ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при создании поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с термодинамически изменяемой степенью сжатия, использующих в качестве топлива газообразное или жидкое топливо.
Из уровня техники известен двигатель внутреннего сгорания с удлиненным ходом поршня (1), содержащий один цилиндр, один поршень и кривошипно-шатунный механизм со сложными кинематическими связями. Данный аналог имеет схожесть в построении кривошипно-шатунной группы, а именно обладает удлиненным ходом поршня при малом диаметре коленвала.
Недостатком данной конструкции является введение дополнительного шатуна с опорой, что приводит к существенным потерям на трение, а также приводит к сложности полезного использования подпоршневого пространства.
Из уровня техники известен двигатель внутреннего сгорания с геометрически изменяемой степенью сжатия (2), содержащий, по меньшей мере, два равных по диаметру коленвала, по меньшей мере, два шатуна и, по меньшей мере, один цилиндр, поршень которого посредством кривошипно-шатунного механизма кинематически связан с коленвалами. В двигателе-аналоге заявлена возможность изменения степени сжатия непосредственно во время работы, что предполагает возможность поддержания постоянного давления сжатия в камере сгорания при различных оборотах двигателя. Данный аналог наиболее близкий, то есть прототип.
Недостатком данной конструкции является низкая скорость отклика управляющих элементов и регулируемых силовых валов ввиду того, что требуется некоторое время на вращение приводного механизма. Недостатком подобной конструкции является также высокое механическое давление на ось управляющего механизма во время крутящего момента кривошипно-шатунной группы, вследствие чего заявленный механизм в это время оказывается неработоспособным.
Задача, на которую направлено данное изобретение, состоит в том, чтобы значительно уменьшить время реакции управляющего механизма, а также полностью отказаться от изменения геометрических параметров кривошипно-шатунной группы во время работы двигателя, но при этом сохранить термодинамические характеристики двигателя с геометрически изменяемой степенью сжатия.
Данная задача решается тем, что двигатель внутреннего сгорания содержит, по меньшей мере, два коленвала одинакового диаметра, по меньшей мере, два шатуна и, по меньшей мере, один цилиндр, поршень которого посредством кривошипно-шатунного механизма кинематически связан с коленвалами. Отличия в том, что коленвалы связаны шестернями с передаточным отношением, равным единице. Поршень связан с коленвалами через дезаксиальный кривошипно-шатунный механизм посредством крейцкопфа и двух шатунов, где каждый из шатунов равен по длине сумме длин радиуса коленвала и дезаксиала. Дезаксиал больше по длине, чем радиус коленвала, а радиус коленвала не больше радиуса цилиндра. В подпоршневом пространстве цилиндра располагаются рабочий объем и камера сгорания. В надпоршневом пространстве цилиндра - продувочные окна, имеющие связь с впускным коллектором, содержащим, по меньшей мере, один самооткрывающийся клапан одностороннего действия. Самооткрывающийся клапан одностороннего действия соединен со смесителем, который с одной стороны соединен с воздухозабором через дроссельную заслонку смесителя, а с другой стороны соединен с воздухозабором посредством теплообменника, имеющего связь с выпускным коллектором. Выпускной коллектор состоит из двух раздельных каналов, в каждом из которых находится, по меньшей мере, один выпускной клапан механизма газораспределения. При этом один канал коллектора соединен с выхлопной системой через теплообменник, а второй канал коллектора соединен с выхлопной системой через дроссельную заслонку акселератора.
В заявленном ДВС степень сжатия изменяется термодинамически, за счет подбора, непосредственно во время работы двигателя, необходимой первоначальной температуры всасываемого воздуха. Первоначальная температура всасываемого воздуха регулируется единственной дроссельной заслонкой смесителя, расположенной во впускном коллекторе, а необходимое тепло отбирается через теплообменник от продуктов сгорания самого двигателя. Таким образом, сразу достигается конечный термодинамический результат, аналогичный при изменении геометрической степени сжатия, но без изменения геометрических параметров, а именно за счет поддержания постоянного давления сжатия, то есть поддержания постоянной внутренней энергии смеси в камере сгорания в момент сжатия.
