ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности, к двигателям внутреннего сгорания поршневого типа, преимущественно, бензиновым, дизельным.
Известна конструкция поршневого двигателя внутреннего сгорания, описанная в учебнике «Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей» под редакцией А.С.Орлина, М.Г.Круглова, М., изд. Машиностроение, 1990 г., стр 5, 6, рис.1,а).
Указанный двигатель содержит цилиндр с крышкой (головкой) и с размещенным внутри него поршнем, связанным с шатуном, коленчатый вал, впускные и выпускные клапаны.
Недостатком известного двигателя внутреннего сгорания является недостаточная эффективность работы, обусловленная двумя причинами.
Первой причиной является наличие непроизводительных тепловых потерь энергии. Происходит это потому, что при воспламенении смеси топлива с воздухом в камере сгорания (надпоршневом пространстве цилиндра) образующиеся газы высокой температуры и давления давят на поршень и перемещают его в цилиндре, поступательное движение поршня через шатун преобразуется во вращательное движение коленчатым валом. Однако при движении поршня в области верхней мертвой точки угловое перемещение коленчатого вала вызывает гораздо меньшее линейное перемещение поршня, чем при движении поршня в средней части его хода. При этом около 85% тепловой энергии, которая рассеивается на нагрев конструкций двигателя, приходится на первую половину рабочего такта, начиная от положения, при котором поршень находится в верхней мертвой точке.
Поэтому значительная часть энергии образующихся газов не превращается в кинетическую энергию поршня, а непроизводительно затрачивается на нагрев конструкций двигателя.
Второй причиной недостаточной эффективности работы двигателя является потребность в достаточно большом маховике, что ухудшает динамические характеристики двигателя. Энергию вращения маховика увеличенной массы используют во время такта сжатия для обеспечения необходимой степени сжатия рабочей смеси.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение эффективности работы двигателя внутреннего сгорания.
Техническим результатом, позволяющим решить указанную задачу, является сокращение времени прохождения поршнем первой половины его хода в такте работы двигателя и увеличение времени прохождения поршнем второй половины его хода.
Указанный результат достигается тем, что:
1. В известном двигателе внутреннего сгорания, содержащем цилиндр с размещенным внутри него поршнем, связанным с шатуном, и коленчатый вал, согласно полезной модели, в него введены с возможностью попеременного взаимодействия две пары секторов некруглых зубчатых колес, первые секторы пар, ориентированные противоположно, жестко закреплены на коленчатом валу, вторые секторы пар, ориентированные противоположно, жестко закреплены на дополнительном валу, причем секторы некруглых зубчатых колес выполнены и установлены таким образом, что при начальном зацеплении первого сектора каждой пары со вторым сектором пары расстояние от оси вращения второго сектора до полюса их зацепления составляет 1,1-5 расстояния от полюса зацепления до оси вращения первого сектора, а при конечном зацеплении первого сектора каждой пары со вторым сектором пары, расстояние от оси вращения первого сектора до полюса их зацепления составляет 1,1-5 расстояния от полюса зацепления до оси вращения второго сектора, при этом положение начального зацепления одного из первых секторов пары с ее вторым сектором соответствует позиционированию коленчатого вала в диапазоне от -5° до +20° от его положения, при котором поршень находится в верхней мертвой точке.
2. В известном двигателе внутреннего сгорания по п.1, согласно полезной модели, секторы некруглых зубчатых колес выполнены в виде секторов эллиптических зубчатых колес с осью вращения в фокусе.
3. В известном двигателе внутреннего сгорания по п.1, согласно полезной модели, секторы некруглых зубчатых колес выполнены в виде секторов овальных зубчатых колес.
4. В известном двигателе внутреннего сгорания по п.1, согласно полезной модели, первые секторы пар некруглых зубчатых колес расположены в параллельных плоскостях.
5. В известном двигателе внутреннего сгорания по п.1, согласно полезной модели, первые секторы пар некруглых зубчатых колес расположены в одной плоскости.
Введение в двигатель с возможностью попеременного взаимодействия двух пар секторов некруглых зубчатых колес с жестким закреплением на коленчатом валу первых секторов пар, ориентированных противоположно, и с жестким закреплением вторых секторов пар, ориентированных противоположно, на дополнительном валу, причем секторы некруглых зубчатых колес выполнены и установлены таким образом, что при начальном зацеплении первого сектора каждой пары со вторым сектором пары расстояние от оси вращения второго сектора до полюса их зацепления составляет 1,1-5 расстояния от полюса зацепления до оси вращения первого сектора, а при конечном зацеплении первого сектора каждой пары со вторым сектором пары расстояние от оси вращения первого сектора до полюса их зацепления составляет 1,1-5 расстояния от полюса зацепления до оси вращения второго сектора, при этом положение начального зацепления одного из первых секторов пары с ее вторым сектором соответствует позиционированию коленчатого вала в диапазоне от -5° до +20° от его положения, при котором поршень находится в верхней мертвой точке позволяет сократить время прохождения поршнем первой половины его хода в такте работы двигателя и увеличить время прохождения поршнем второй половины его хода.
