Способ повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания
PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE OPERATION EFFICIENCY INCREASING METHOD

Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности, усовершенствует способ повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания, предназначенный для энергетических установок, например, на электростанциях, на кораблях, тепловозах, автомобилях и в авиации.
В двигателестроении известен способ преобразования вращательного движения коленчатого вала в возвратно-поступательное движение поршня в результате чего в цилиндре двигателя совершаются процессы впуска, сжатия, сгорание, рабочего такта и выпуска газов продуктов сгорания. (Ванштейдт В.А. Судовые ДВС. Л., Судпромгиз.ю 1962 г.). Сущность способа заключается в том, что устройства для реализации способа наиболее просты по конструкции и компактны по габаритам.
Недостаток способа заключается в том, что коленчатый вал, являясь движителем поршня заставляет последний совершать восемь тактов за два оборота. При этом четыре из них «мертвые зоны», в них поршень стоит на месте или движется крайне медленно. Это не позволяет эффективно осуществлять преобразование внутренней энергии (U) продуктов сгорания в механическую работу (А), кроме того поршень за цикл совершает компрессорные и двигательные процессы. Это не позволяет использовать автоматическую систему управления (АСУ) для управления процессами двигателя.
Известен также способ работы поршневого двигателя внутреннего сгорания (описание изобретения к патенту RUN=2258819 С2, 7F02B 75/32 за 2005 г.). сущность способа состоит в том, что неподвижное и возвратно-поступательное движение поршень совершает за счет преобразования механической энергии пружины и кулачка, вращающегося на валу сельсина-приемника синхронно с сельсином датчиком, в результате этого в цилиндре двигателя происходят процессы впуска, сжатия, рабочего такта и выпуска газов продуктов сгорания. Причем при объединении одноцилиндровых двигателей в многоцилиндровый двигатель в результате использования автоматической системы управления (АСУ) одноименные процессы в разных цилиндрах многоцилиндрового двигателя осуществляют либо поочередно, либо группами, либо одновременно.
Использование сельсинов и автоматической системы управления в устройстве для осуществления способа позволяет осуществлять отбор мощности у многоцилиндрового двигателя в широких пределах без коробок передач или автоматов.
Однако сельсинный способ управления двигателем мало изучен, поэтому не имеет спонсоров, а также не заинтересовал специалистов ведущих мировых компаний.
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ работы 2-тактного двигателя с противоположно движущимися поршнями (ПДП) (Ванштейд В.А. Конструктирование и расчеты прочности судовых дизелей. Л., Судостроение, 1969 г.). Основные преимущества способа заключается в том, что устройства для реализации способа получают в два раза больше мощности по сравнению с двигателями простого действия.
Основные недостатки способа являются то, что оба поршня имеют единственный движитель, поэтому синхронно совершают два такта (сжатие и рабочий ход). При этом вспомогательные такты (выпуск отработанных газов и наполнения) осуществляют механизмы расположенные вне двигателя. Это усложняет конструкцию устройства для реализации способа, не позволяет внедрить автоматическую систему управления (АСУ) и получать высокий эффективный .
Исходя из вышеизложенного была поставлена задача разработать такой способ работы поршневого двигателя внутреннего сгорания, который улучшит основные технические характеристики параметров поршневого многоцилиндрового ДВС.
Поставленная задача решается заявленным способом повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания, включающим преобразование вращательного движения коленчатого вала в возвратно-поступательное движение поршня в результате чего в цилиндре двигателя совершаются процессы, выпуска отработанных газов, а также наполнение цилиндра топливной смесью.
Процесс сжатия и рабочего такта совершаются путем возвратно-поступательного движения поршня закрепленного на подпружинной зубчатой рейке, связанной с валом нагрузки путем храпового колеса.
А при объединении одноцилиндровых двигателей в многоцилиндровый двигатель одноименные процессы в разных цилиндрах многоцилиндрового двигателя совершаются либо поочередно, либо группами, либо одновременно с помощью автоматической системы управления (АСУ), включающей управляющий барабан закрепленный на валу нагрузки.
В заявленном способе признаками изобретения, общими для него и его наиболее близкого аналога, являются:
- преобразование вращательного движения коленчатого вала в возвратно-поступательное движение поршня, в результате чего в цилиндре двигателя совершаются процессы наполнения, сжатия, рабочего такта и выпуска газов продуктов сгорания:
- процессы в цилиндре совершают два противоположно движущих поршня.