Данное изобретение поясняется чертежами, где представлены: на фиг.1 – общий вид двигателя внутреннего сгорания; на фиг.2 – график зависимости скорости U поршня при равномерном вращении коленвала наугол X. Данный график построен методом переноса геометрических размеров – хода поршня через каждые 5° градусов угла поворота коленвала. УголЮ соответствующий верхней мертвой точке (ВМТ), зависит от расстояния дезаксиала Da.
Двигатель внутреннего сгорания (фиг.1) содержит два коленвала 1, два шатуна 2, цилиндр 3, поршень 4 которого посредством дезаксиального кривошипно-шатунного механизма 5 кинематически связан с коленвалами 1. Коленвалы 1 связаны шестернями 6, имеющими передаточное отношение, равное единице. Поршень 4 связан с коленвалами 1 через дезаксиальный кривошипно-шатунный механизм 5 посредством крейцкопфа 7 и шатунов 2. Каждый из шатунов 2 равен по длине сумме длин радиуса коленвала и дезаксиала. Причем дезаксиал Da больше по длине, чем радиус коленвала Rk, а радиус коленвала Rk не больше радиуса цилиндра Rc. В подпоршневом пространстве 8 цилиндра 3 располагаются рабочий объем 9 и камера сгорания 10. В надпоршневом пространстве 11 цилиндра 3 располагаются продувочные окна 12. Продувочные окна 12 связаны с впускным коллектором 13. Впускной коллектор 13 содержит, по меньшей мере, один самооткрывающийся клапан 14 одностороннего действия. Самооткрывающийся клапан 14 соединен со смесителем 15. Смеситель 15 с одной стороны соединен с воздухозабором 16 через дроссельную заслонку 17 смесителя 15. Смеситель 15 с другой стороны соединен с воздухозабором 16 посредством теплообменника 18. Теплообменник 18 имеет связь с выпускным коллектором 19, состоящим из двух раздельных каналов 20 и 21, в каждом из которых находится по одному выпускному клапану 22 и 23 механизма газораспределения 27. При этом канал 20 коллектора 19 соединен с выхлопной системой 24 через теплообменник 18, а второй канал 21 коллектора 19 соединен с выхлопной системой 24 через дроссельную заслонку 25 акселератора 26.
Дезаксиальный кривошипно-шатунный механизм 5 данного двигателя работает таким образом, что шатуны 2, проходя положения неопределенности (ПН) (фиг.2), образуют друг с другом одну прямую линию. В период рабочего такта, шатуны 2 свободно проходят положение неопределенности вслед за ходом поршня 4. В период вторичного сжатия рабочей смеси, шатуны 2 также свободно проходят положение неопределенности, так как существует прямолинейный момент инерции масс поршня 4 и крейцкопфа 7, а сила сопротивления при этом в подпоршневом пространстве равна не более чем двум атмосферам давления. Даная закономерность обусловлена тем, что бы ни допустить реверса коленвалов 1 либо обратного хода крейцкопфа 7, в период сверхнизких оборотов двигателя. Рабочий такт данного двигателя происходит приблизительно за 219° поворота коленвалов 1. Полный цикл данного двигателя происходит за 720° поворота коленвалов 1. Данный дезаксиальный кривошипно-шатунный механизм 5 обеспечивает длинный ход поршня 4, что позволяет произвести впуск большого объема разогретого в теплообменнике 18 воздуха на такте впуска относительно объема камеры сгорания 10, что подобно использованию классического наддува. Температура разогревания воздуха регулируется дроссельной заслонкой 17 в смесителе 15. Таким образом, появляется возможность при открытой дроссельной заслонке 25 акселератора 26 увеличить внутреннюю энергию впускного воздуха малого объема, и этим удерживать давление сжатия на одном уровне, что эквивалентно результату, достигаемому в двигателе с геометрическим изменением степени сжатия.