За счет сокращения времени прохождения поршнем первой половины его хода в такте работы двигателя возрастает скорость его перемещения в начальные моменты сгорания топлива, сокращается время превращения тепловой энергии газов в механическое перемещение поршня, в результате чего уменьшаются непроизводительные потери тепловой энергии на нагрев деталей двигателя и на утечки тепла, и сэкономленная тепловая энергия превращается в кинетическую энергию поршня, шатуна и коленчатого вала, увеличивая вырабатываемую полезную мощность.
При увеличении времени прохождения поршнем второй половины его хода коленчатый вал вращается с меньшей угловой скоростью, следовательно, происходит увеличение передаваемого момента, используемого для сжатия рабочей смеси во время такта работы двигателя. Это позволяет обеспечить нужную степень сжатия рабочей смеси с меньшей массой маховика улучшить динамические характеристики двигателя или обеспечить большую степень сжатия рабочей смеси без увеличения инерционной массы маховика.
Все это дает возможность повысить эффективность работы двигателя внутреннего сгорания.
При этом секторы некруглых зубчатых колес могут быть выполнены в виде секторов эллиптических зубчатых колес с осью вращения в фокусе.
При этом секторы некруглых зубчатых колес могут быть выполнены в виде секторов овальных зубчатых колес.
При этом первые секторы пар некруглых зубчатых колес могут быть расположены в параллельных плоскостях.
При этом первые секторы пар некруглых зубчатых колес могут быть расположены в одной плоскости.
Предлагаемая совокупность существенных признаков придает заявляемому двигателю новые свойства, позволяющие решить поставленную задачу.
Заявляемый двигатель внутреннего сгорания обладает новизной по сравнению с прототипом, отличаясь от него тем, что:
1. в него введены с возможностью попеременного взаимодействия две пары секторов некруглых зубчатых колес, первые секторы пар, ориентированные противоположно, жестко закреплены на коленчатом валу, вторые секторы пар, ориентированные противоположно, жестко закреплены на дополнительном валу, причем секторы некруглых зубчатых колес выполнены и установлены таким образом, что при начальном зацеплении первого сектора каждой пары со вторым сектором пары расстояние от оси вращения второго сектора до полюса их зацепления составляет 1,1-5 расстояния от полюса зацепления до оси вращения первого сектора, а при конечном зацеплении первого сектора каждой пары со вторым сектором пары расстояние от оси вращения первого сектора до полюса их зацепления составляет 1,1-5 расстояния от полюса зацепления до оси вращения второго сектора, при этом положение начального зацепления одного из первых секторов пары с ее вторым сектором соответствует позиционированию коленчатого вала в диапазоне от -5° до +20° от его положения, при котором поршень находится в верхней мертвой точке,
2. секторы некруглых зубчатых колес выполнены в виде секторов эллиптических зубчатых колес с осью вращения в фокусе,
3. секторы некруглых зубчатых колес выполнены в виде секторов овальных зубчатых колес,
4. первые секторы пар некруглых зубчатых колес расположены в параллельных плоскостях,
5. первые секторы пар некруглых зубчатых колес расположены в одной плоскости.
Заявляемая полезная модель может найти широкое применение в машиностроении, в частности, в двигателях внутреннего сгорания поршневого типа, поэтому она соответствует критерию «промышленная применимость».
Заявляемый двигатель внутреннего сгорания иллюстрируется чертежами на примере двухтактного бензинового двигателя, где представлены на:
Фиг.1. Общий вид двигателя внутреннего сгорания с частичным разрезом при положении поршня в верхней мертвой точке.
Фиг.2. Общий вид двигателя внутреннего сгорания с частичным разрезом при положении поршня в нижней мертвой точке.
Фиг.3. Схема взаимного расположения пар секторов некруглых зубчатых колес, коленчатого вала и поршня в позиции коленчатого вала -5° от его положения, при котором поршень находится в верхней мертвой точке.
Фиг.4. Схема взаимного расположения пар секторов некруглых зубчатых колес, коленчатого вала и поршня в позиции коленчатого вала +20° от его положения, при котором поршень находится в верхней мертвой точке.
Двигатель внутреннего сгорания, представленный на чертежах (см. Фиг.1 и 2), содержит цилиндр 1 с размещенным внутри него поршнем 2, связанным с шатуном 3, и коленчатый вал 4, установленный с возможностью вращения в опорах 5, свечу 6 зажигания с электродами, находящимися в камере сгорания 7.
