Способ повышения топливно-мощностной эффективности двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания. Целью изобретения является снижение удельного расхода топлива и повышение мощности. Способ повышения топливно-мощностной эффективности двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что цикл сгорания топлива смещается по углу поворота кривошипа, при этом объем камеры сгорания до завершения горения топлива остается постоянным за счет остановки поршня на этот период в верхней мертвой точке без остановки вращения кривошипа. Эта десинхронизация их взаимодействия происходит в течение поворота кривошипа на угол 30 - 40° от верхней мертвой точки. Достигшее максимума давления газов при этом сочетается с наибольшим значением тангенциальной составляющей усилия, действующего от шатуна на кривошип. Двигатель внутреннего сгорания, реализующий способ, содержит шатун, состоящий из двух частей, соединенных телескопической вставкой с пружинами, удержавающими части шатуна в сжатом состоянии. На верхней части шатуна по бокам симметрично установлены на осях ролики. В плоскости их расположения на щеках кривошипа установлены кулачки, входящие в контакт с роликами при положении поршня в верхней мертвой точке до момента завершения рабочего такта. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания (ДВС), карбюраторным, дизельным, а также работающим на газообразном топливе.

Известны поршневые рядные, У-образные, дезаксиальные, оппозитные ДВС. Их недостатком является неэффективное преобразование энергии газов в механическую работу вследствие того, что максимальное давление газов реализуется при малом угле поворота кривошипа коленчатого вала от вертикали в начале рабочего такта. При этом невыгодно осуществляется разложение равнодействующей усилия, действующего по оси шатуна, на составляющие, так как образующая крутящий момент тангенциальная составляющая имеет небольшую величину. Кроме того, максимальное давление газов развивается не при минимальном объеме камеры сгорания, когда поршень опускается ниже ВМТ (12-18^о по углу поворота коленчатого вала у бензиновых двигателей). Этим объясняется недоиспользование работы, затраченной на сжатие рабочей смеси, а также потенциальной энергии газов. Вследствие указанных недостатков КПД этих двигателей низок и для выполнения единицы полезной работы затрачивается увеличенное число рабочих циклов со значительным расходом топлива.

Наиболее близким к предлагаемому является изобретение (Заявка Франции 2500810, кл. F 02 В 41/00, 1982), в котором применена "скользящая" камера сгорания, для образования которой использован дополнительный поршень. Недостатком такого устройства является возникновение большой реактивной силы, действующей на него во время рабочего хода, передающейся затем на весь механизм привода этого поршня и в конечном счете на коленчатый вал, вызывая противодействие его вращению. Другим его недостатком является применение дополнительных деталей, значительно усложняющих устройство и увеличивающих его габариты и вес.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение эффективной мощности двигателя при одновременном снижении удельного расхода топлива, а также удельной металлоемкости за счет более совершенного способа осуществления рабочего цикла и рационализированной кинематики кривошипно-шатунно-поршневого механизма.

В отличие от известных в предлагаемом двигателе максимальное давление газов в цилиндре реализуется при минимальном объеме камеры сгорания (без ее смещения), когда поршень находится строго в крайнем верхнем положении, рабочий ход при этом начинается после паузы в движении поршня при наиболее выгодном угле поворота кривошипа (с точки зрения образования крутящего момента).

Это осуществляется за счет применения шатуна переменной длины, изменяющейся программированно под воздействием кулачков специального профиля, установленных на щеках кривошипа и взаимодействующих с опорными роликами на шатуне.

На фиг. 1 показаны графики зависимости хода поршня S от угла α поворота коленчатого вала у известных (а) и предлагаемого (б) двигателей для сопоставления по способу взаимодействия деталей; на фиг. 2 схема осуществления способа; на фиг. 3 предлагаемый двигатель, вид с торца коленчатого вала; на фиг. 4 то же, вид сбоку.

У предлагаемого двигателя в отличие от известных (фиг. 1) кривая зависимости S f( α ) имеет прямолинейный участок на уровне ВМТ, кратный углу α поворота коленчатого вала. Это означает, что поршень на этом участке прерывает движение, оставаясь неподвижным, тогда как коленчатый вал совершает поворот от ВМТ на угол α '. Сжигание смеси осуществляется с расчетом на то, чтобы максимальное давление газов имело место в точке d, когда поршень еще находится в крайнем верхнем положении, а кривошип коленчатого вала вернулся на 30-40^о (величина этого угла может быть несколько меньше или больше в зависимости от оборотности и других параметров двигателя).

Такая особенность обеспечивается благодаря использованию шатуна переменной длины, проявляющейся на участке с-d-е под воздействием кулачка специального профиля, установленного на щеках кривошипа. На других участках кривошипно-шатунно-поршневой механизм работает, как обычно.

На фиг. 2-4 позициями обозначены: шейка 1 коленчатого вала, радиус 2 кривошипа, щека 3 кривошипа, шатунная шейка 4, кулачок 5 специального профиля, телескопический удлинитель 6 шатуна, ролик 7, шатун 8, поршень 9.