Работа патентуемого двигателя осуществляется следующим образом (фиг.1). Когда поршень 4 начинает ход вниз после прохождения ВМТ и продувочных окон 12, при этом левый коленвал 1 вращается по часовой стрелке, а правый коленвал 1 вращается против часовой стрелки, то за счет разрежения в надпоршневом пространстве 11, открывается самооткрывающийся клапан 14 одностороннего действия, и в надпоршневое пространство 11 через впускной коллектор 13 начинает поступать свежий заряд воздуха. Воздух, при этом, от воздухозабора 16 проходит двумя путями: одна часть воздуха проходит через дроссельную заслонку 17 смесителя 15, другая часть воздуха проходит через теплообменник 18, в котором он нагревается, получая тепло от продуктов сгорания. Далее, по достижении поршнем 4 нижней мертвой точки (НМТ) поршень 4 начинает обратный ход, самооткрывающийся клапан 14 одностороннего действия закрывается и происходит первичное сжатие воздуха в надпоршневом пространстве 11. По прохождении поршнем 4 продувочных окон 12, сжатый заряд воздуха мгновенно заполняет подпоршневое пространство 8 рабочего объема 9, одновременно с этим открывается клапан 22 механизма газораспределения 27 и происходит продувка продуктов сгорания через выпускной канал 20 и теплообменник 18 в выпускной коллектор 19. После прохождения ВМТ, клапан механизма 22 газораспределения 27 закрывается и открывается второй клапан 23 механизма газораспределения 27, через который происходит выталкивание порции свежего заряда воздуха в выпускной канал 21 коллектора 19. Количество оставшегося заряда воздуха регулируется дроссельной заслонкой 25 акселератора 26. Далее происходит впрыск топлива, клапан 23 механизма газораспределения 27 закрывается, и поршень 4 вторично сжимает уже рабочую смесь в камере сгорания 10 до НМТ соответственно, после чего происходит воспламенение и рабочий ход. Рабочий ход, одновременное первичное сжатие воздуха в надпоршневом пространстве 11 и продувка происходят за 219° поворота коленвалов 1 (фиг.2). Всасывание воздуха в надпоршневое пространство 11, одновременно выпуск некоторой части воздуха через дроссельную заслонку 25 акселератора 26, впрыск топлива и закрытие клапанов 22 и 23, вторичное сжатие рабочей смеси в камере сгорания 10, а также зажигание происходят за 501° поворота коленвалов 1. Полный цикл двигателя реализуется за 720° поворота коленвалов 1. Так как время пребывания крейцкопфа 7 и поршня 4 в очаге сгораемой смеси почти в два раза меньше чем во время продувки и вторичного сжатия, то есть скорости поршня 4 в прямом и обратном направлении отличаются, то происходит охлаждение, по сравнению с температурой в камере сгорания 10, элементов двигателя продувочным воздухом: крейцкопфа 7, поршня 4, а также цилиндра 3 и камеры сгорания 10. Особенностью данного двигателя является то, что температура всасываемого воздуха, при помощи дроссельной заслонки 17 смесителя 15, предполагает регулировку в автоматическом режиме таким образом, чтобы поддерживать в камере сгорания 10 постоянное давление сжатия, что эквивалентно работе аналогичного двигателя с геометрическим изменением степени сжатия. Но в отличие от прототипа, данный двигатель обладает более быстрым откликом, так как кинематическая составляющая по управлению степенью сжатия, иначе элемент регулировки давления сжатия, всего одна дроссельная заслонка 17 смесителя 15. Также данный двигатель имеет возможность изменять давление сжатия беспрепятственно и непосредственно во время работы, так как практически отсутствуют потери на трение элементов управления.
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
В описании следует различать понятия: «геометрически изменяемая степень сжатия», «термодинамически изменяемая степень сжатия», «изменение давления сжатия». Понятие «термодинамически изменяемая степень сжатия» введено автором, т.к. не нашлось более подходящего определения. Хотя, несомненно, «степень сжатия» в классическом понимании – геометрический параметр. Изначально применялось определение «изменяемое давление сжатия», что оказалось неверно, т.к. давление сжатия изменяется постоянно в любом ДВС, например конкретно при изменении угла открытия дроссельной заслонки акселератора. Данную терминологию следует принимать и толковать как раздельные понятия, т.е. непосредственно по контексту, что соответственно не является нарушением единства терминологии.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Заявка США №20140209054 A1, 31.07.2014.
2. Патент России №2397345, опубл. 20.08.2010. Бюл. №23 – прототип.