ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области машиностроения, в частности, к двигателям внутреннего сгорания поршневого типа, преимущественно, бензиновым, дизельным. В качестве топлива в заявляемом поршневом двигателе внутреннего сгорания могут использоваться, например:
- жидкости - бензин, дизельное топливо, спирты, биодизель;
- газы - сжиженный газ, природный газ, водород, газообразные продукты крекинга нефти, биогаз;
- монооксид углерода, вырабатываемый в газогенераторе, входящем в состав топливной системы двигателя, из твердого топлива (угля, торфа, древесины).
Предшествующий уровень техники
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 потребность в достаточно большом маховике, энергию вращения которого используют во время такта сжатия для обеспечения необходимой степени сжатия рабочей смеси, при том, что существует ограничение по минимальным оборотам холостого хода, ниже которого двигатель на холостом ходу работает неустойчиво в связи с нехваткой энергии маховика для сжатия рабочей смеси. Большой маховик ухудшает динамические характеристики двигателя.
Раскрытие сущности полезной модели
Задачей заявляемой полезной модели является уменьшение инерционной массы маховика, снижение минимальной пороговой величины оборотов холостого хода двигателя внутреннего сгорания и/или, при необходимости, увеличение степени сжатия рабочей смеси.
Техническим результатом, позволяющим решить указанную задачу, является повышение крутящего момента на коленчатом валу в конце такта сжатия, в диапазоне положений коленчатого вала от 335° до 352°.
Сущность полезной модели состоит в том, что:
В известный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с размещенным внутри него поршнем, связанным с шатуном, и коленчатый вал, согласно полезной модели, введены два некруглых зубчатых колеса, первое из которых жестко закреплено на коленчатом валу, второе с возможностью взаимодействия с первым жестко закреплено на дополнительном валу, причем расстояние от полюса зацепления второго колеса с первым, расположенного на линии наибольшего размера второго колеса, или ближайшего к ней, до оси вращения второго колеса составляет 0,2-0,9 расстояния от этого полюса зацепления до оси вращения первого колеса, а положение, в котором при этом зацеплении находится первое колесо, соответствует позиционированию коленчатого вала в диапазоне от -40° до +20° от его положения, при котором поршень находится в верхней мертвой точке.
В частных случаях реализации полезной модели некруглые зубчатые колеса выполнены эллиптическими, с осью вращения в фокусе.
В других частных случаях реализации полезной модели некруглые зубчатые колеса выполнены овальными.
Введение двух некруглых зубчатых колес, первое из которых жестко закреплено на коленчатом валу, второе с возможностью взаимодействия с первым жестко закреплено на дополнительном валу, причем расстояние от полюса зацепления второго колеса с первым, расположенного на линии наибольшего размера второго колеса, или ближайшего к ней, до оси вращения второго колеса составляет 0,2-0,9 расстояния от этого полюса зацепления до оси вращения первого колеса, а положение, в котором при этом зацеплении находится первое колесо, соответствует позиционированию коленчатого вала в диапазоне от -40° до +20° от его положения, при котором поршень находится в верхней мертвой точке, позволяет замедлить вращение коленчатого вала и, соответственно, поступательное движение поршня в конце такта сжатия.
Это дает возможность увеличить крутящий момент на коленчатом валу в конце такта сжатия, в диапазоне положений коленчатого вала от 335° до 352° и обеспечить необходимую степень сжатия рабочей смеси в двигателе внутреннего сгорания при уменьшении инерционной массы маховика и снижении минимальной пороговой величины оборотов холостого хода двигателя внутреннего сгорания.
При этом некруглые зубчатые колеса могут быть выполнены эллиптическими, с осью вращения в фокусе.
При этом некруглые зубчатые колеса могут быть выполнены овальными.
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:
- два некруглых зубчатых колеса, первое из которых жестко закреплено на коленчатом валу, второе с возможностью взаимодействия с первым жестко закреплено на дополнительном валу, причем расстояние от полюса зацепления второго колеса с первым, расположенного на линии наибольшего размера второго колеса, или ближайшего к ней, до оси вращения второго колеса составляет 0,2-0,9 расстояния от этого полюса зацепления до оси вращения первого колеса, а положение, в котором при этом зацеплении находится первое колесо, соответствует позиционированию коленчатого вала в диапазоне от -40° до +20° от его положения, при котором поршень находится в верхней мертвой точке.
- некруглые зубчатые колеса могут быть выполнены эллиптическими с осью вращения в фокусе.
- некруглые зубчатые колеса могут быть выполнены овальными.
Заявляемая полезная модель может найти широкое применение в машиностроении, в частности, в двигателях внутреннего сгорания поршневого типа, поэтому оно соответствует критерию «промышленная применимость».
Заявителю неизвестен двигатель внутреннего сгорания, обладающий вышеуказанными отличительными существенными признаками, позволяющими явным образом достичь такого же технического результата, он не следует явным образом из изученного им уровня техники, поэтому заявитель считает, что заявляемая полезная модель соответствует критерию «изобретательский уровень».