На коленчатом валу 4 жестко закреплены противоположно два первых сектора 8 и 9 пар некруглых зубчатых колес с возможностью взаимодействия соответственно с двумя вторыми секторами 10 и 11 пар некруглых зубчатых колес, жестко и противоположно закрепленными на дополнительном валу 12. Дополнительный вал 12 установлен в опорах вращения (на чертежах не изображены) с возможностью совместного вращения с секторами 10 и 11. На дополнительном валу 12 установлен маховик 13.
Направление вращения на чертежах (см. Фиг.1, 2, 3, 4) показано стрелками.
Секторы 8, 9, 10 и 11 некруглых зубчатых колес могут быть частями эллиптических зубчатых колес с осью вращения в фокусах или частями производных зубчатых колес, полученных из эллиптических: овальных, в форме двулистника или трилистника, а также зубчатых колес с начальными цилиндрами, очерченными дугами логарифмических спиралей, у которых период изменения передаточного отношения за один оборот может быть равен одному, двум, трем, четырем и более (см. «Механизмы. Справочное пособие» под ред. Кожевникова С.Н. и др., М., изд. «Машиностроение», 1976 г., стр.156, рис.3.27, стр.159, рис.3.28, 3.30, 3.31, 3.32), а также могут быть частями других видов некруглых зубчатых колес.
Расстояние от начального полюса 14 зацепления сектора 8 (см. Фиг.1) с сопрягаемым сектором 10 до оси вращения 15 сектора 8 составляет 0,5 расстояния от полюса 14 зацепления до оси вращения 16 сектора 10, а положение, в котором при этом зацеплении находится сектор 8, соответствует положению коленчатого вала 4, при котором поршень 2 находится в верхней мертвой точке. Передаточное отношение от сектора 8 к сектору 10 при этом равно 2,0.
При нахождении поршня 2 в нижней мертвой точке (см. Фиг.2) расстояние от конечного полюса 17 зацепления сектора 8 с сопрягаемым сектором 10 до оси вращения 15 сектора 8 составляет 2,0 расстояния от полюса 17 зацепления до оси вращения 16 сектора 10. Передаточное отношение от сектора 8 к сектору 10 при этом равно 0,5.
При этом для другой пары секторов 9 и 11 расстояние от начального полюса 18 зацепления сектора 9 (см. Фиг.2) с сопрягаемым сектором 11 до оси вращения 15 сектора 9 составляет 0,5 расстояния от полюса 18 зацепления до оси вращения 16 сектора 11. Передаточное отношение от сектора 11 к сектору 9 при этом равно 0,5.
Расстояние от начального полюса 14 зацепления до оси вращения 15 сектора 8 при нахождении поршня 2 в верхней мертвой точке может быть меньше в 1,1- 5 раз, чем расстояние от полюса 14 до оси вращения 16 сектора 10, а расстояние от конечного полюса 17 зацепления до оси вращения 16 сектора 10 при нахождении поршня 2 в нижней мертвой точке может быть меньше в 1,1-5 раз, чем расстояние от полюса 17 до оси вращения 15 сектора 8, что позволяет достичь необходимого технического результата.
Как видно из схемы взаимного расположения (см. Фиг.3) пар секторов некруглых зубчатых колес, коленчатого вала и поршня в позиции коленчатого вала -5° от его положения, при котором поршень находится в верхней мертвой точке, при прохождении поршнем 2 первой половины хода в течение рабочего такта двигателя угловая скорость секторов 8 и 9 будет выше, чем у секторов 10 и 11, и, следовательно, время прохождения поршнем 2 первой половины его хода при выполнении такта будет сокращено. Время же прохождения поршнем 2 второй половины хода в течение рабочего такта двигателя будет увеличено за счет пониженной угловой скорости секторов 8 и 9 по сравнению со скоростью вращения секторов 10 и 11, то есть технический результат для этого значения угла достигается.
Аналогично, из схемы взаимного расположения (см. Фиг.4) пар секторов некруглых зубчатых колес, коленчатого вала и поршня в позиции коленчатого вала +20° от его положения, при котором поршень находится в верхней мертвой точке, следует, что во время прохождения поршнем 2 первой половины хода в течение рабочего такта двигателя угловая скорость секторов 8 и 9 будет только на протяжении первых 20° поворота коленчатого вала 4 ниже, чем у секторов 10 и 11, а на протяжении оставшихся 70° поворота коленчатого вала 4 угловая скорость секторов 8 и 9 будет выше, чем у секторов 10 и 11, а значит и время прохождения поршнем 2 первой половины его хода при выполнении такта будет сокращено. Соответственно, при прохождении поршнем 2 второй половины его хода на подавляющей части поворота коленчатого вала 4 угловая скорость секторов 8 и 9 будет ниже, чем у секторов 10 и 11, и время прохождения поршнем 2 второй половины хода будет увеличено, а значит, технический результат достигается и для этого значения угла.
