Двигатель внутреннего сгорания с повышенным кпд

 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению. Двигатель внутреннего сгорания содержит камеру сгорания, образованную внутренней поверхностью цилиндра и днищами поршней. Поршни разведены на некоторый угол, оптимальная величина которого составляет 35 - 60^o, фиксируются путем зацепления одинаковых шестерен, неподвижно закрепленных на концах коленчатых валов с центральной шестерней-маховиком, приспособленной для стартерного пуска двигателя и отбора мощности ее вала. Изобретение позволяет повысить КПД двигателя внутреннего сгорания. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а точнее к двигателестроению и способу работы.

Может применено всюду, где ныне используются ДВС.

Главный недостаток современных ДВС - низкий КПД.

Для карбюраторных двигателей он составляет 25-30%, для дизельных - 35-40%. Столь низкий КПД объясняется тремя причинами: первая - рабочий такт начинается до прихода поршня в верхнюю мертвую точку (в.м.т.), т.е. с отрицательной работы; вторая - максимум давления в цилиндре при рабочем такте приходится на момент, когда поршень находится вблизи в.м.т., что очень существенно снижает эффективность преобразования тепловой энергии давления в механическую; третья - малой рабочей площадью, используемой для свершения крутящего момента (площадь нижнего днища поршня).

Известен двигатель внутреннего сгорания, камера сгорания которого образована внутренней поверхностью цилиндра и днищами поршней, последние имеют не взаимовстречное движение и они разведены на некоторый угол разбежки (см. пат. США N 3868931, F 02 B 75/04, 1975).

Однако этот двигатель имеет невысокий коэффициент полезного действия (КПД).

Технической задачей изобретения является повышение КПД двигателя.

Поставленная задача решается за счет того, что двигатель содержит камеру сгорания, образованную внутренней поверхностью цилиндра и днищами поршней, последние имеют не взаимовстречное движение, а разведены на некоторый угол (угол разбежки), при этом оптимальная величина его составляет от 35 до 60 градусов и фиксируется путем защепления одинаковых шестерен, неподвижно закрепленных на концах валов, с центральной шестерней-маховиком, приспособленной для пуска двигателя и отбора мощности с ее вала. Кроме того, один из поршней (рабочий), опережающий другой поршень (вспомогательный), имеет удлиненный шатун, величина которого определяется углом разбежки поршней и углом ϕ для рабочего поршня. Объем камеры сгорания определяется как соотношением длин шатунов, так и изменением (увеличением) радиуса кривошипа вспомогательного поршня. Двигатель выполнен с увеличенной рабочей площадью за счет увеличения диаметра цилиндра, имеет максимальное сближение поршней, при этом в их днищах выполнены выемки, обеспечивающие необходимую степень сжатия. Рабочий такт в двигателе начинается с положительной работы, определяемой углом ϕ положения рабочего поршня при оптимальном угле разбежки поршней, величина которого устанавливается опытным путем для каждого типа двигателя и используемого топлива, обеспечивающим в итоге развития двигателем максимального крутящего момента.

Следует заметить, что при обратном движении оба поршня будут двигаться в одном направлении, причем у рабочего поршня линейная скорость будет возрастать, а у вспомогательного замедляться. Такое взаимное расположение при их максимальном сближении и создает необходимую степень сжатия, величина которой определяется путем соотношения длины шатунов и изменением (увеличением) радиуса кривошипа вспомогательного поршня.

Последнее делается с целью сглаживания линейных скоростей.

Известно, что в замкнутом объеме давление газа во всех направлениях одинаково на единицу площади. Следовательно, чем больше рабочая площадь в двигателе, тем более эффективно будет использоваться тепловая энергия давления. С этой целью в двигателе предусматривается некоторое увеличение диаметра цилиндра при максимально допустимом сближении поршней при рабочем такте с одновременным устройством выемок в днищах поршней с целью обеспечения необходимой степени сжатия. Таким приемом обеспечивается значительное превосходство рабочей площади над нерабочей.

В современных двигателях с одним поршнем в цилиндре начальная фаза рабочего такта, в лучшем случае, начинается при 50% доле рабочей площади с последующим ее уменьшением по мере удаления поршня от в.м.т.

В предлагаемом двигателе уравнение площадей произойдет только тогда, когда расстояние между поршнями составит половину диаметра цилиндра. А это существенно важно, если учесть, что 80% всей работы приходится на 60 градусов поворота коленчатого вала при рабочем такте. Оптимальные размеры цилиндра принимаются опытным путем в зависимости от типа двигателя и вида используемого топлива.