Перечень фигур чертежей
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 некруглых зубчатых колес, коленчатого вала и поршня.
Фиг.4. - Фиг.5. Схемы зацепления некруглых зубчатых колес при передаточных отношениях 1,11 и 5,0.
Фиг.6. - Фиг.7. Схемы взаимного расположения некруглых зубчатых колес, коленчатого вала и поршня для максимального передаточного отношения 5,0 и отклонения коленчатого вала -40° от его положения, при котором поршень находится в верхней мертвой точке.
Фиг.8. - Фиг.9. Схемы взаимного расположения некруглых зубчатых колес, коленчатого вала и поршня для максимального передаточного отношения 5,0 и отклонения коленчатого вала +20° от его положения, при котором поршень находится в верхней мертвой точке.
Фиг.10 - график зависимости угловой скорости коленчатого вала от угла поворота коленчатого вала.
Фиг.11 - график зависимости момента на коленчатом валу от угла поворота коленчатого вала.
Предпочтительный вариант осуществления полезной модели
Двигатель внутреннего сгорания, представленный на чертеже (см. Фиг.1 и Фиг.2) содержит цилиндр 1 с размещенным внутри него поршнем 2, связанным с шатуном 3, и коленчатый вал 4, установленный в кривошипной камере 5 с возможностью вращения в опорах 6, свечу 7 зажигания с электродами, находящимися в камере сгорания 8.
На коленчатом валу 4 жестко закреплено первое эллиптическое зубчатое колесо 9 с возможностью взаимодействия со вторым эллиптическим зубчатым колесом 10, жестко закрепленным на дополнительном валу 11. Вал 11 установлен в опорах вращения (на чертеже не изображены) с возможностью совместного вращения с зубчатым колесом 10.
Некруглые зубчатые колеса 9 и 10 могут быть выполнены овальными, в форме двулистника или трилистника, а также в виде зубчатых колес, имеющих начальные цилиндры, очерченные 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), и другими видами некруглых зубчатых колес.
Расстояние от полюса 12 зацепления второго колеса 10 с первым колесом 9, расположенного на линии 13 наибольшего размера второго колеса 10, до оси вращения 14 колеса 10 (см. Фиг.3) составляет 0,5 расстояния от полюса 12 зацепления до оси вращения 15 колеса 9, а положение, в котором при этом зацеплении находится первое колесо 9, соответствует положению коленчатого вала 4, при котором поршень 2 находится в верхней мертвой точке. Передаточное отношение от колеса 10 к колесу 9 при этом равно 2,0. Полюс 16 зацепления расположен на противоположном полюсу 12 конце линии 13 наибольшего размера второго колеса 10.
Соотношение расстояний от полюса 12 до оси вращения 14 колеса 10 к расстояниям от полюса 12 до оси вращения 15 колеса 9, может составлять от 0,2 до 0,9, передаточные отношения колес при этом варьируются от 5,0 до 1,11, что обеспечивает нужное передаточное отношение от второго колеса 10 к первому колесу 9, позволяющее достичь необходимого технического результата.
Причем, при величине передаточного отношения 5,0 полюсы зацепления 17 и 18, при которых передаточное отношение от колеса 10 к колесу 9 равно 1,0 расположены на колесе 9 на угловом отклонении ±48° от полюса 12, а при величине передаточного отношения 1,11 полюсы зацепления 17 и 18, при которых передаточное отношение от колеса 10 к колесу 9 равно 1,0, расположены на колесе 9 на угловом отклонении ±87° от полюса 12 (см. Фиг.4 и 5).
При зацеплении колеса 9 с колесом 10 в пределах дуги 17-12-18 передаточное отношение от колеса 10 к колесу 9 выше, чем 1,0.
Сжатие рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания происходит нелинейно в зависимости от угла поворота коленчатого вала. Наиболее важным и энергоемким участком при сжатии рабочей смеси является диапазон положений коленчатого вала от 335° до 352°, на протяжении которого происходит наибольшее возрастание сжатия рабочей смеси, которая всего на 17° поворота коленчатого вала увеличивается примерно с 50% до 99% от требуемой степени сжатия.
Исходя из этого можно утверждать, что при всех исполнениях двигателя, при которых в момент зацепления колес 10 и 9 в полюсе 12, позиция коленчатого вала 4 находится в диапазоне от -40° до +20° от его положения, при котором поршень 2 находится в верхней мертвой точке, в конце такта сжатия, начиная от положения коленвала 335° до положения коленвала 352°, колесо 9 находится в зацеплении с колесом 10 в пределах дуги 17-12-18, где текущее передаточное отношение от колеса 10 к колесу 9 находится в диапазоне от >1,0 до 5,0 (см. Фиг.6 - Фиг.9), вращение коленчатого вала замедлено и, соответственно, увеличен крутящий момент, обеспечивающий необходимую степень сжатия рабочей смеси в двигателе внутреннего сгорания в конце такта сжатия, то есть достигается необходимый технический результат.