Настоящая полезная модель реализуется с помощью стандартного оборудования, широко распространенного в промышленности.
Заявляемый двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.
Цикл работы двигателя начинается с такта сжатия, из положения, когда коленчатый вал 4 находится в положении 180°, при котором поршень 2 находится в нижней мертвой точке (см. Фиг.2), сектор 9 находится в зацеплении с сектором 11 в начальном полюсе зацепления 18, а передаточное отношение сектора 11 к сектору 9 равно 0,5. Маховик 13 имеет угловую скорость ω.
При работе двигателя внутреннего сгорания момент инерции нагрузки, в которую входят: маховик, механизмы трансмиссии и т.п., выше момента инерции коленчатого вала, шатуна и поршня, поэтому относительные колебания угловой скорости маховика являются незначительными, дополнительный вал 12 в пределах одного оборота вращается практически с неизменной угловой скоростью.
Поршень 2 за счет силы инерции маховика 13 начинает двигаться от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, начинается такт сжатия рабочей смеси.
Сжатие рабочей смеси в камере сгорания 7 происходит за счет энергии маховика 13, крутящий момент с которого через дополнительный вал 12 передается на сектор 11, с него на сектор 9 и через коленчатый вал 4 и шатун 3 на поршень 2. При этом, благодаря начальному передаточному отношению от сектора 11 к сектору 9, близкому к 0,5 в начале такта сжатия, происходит сокращение времени прохождения поршнем 2 первой половины хода такта сжатия, а благодаря конечному передаточному отношению от сектора 11 к сектору 9, близкому к 2,0 в конце такта сжатия, происходит увеличение времени прохождения поршнем 2 второй половины хода такта сжатия. При этом во второй половине такта сжатия увеличивается крутящий момент на коленчатом валу 4 для сжатия рабочей смеси, следовательно, достигается необходимый технический результат.
При достижении верхней мертвой точки поршнем 2 (см. Фиг.1) сектор 8 приходит в зацепление с сектором 10 в начальном полюсе 14 зацепления. Свеча 6 зажигания воспламеняет рабочую смесь и начинается рабочий такт двигателя.
Высвобождающаяся при сгорании топлива энергия воздействует на поршень 2, заставляя его перемещаться к нижней мертвой точке. В этот момент угловая скорость сектора 8 в два раза больше угловой скорости сектора 10, так как отношение расстояния от оси вращения 15 сектора 8 до полюса 14 зацепления к расстоянию от оси вращения 16 сектора 10 до полюса 14 составляет 0,5. Благодаря тому, что передаточное отношение от сектора 8 к сектору 10 при этом равно 0,5, в два раза увеличивается скорость движения поршня 2 в первой половине рабочего такта и сила давления газа вырабатывает в два раза большую мощность.
Дополнительно получаемая мощность расходуется на увеличение кинетической энергии поршня 2, шатуна 3, коленчатого вала 4, раскручивая его до большей угловой скорости, а также на увеличение крутящего момента на секторе 10. Увеличение крутящего момента на секторе 10 в начале рабочего такта обеспечено передаточным отношением сектора 8 к сектору 10, величина которого равна 2.
В конце рабочего такта скорость вращения коленчатого вала 4 уменьшается в 4 раза, по сравнению со скоростью в начале рабочего такта за счет изменения передаточного отношения секторов 8 и 10 с 2,0 до 0,5, следовательно, кинетическая энергия поршня 2, шатуна 3, коленчатого вала 4, накопленная в начале рабочего такта, в значительной мере будет передана на дополнительный вал 12 отбора мощности.
При этом происходит сокращение времени прохождения поршнем 2 первой половины хода рабочего такта за счет более высокой угловой скорости коленчатого вала 4 в первой половине рабочего такта, и увеличение времени прохождения поршнем 2 второй половины хода рабочего такта за счет снижения угловой скорости коленчатого вала 4 во второй половине рабочего такта, следовательно, достигается необходимый технический результат.
Цикл заканчивается и затем начинается новый цикл.
Заявляемая конструкция может быть использована также в четырехтактных двигателях и других видах поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Заявляемый двигатель внутреннего сгорания по сравнению с прототипом является более эффективным за счет сокращения времени прохождения поршнем первой половины его хода в такте работы двигателя и увеличения времени прохождения поршнем второй половины его хода.