Два кулачка 5 устанавливаются на щеках кривошипа фиксированно, например с помощью штырей на легкой прессовой посадке, болтов и др. На фиг. 4 видно консольное расположение их рабочих участков для контактирования с роликами 7. Профиль рабочих поверхностей кулачков выбирается, расчетно-экспериментальным путем для оптимизации тактов рабочего цикла.

Телескопический усилитель 6 соединяет две части разрезанного поперечно шатуна, из которых нижняя представляет собой обычную головку с подшипником, и половинки соединены болтами-шпильками. Последние входят со скользящей посадкой во вновь образованную головку шатуна с двумя отверстиями. На шпильку надевают сверху пружины с преднатягом, фиксируемые шайбами с резервными сухарями, как у обычных клапанов. При удлинении шатуна пружины сжимаются, а разжимаясь, они восстанавливают стандартную длину шатуна. Количество шпилек и пружин зависит от мощности двигателя и веса деталей.

Два ролика 7 устанавливаются с легкой прессовой посадкой на концы стержня, который предварительно пропускается через втулку в теле шатуна.

Контурно обозначенные детали на фиг. 2 соответствуют их положению в точке с на фиг. 1. Для этой точки, начиная от 0^о поворота коленчатого вала, кривошип, шатун, поршень взаимодействуют, как обычно. Начиная с точки с, кулачок 5 входит в контакт с роликами 7. Поворачиваясь далее, он удерживает поршень 9 благодаря телескопическому удлинителю 6 в неподвижном верхнем положении до точки d (фиг. 1). В этом положении взаимосвязь деталей показана на фиг. 2 пунктиром. Пауза в движении поршня 9 на участке с-d преследует цель вывода шатунной шейки на достаточное удаление от верхнего положения с целью увеличения тангенциальной составляющей для образования наибольшего крутящего момента. Таким образом, от точки α до точки е совершается рабочий такт, продолжающийся от нижнего положения кривошипа, но действие кулачка на телескопический удлинитель шатуна в точке е прекращается, и дальше взаимодействие деталей осуществляется обычным образом, так как длина шатуна сокращается до стандартной и телескопический удлинитель из работы выключается.

Работа двигателя сопровождается улучшением очистки цилиндров от отработанных газов, что улучшает наполнение их рабочей смесью. Эффективность работы двигателя повышается также за счет более рационального использования объема камеры сгорания, так как рабочий такт начинается при самом минимальном ее объеме, в то время как у известных двигателей он увеличен.

Более совершенный способ преобразования энергии газов в тангенциальное усилие на кривошипе обеспечивает увеличение в два и более раза крутящего момента и соответственно этому эффективной мощности, что с учетом ранее отмеченных преимуществ обеспечивает сокращение удельного расхода топлива, а также удельной металлоемкости двигателей.

Кроме того, снижается загрязнение воздушной среды, что особенно важно, учитывая широкие возможности применения изобретения на автомобильном тpанспорте, в тракторной и другой сельскохозяйственной технике, военных колесных и гусеничных машинах, тепловозах, судах.

Достоинством изобретения является возможность его внедрения с широком масштабе практически без дополнительных капитальных затрат в короткие сроки.

Формула изобретения

1. Способ повышения топливно-мощностной эффективности двигателя внутреннего сгорания, осуществляемой по схеме чередования тактов рабочего цикла, отличающийся тем, что, с целью снижения удельного расхода топлива и повышения мощности, начало фазы рабочего хода по времени смешают относительно угла поворота кривошипа коленчатого вала так, что поршень, достигнув верхней мертвой точки, останавливается, удерживая в сжатом состоянии горючую смесь до момента, когда кривошип повернется усредненно на угол 30 40^o от вертикали, после чего газовую смесь воспламеняют в камере сгорания, имеющей минимальный объем, при этом оптимизацию угла опережения поворота кривошипа осуществляют исходя из образования наибольшего крутящего момента за счет наиболее выгодного соотношения тангенциальной и радиальной составляющих усилия, действующего по оси шатуна.

2. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий поршень и коленчатый вал с шеками и шатунной шейкой, на которой установлена нижняя головка шатуна, связанного с поршнем, причем шатун выполнен составным из двух подвижных частей, подпружиненных одна относительно другой, вал снабжен кулачком, а на части шатуна, связанной с поршнем, установлен ролик с возможностью его контактирования с выступом кулачка при положении поршня в районе верхней мертвой точки, отличающийся тем, что, с целью снижения удельного расхода топлива и повышения мощности, часть шатуна, соединенная с валом, выполнена в виде крышки нижней головки шатуна, связанной с последним при помощи болтовых соединений, пружины размещены на болтах между установленными на последних упорами и поверхностью шатуна, а кулачки расположены на поверхности по меньшей мере один из шек.

3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что кулачки расположены на поверхности обеих шек, а ролики симметрично относительно продольной оси шатуна.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4