В заявленном способе признаками изобретения отличающими его от наиболее близкого аналога, являются:
- процессы выпуска и наполнения цилиндра топливной смесью совершаются путем преобразования вращательного движения коленчатого вала в возвратно-поступательное движения верхнего поршня;
- процессы сжатия и рабочего такта совершаются путем возвратно-поступательного движения нижнего поршня закрепленного на подпружиненной зубчатой рейке, связанной с валом нагрузки путем храпового колеса;
- при объединении одноцилиндровых двигателей в многоцилиндровый двигатель одноименные процессы в разных цилиндрах многоцилиндрового двигателя совершаются либо поочередно, либо группами, либо одновременно;
- для эффективного совершения процессов используется автоматическая система управления (АСУ), включающая управляющий барабан, закрепленный на валу нагрузки
На фиг. 1 - изображена кинематическая схема устройства для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания.
2
На фиг. 2 - идеальная диаграмма работы четырехтактного одноцилиндрового ДВС, построенная по способу Гриневецкого-Мазинга в координатах: давление (Р) кгс/см в функции изменения угла поворота коленчатого вала  в градусах.
На фиг. 3 - диаграмма хода поршня четырехтактного одноцилиндрового ДВС, построенная по способу Брикса в координатах: ход поршня (n) в мм, в функции изменения угла поворота коленчатого вала  в градусах.
1 и
2
На фиг. 4 - индикаторная диаграмма хода поршней (nn) в мм, поочередно движущихся навстречу друг другу, в функции изменения угла поворота коленчатого вала  в градусах.
На фиг. 5 - однолинейная электрическая схема управления устройством для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания.
На фиг. 6 - кинематическая схема токоприемников, размещенных по кругу управляющего барабана.
На фиг. 7 - индикаторные диаграммы четырехтактного четырех цилиндрового ДВС, одни и те же процессы в цилиндрах которого совершаются поочередно.
На фиг. 8 - диаграмма эффективных мощностей цилиндров четырех цилиндрового ДВС, одни и те же процессы в которых совершаются поочередно.
На фиг. 9 - индикаторные диаграммы цилиндров четырехтактного четырехцилиндрового ДВС, одноименные процессы в цилиндрах которых совершаются группами.
На фиг. 10 - диаграммы эффективных мощностей цилиндров четырехцилиндрового ДВС, одни и те же процессы в цилиндрах которых совершаются группами.
На фиг. 11 - индикаторные диаграммы четырехтактного четырехцилиндрового ДВС, одни и те же процессы в цилиндрах которых совершаются одновременно.
На фиг. 12 - диаграмма эффективных мощностей цилиндров четырехцилиндрового ДВС, одноименные процессы в которых совершаются одновременно.
Устройство для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания включает цилиндр 1, верхний поршень 2, движетелем последнего является коленчатый вал 4, который совершает вращательные движения от шкива 7, при включенном сцеплении путем привода ПБ-1. Шкив 7 связан с валом нагрузки 8 с помощью ременной передачи 10. Нижний поршень 3, закрепленный на зубчатой рейке 15, связанной с валом нагрузки 8 путем храпового колеса 11. Зубчатый обод 11 храпового механизма 9 превращается в обыкновенное зубчатое колесо, путем сцепления, имеющим электромагнитый привод 6 с катушкой 5.
Возвратно-поступательные движения пружин 13 преобразуются во вращательные движения барабана 14 лебедки, связанной с зубчатой рейкой 15 путем зубчатой шестерни 16. Барабан 14 лебедки имеет тормозное кольцо и тормозную колодку 17 с электро приводом ТК-1.
На нижнем конце зубчатой рейки 15 установлен кронштейн 18 с подвижными контактами. Последние замыкают неподвижные контакты С-1, ПБ, и размыкают подвижные контакты БК, ПБ.
В крайне-верхнем положении зубчатой рейки 15 подвижные контакты кронштейна 18 замыкают неподвижные контакты питания свечи зажигания 12. С помощью зубчатого маховика 19 стартер 20 раскручивает вал нагрузки 8. Цилиндр 1 имеет выпускной трубопровод с клапаном 21, а также впускной трубопровод с клапаном 22. Устройство для реализации способа имеет автоматическую систему управления (АСУ), включающую управляющий барабан 23 вращающийся вместе с валом нагрузки 8.
