрового двигателя увеличивается в два раза.
m
n
m
n
Прежде чем перейти к изложению технико-экономических преимуществ, подкреплю убедительными примерами цель изобретения. Зарождение создания тепловых двигателей относится к концу XVII века (1680 год). Квантовая теория предложена в начале XX века. Это привело к тому, что большая часть внутренней энергии в тепловых двигателях не используется. Из квантовой механики известно, что внутренняя энергия частиц квантована, т.е. может принимать ряд определенных дискретных значений, называемых в физике энергетическими состояниями или энергетическими уровнями. Самый нижний энергетический уровень (внутренняя энергия частиц наименьшая) носит название основного. Остальные энергетические уровни соответствуют более высокой внутренней энергии частиц и носят название возбужденных. Когда говорят, что частица перешла с одного энергетического уровня на другой, то имеют ввиду, что величину, равную разности энергий этих энергетических уровней. При переходе на более высокий энергетический уровень частица поглощает энергию, а при переходе на более низкий - отдает. Представляем себе частицу с двумя энергетическими уровнями шип, соответствующими значениям внутренней энергии U и U Пусть для определенности U>U, т.е. энергетический уровень с номером m лежит выше, чем энергетический уровень с номером n. Если частица занимает более высокий энергетический уровень т, то она может даже при отсутствии внешнего электромагнитного поля перейти на более низкий энергетический уровень n, излучив квант энергии:
где h - постоянная Планка,
- частота колебания.
Такое излучение носит название спонтанного (самопроизвольного) излучения (Страховский Г.М., Успенский А.В. - Основы квантовой электроники. М: Высшая школа, 1973, с. 6-7) Излучение тела сопровождается потерей энергии. Для того, чтобы излучение могло происходить длительное время, убыль энергии в теле необходимо пополнять. Испуская и поглощая излучение тела в конце концов примут одинаковую температуру. Между способностью тел испускать и поглощать лучистую энергию существует определенная связь. Эта связь выражается законом Кирхгофа (1859 г.). С повышением температуры рабочего тела излучательная способность его увеличивается (Фиг. 2) На графике по оси абсцисс отложено значение длинны волны λ, а но оси ординат - величина, пропорциональная соответствующему значению излучательной способности абсолютного черного тела.
Кривые, приведенные на фиг. 2 позволяют сделать выводы:
1. Существует отчетливо выраженный максимум излучательной способности.
Z
2. С повышением температуры максимум излучательной способности смещается в сторону более коротких волн. Рабочее тело (продукты сгорания) ДВС имея начальную температуру T=1700-2000K (в традиционных двигателях), излучает короткие волны, характерные для максимума излучательной способности. Согласно квантовой теории взаимные превращения на столь высоком уровне протекают с большой скоростью(сравнимой со скоростью света, т.е. 300000 км/с) Совершить работу с такой скоростью в настоящее время не представляется возможным.
Использование предлагаемого способа повышения эффективности поршневого двигателя внутреннего сгорания позволит создать устройства, которые будут обладать следующими преимуществами:
а), скорость преобразования внутренней энергии рабочего тела, имеющие высокие парамеары, в прямолинейное движение поршня будет увеличена в несколько раз, за счет подпружиненного коромысла;
z
2
б), исчезнут «мертвые» зоны, в которых температура продуктов сгорания повышалась до максимума излучательной способности, а давление до Р=210 кГц/см. И шло на разрушение деталей цилиндро-поршневой группы;
в), процесс сжатия будет осуществляться с ускорением;
г), использовать бесклапанную систему газораспределения в двухтактном дизеле;
д), выполнить два взаимоисключающих требования: с одной стороны обеспечивать эффективную работу процессов в цилиндрах двигателя, а с другой - снабжать выходной вал автомобиля энергией в непрерывно меняющихся условиях движения.
Благодаря вышеизложенным преимуществам устройства для реализации повышения эффективности поршневого двигателя внутреннего сгорания будут иметь большую агрегатную мощность при меньших размерах двигателя, которую при этом можно будет неограниченно увеличивать, удовлетворяя растущие потребности использования двигателей для решения многочисленных научных и технических проблем, а также в обороне страны.
p
i
m
m
i
m
i
m
e
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.