Дополнительный вал 11 в данном примере исполнения является валом отбора мощности, на нем установлен маховик 19. Для впуска рабочей смеси имеется впускное 20 окно с клапаном 21 и продувочное 22 окно, а для выхода отработавших газов - выпускное окно 23.
На чертеже (см. Фиг.10) показана зависимость 24 угловой скорости коленчатого вала от угла поворота коленчатого вала для двигателя, принятого в качестве ближайшего аналога, и зависимость 25 угловой скорости коленчатого вала от угла поворота для заявляемого двигателя. Из чертежа видно, что при зацеплении в полюсах 17 и 18 угловые скорости коленчатых валов обоих двигателей равны, а при зацеплении в пределах дуги 17-12-18 угловая скорость коленчатого вала заявляемого двигателя меньше.
На чертеже (см. Фиг.11) показана зависимость 26 момента на коленчатом валу от угла поворота коленчатого вала для двигателя, принятого в качестве ближайшего аналога, и зависимость 27 момента на коленчатом валу от угла поворота для заявляемого двигателя. Из чертежа видно, что при зацеплении в полюсах 17 и 18 моменты на коленчатых валах обоих двигателей равны, а при зацеплении в пределах дуги 17-12-18 момент на коленчатом валу заявляемого двигателя больше.
Направление вращения на Фиг.1, 2, 7 и 9 показано стрелками.
Двигатель содержит другие детали и элементы, известные специалистам, включая, но не ограничиваясь, следующими: насос(ы), охладитель, электропроводка, электрическая система зажигания и другие детали для механического действия двигателя (не изображены). В настоящей заявке изложены только те конструктивные признаки, которые необходимы для понимания сущности полезной модели.
Заявляемый двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.
Цикл работы двигателя начинается с такта сжатия, с момента, когда коленчатый вал 4 находится в положении 180°, при котором поршень 2 находится в нижней мертвой точке (см. Фиг.2), второе колесо 10 находится в зацеплении с первым колесом 9 в полюсе зацепления 16, противоположном полюсу 12, а передаточное отношение от второго колеса 10 к первому колесу 9 равно 0,5. Маховик 19 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 11 в пределах одного оборота вращается практически с неизменной угловой скоростью.
Поршень 2 за счет силы инерции маховика 19 двигается от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, перекрывая сначала продувочное 22, а затем выпускное 23 окна. После закрытия поршнем 2 выпускного окна 23 в цилиндре 1 начинается сжатие ранее поступившей в него рабочей смеси.
Одновременно в кривошипной камере 5, вследствие ее герметичности, под поршнем 2 создается разрежение, под действием которого в камеру 5 через впускное 20 окно с открывающимся клапаном 21 поступает рабочая смесь для обеспечения рабочего цикла.
Сжатие рабочей смеси в камере сгорания 8 и создание разрежения в кривошипной камере 5 происходит за счет энергии маховика 19, крутящий момент с которого через дополнительный вал 11 передается на второе колесо 10, с него на первое колесо 9 и через коленчатый вал 4 и шатун 3 на поршень 2. При этом благодаря передаточному отношению от колеса 10 к колесу 9, близкому к 2,0, в конце такта сжатия происходит уменьшение угловой скорости колеса 9 и, соответственно увеличение крутящего момента для сжатия рабочей смеси (см. Фиг.10, 11).
При достижении верхней мертвой точки поршнем 2 первое колесо 9 приходит в зацепление со вторым рабочим колесом 10 в полюсе 12 зацепления (см. Фиг.1). Свеча 7 зажигания воспламеняет рабочую смесь.
Высвобождающаяся при сгорании топлива энергия воздействует на поршень 2, заставляя его перемещаться к нижней мертвой точке, при этом совершается полезная работа. Одновременно, опускаясь вниз, поршень 2 создает высокое давление в кривошипной камере 5. Под действием давления клапан 21 закрывается, не давая таким образом горючей смеси попасть во впускное 20 окно. При достижении поршнем 2 выпускного 23 окна, оно открывается и начинается выпуск отработавших газов в атмосферу, давление в цилиндре 1 понижается. При дальнейшем перемещении поршень 2 открывает продувочное 22 окно, и сжатая в кривошипной камере 5 рабочая смесь поступает в цилиндр 1, осуществляя его продувку от остатков отработавших газов.
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 имеет повышенный крутящий момент на коленчатом валу в конце такта сжатия, в диапазоне положений колончатого вала от 335° до 352°, обеспечивающий уменьшение инерционной массы маховика, снижение минимальной пороговой величины оборотов холостого хода двигателя внутреннего сгорания и/или, при необходимости, увеличение степени сжатия рабочей смеси.
Промышленная применимость
Настоящая полезная модель реализуется с помощью универсального оборудования, широко распространенного в промышленности.