нз
Во время запуска устройства для реализации способа повышения эффективности работы поршневого ДВС водитель подает эл. питание 12 V в катушку 5 привода 6 сцепления храпового колеса 11. Одновременно водитель раскручивает вал нагрузки 8 с помощью стартера 20. Это позволит раскрутить вал нагрузки 8, а вместе с ним храповое колесо 11 против часовой стрелки. Вращательное движение зубчатого обода 11 храпового механизма 9 преобразуется в поступательное движение зубчатой рейки 15. При движении вниз рейка 15 будет вращать зубчатое колесо 16 по часовой стрелки. Это позволит сжать пружины 23, с помощью тросса барабана 14 лебедки. При достижении нижнего положения зубчатой рейки 15 замкнутся контакты БК, С-1. После чего эл. питание 12 V появится в катушке ТК-1 тормозной колодки 17. Это позволит остановить барабан 14 лебедки и заставить зубчатую рейку 15 стоять в нижнем положении. Вместе с этим исчезнет эл. питание в катушки 5 привода 6 сцепления храпового колеса 11. Кроме того путем вала нагрузки 8 будет вращаться шкив 7 с помощью ременной передачи 10. При вращении вала нагрузки 8 будет вращаться управляющий барабан 23. Это позволит полукольцу 25 приблизиться, а затем приподнять ролик 26 привода реле 27, контакты ПШ-1, которого подадут эл. питание на катушку привода ТК-1 тормозной колодки 17. Вместе с этим эл. питание 12 V появится в катушки ПБ-1 привода сцепления движителя коленчатого вала 4. Вращательное движение коленчатого вала 4 преобразуется в возвратно-поступательное движение верхнего поршня 2 в результате чего в полости цилиндра 1 совершаться процессы выпуска и наполнение цилиндра 1 топливной смесью. Вращение коленчатого вала 4 будет продолжаться до тех пор, пока полукольцо 25 на управляющем барабане 23 приблизится, а затем поднимет ролик 28 привода подвижного контакта реле 29 контакты которого разомкнули цепь питания катушки ТК-1 тормозной колодки 17 барабана 14 лебедки. После этого пружина 13 раскрутят барабан 14 лебедки против часовой стрелки. Вращательное движение зубчатого колеса 16 преобразуется в поступательное движение зубчатой рейки 15, связанный с нижним поршнем 3. В результате чего топливная смесь сожмется поршнем 3. В крайне верхнем положении топливная смесь воспламенится от искры свечи зажигания 12, путем контактов С3 привода 29. Под действием высокого давления поршень 3 изменит направление движения и быстро будет отпускаться вниз, увлекая за собой зубчатую рейку 15. Прямолинейное движение зубчатой рейки 15 преобразуется во вращательное движение зубчатого обода 11 храпового механизма 9, связанного с валом нагрузки 8. Вместе с этим прямолинейное движение зубчатой рейки 15 преобразуется во вращательное движение зубчатого колеса 16, связанного с барабаном 14 лебедки. Вращательное движение барабана 14 с помощью тросов сожмут пружины 13. При достижении подвижного контакта 18 крайне-нижнего положения замкнутся контакты С-1, ПБ и разомкнутся контакты БК, С-1. После чего появится эл. питание в катушки ТК-1 тормозной колодки 17. Это позволит остановить барабан 14 лебедки, а так же зубчатую реку 15 в нижнем положении. Все эти процессы совершались во время остановки верхнего поршня 2 в крайне верхнем положении в момент отключения эл. питания катушки ПБ-1. Таким образом процессы в цилиндре 1 ДВС будут повторяться. При объединении одноцилиндровых двигателей в многоцилиндровый двигатель водитель с помощью автоматической системы управления сможет переключать работу цилиндров многоцилиндрового двигателя таким образом, чтобы одноименные процессы в разных цилиндрах совершались либо поочередно см фиг. 9 и фиг. 10, либо группами см. фиг. 11 и фиг. 12, либо одновременно см. фиг. 13 и фиг. 14. Таким образом водитель сможет регулировать выходную мощность в широких пределах без коробок передач или автоматов.