Принципиальная особенность работы двигателя заключается в следующем: наличие угла разбежки поршней позволяет до начала рабочего такта вывести рабочий поршень на некоторый заданный угол, при котором достигается максимальный крутящий момент. Необходимым условием для этого является, чтобы максимум деления в цилиндре совпадал с выходом вспомогательного поршня из в.м. т.

Оптимальная величина угла сдвижки поршней находится в пределах 35-60 градусов.

Повышение КПД в предлагаемом двигателе будет определяться следующими факторами: углом разбежки поршней и углом ϕ для рабочего поршня, большей рабочей площадью и более эффективным способом преобразования тепловой энергии давления в механическую. Помимо этого следует отметить, что рабочий такт в новом двигателе будет начинаться с положительной работы, а на достижение необходимой степени сжатия будет затрачиваться меньше энергии по причине одностороннего направления движения поршней.

Данный принцип устройства двигателя и предлагаемый способ работы поршней может быть использован и при внешнем подводе тепловой энергии.

На фиг.1 схематически показан общий вид дизельного двигателя.

Он состоит из цилиндра 1; рабочего 2 и вспомогательного 3 поршней; форсунки 4; шатунов 5 и 6; выхлопных окон 7; продувочных щелей 8; коленчатых валов 9 и 10; одинаковых шестерен 11 и 12; центральной шестерни 13; вала отбора мощности 14.

На фиг. 2, 3 показаны возможные варианты положения поршней в момент начала рабочего такта. Обозначения см. фиг.1.

Из рисунка видно, что угол ϕ для рабочего поршня составляет 20 градусов, вспомогательный поршень находится на расстоянии 15 градусов до его прихода в в.м.т. Сумма указанных углов дает угол разбежки поршней - 35 градусов.

Из теории известно, что крутящий момент определяется формулой где P - сила давления поршня; R - радиус кривошипа; ϕ - угол поворота кривошипа; β - угол поворота шатуна.

(см. "Автомобильные двигатели" под ред. М.С.Ховаха, Москва, "Машиностроение", 1977, стр. 346).

Если допустить, что максимум давления в обычном двигателе соответствует углу ϕ в 15^o, то в нашем примере это произойдет при угле в 35 градусов. В этом случае геометрический множитель возрастет в два раза (cм. таблицу 3, стр. 575, "Автомобильные двигатели"). А если учесть, что и произведение также возрастет, то в целом итоговая величина крутящего момента еще больше увеличится.

При максимальном угле разбежки поршней геометрический множитель возрастет многократно, что в итоге превысит 100% значение КПД. Этот парадокс объясняется тем, что его величина для ныне эксплуатируемых двигателей явно завышена.

Соотношением диаметров шестерен коленчатых валов c центральной шестернью можно в больших пределах изменять передаточное число, что делает двигатель более универсальным и стабильным в работе.

Наиболее технологично простыми выглядят дизельные варианты двигателей. Что же касается двигателей с искровым зажиганием, то в этом случае клапаны и свеча зажигания должны устанавливаться в формкамере, устраиваемой в центральной части цилиндра.

Переход на новый тип двигателей помимо чисто экономических выгод позволит значительно оздоровить и экологическую обстановку, которая ныне приобретает катастрофический характер.

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий камеру сгорания, образованную внутренней поверхностью цилиндра и днищами поршней, последние имеют не взаимовстречное движение, а разведены на некоторый угол (угол разбежки поршней), отличающийся тем, что оптимальная величина его составляет 35 - 60^oC и фиксируется путем зацепления одинаковых шестерен, неподвижно закрепленных на концах коленчатых валов, с центральной шестерней-маховиком, приспособленной для стартерного пуска двигателя и отбора мощности с ее вала.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что один из поршней (рабочий), опережающий в своем движении другой поршень (вспомогательный) имеет удлиненный шатун, величина которого определяется углом разбежки поршней и углом ϕ для рабочего поршня.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что объем камеры сгорания определяется как соотношением длин шатунов, так и изменением (увеличением) радиуса кривошипа вспомогательного поршня.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с увеличенной рабочей площадью за счет увеличения диаметра цилиндра, имеет максимальное сближение поршней, при этом в их днищах выполнены выемки, обеспечивающие степень сжатия.

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочий такт в нем начинается с положительной работы, определяемой углом ϕ положения рабочего поршня при оптимальном угле разбежки поршней, величина которого устанавливается опытным путем для каждого типа двигателя и используемого топлива, обеспечивающим в итоге развития двигателем максимального крутящего момента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3