Прежде чем перейти к изложению технико-экономических преимуществ, подкреплю убедительными примерами цель изобретения. В начале XX века русские ученые Гриневецкий В.И. и Мазинг Е.К. путем специальных приборов замерили основные параметры на работающем ДВС и построили индикаторную диаграмму см. Фиг. 2 (Мазинг Е.К. Тепловой процесс ДВС, ОНТИ, 1937 г.) На диаграмме фиг. 2 видно, что четырехтактный ДВС должен иметь два вспомогательных-затяжных процесса (выпуск отработанных газов и наполнение цилиндра топливной смесью). Это связано с тем, что для сгорания определенного количества топлива необходимо определенное количество кислорода воздуха. Избыток или недостаток кислорода приводит к негативным последствиям. Процессы сжатия и рабочего процесса должны совершаться быстро-скоростные процессы. Это связано с тем, что согласно законам термодинамики сгорание топлива в цилиндре должно совершаться со скоростью взрыва. При этом температура продуктов сгорания возрастает мгновенно до 1700-2000°С. При такой температуре продукты сгорания излучают короткие волны, которые распространяются со скоростью света 300000 Км/с. Таким образом согласно законам квантовой физики энергия (U) покидает полость цилиндра без совершения полезной работы (А). В то же время Брике построил диаграмму хода поршня, движителем которого был коленчатый вал (см. Фиг. 3). Анализируя диаграммы двигателисты выяснили то, что коленчатый вал не может эффективно преобразовать внутреннюю энергию (U) продуктов сгорания в механическую работу (А). Это связано с тем, что индификаторный  термодинамического процесса в цилиндре двигателя (см. Фиг. 2) изменяется от 100% до 0%. В то же время механический  процесса преобразования внутренней энергии (U) в механическую работу (А) (см. Фиг. 3) изменяется от 0% до 100%. Таким образом эффективный  такого процесса будет стремиться к→0 так как эффективный  равняется
Кроме того, коленчатый вал, являясь движителем поршня заставляет его совершать восемь тактов за два оборота. При чем четыре такта «мертвые зоны», в них поршень стоит на месте или движется крайне медленно. Вместе с этим современные четырехтактные двигатели работаю в режиме компрессора, а затем в режиме двигателя.
Для устранения существенных недостатков в ДВС было создано ОКБ Баландина С.С., в котором решался вопрос о замене коленчатого вала другим альтернативным движителем поршня. К сожалению начало второй мировой войны не позволило продолжить начатые работы.
Исходя из вышеизложенного, мною была поставлена задача, разработать способ повышения эффективности работы двигателя с противоположно движущимися поршнями.
Для этого потребовалось раскрепостить детали цилиндропоршневой группы нижнего поршня, то есть освободить их от не нужных «надстроек»: Коленчатого вала, механической системы газораспределения с распредвалом, коробки передач или автомата, мощнейшей системы охлаждения и т.д. Это позволит повысить эффективный  двигателя путем эффективного преобразования внутренней энергии (U) в механическую работу (А). В случае объединения одноцилиндровых двигателей в многоцилиндровый двигатель автоматическая система управления (АСУ) обеспечит работу таким образом, чтобы одни и те же процессы в цилиндрах многоцилиндрового двигателя осуществлялись либо поочередно, либо группами, либо одновременно. Это позволит согласовать два взаимоисключающих требования: с одной стороны, обеспечить постоянство нагрузки на цилиндры многоцилиндрового двигателя, а с другой - снабжать автомобиль энергией в непрерывно меняющихся условиях движения. Очевидно, это будет простой, небольших размеров двигатель с хорошими основными техническими параметрами, удовлетворяющими всем предъявленным на сегодня требованиям, и подходить для оснащения любого автотранспорта. Кроме того, у предлагаемого двигателя увеличится моторесурс, а также надежность потому, что если во время работы ДВС выйдут из строя несколько цилиндров, оставшиеся смогут продолжить работу без них.
Благодаря вышеизложенным преимуществам устройства для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя с противоположно движущимися поршнями будут иметь большую агрегатную мощность по сравнению с современными ДВС (при меньших размерах), которую при этом можно будет увеличивать, удовлетворяя растущие потребности использования двигателей для решения многочисленных научных и технических проблем, а также в обороне страны.