Двигатель внутреннего сгорания
Изобретение относится к области двигателестроения и может применяться в транспортной технике и энергетике. Двигатель содержит блоки с цилиндрами компрессора и рабочие цилиндры, причем каждый блок состоит из двух цилиндров компрессора и четырех цилиндров рабочих машин, поршни жестко связаны между собой штоками, через которые проходит палец, образующий единую деталь, кинематически связанную со штоками и кривошипами, головки блоков отделены от цилиндров перегородкой с отверстием для каналов, клапаны открываются в сторону от цилиндра, блоки параллельны и группируются в единый двигатель со смещением на угол 0...180°. Изобретение обеспечивает увеличение степени расширения, увеличение удельной мощности и повышение КПД двигателя. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области двигателестроения и может применяться в транспортной технике и энергетике.
Известны поршневые двигатели, которые выполняют все 4 такта: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск в одном и том же цилиндре («Тракторы и автомобили», Москва, Агропромиздат, 1985, стр.13). При этом за один оборот вала происходят только два такта: или впуск и сжатие, или рабочий ход и выпуск. Заметим, что впуск и сжатие - функция специальной машины - компрессора, а рабочий ход и выпуск - рабочей (тепловой) машины.
Таким образом, в одном цилиндре как бы по очереди работают две машины: компрессор и тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию. Нельзя поменять местами впуск и сжатие, рабочий ход и выпуск, тем более такты из соседних машин.
Наиболее близким изобретением, выбранным в качестве прототипа, является двигатель внутреннего сгорания, содержащий компрессор и рабочие цилиндры, причем в компрессоре происходят такты всасывания и сжатия, а в рабочих - рабочий ход и выхлоп, поршни жестко соединены со штоками, в которых закреплены пальцы, при этом компрессор соединен с рабочими цилиндрами, газовыми тамбурами, представляющими собой камеру с клапанами на входе и выходе, в рабочих цилиндрах установлены свечи накаливания, все блоки параллельны друг другу и группируются в единый двигатель, смещаясь по фазе на некоторый угол (0...180°) (см. WO 85/02655, F 02 В 33/22, 1985).
Однако известное изобретение не обеспечивает высокую степень расширения и высокую удельную мощность, а следовательно, и невысокий КПД.
Задачей изобретения является увеличение степени расширения, увеличение удельной мощности и повышение КПД двигателя.
Поставленная задача решается за счет того, что двигатель внутреннего сгорания содержит блоки с цилиндрами компрессора, цилиндрами рабочих машин, головки блоков, свечи накаливания, поршни, размещенные в цилиндрах, газовые тамбуры, представляющие собой камеру с клапанами на входе и на выходе, при этом каждый блок состоит из двух цилиндров компрессора и четырех рабочих машин, поршни жестко связаны между собой штоками, через штоки проходит палец, образующий единую деталь, имеющую кинематическую связь со штоками и кривошипами, головки блоков отделены от цилиндров перегородкой с отверстием для каналов, клапаны открываются в сторону от цилиндра, блоки параллельны друг другу и группируются в единый двигатель со смещением на угол 0...180°. Двигатель снабжен форсунками для топлива и воды. Рабочие цилиндры имеют форсунки, расположенные в цилиндрах рабочих машин. Форсунки смонтированы на газовых тамбурах.
На фиг.1 и 2 в масштабе 1:4 показан вариант двигателя из четырех блоков, смещенных по фазе на 90° (граница головок блоков показана штрихпунктирной линией, чтобы представить размеры всего двигателя). На фиг.3 - группировка блоков способом кинематической связи шатунов разных блоков с общим кривошипом. Каждый блок состоит из двух компрессорных цилиндров 1, диаметром - 80 мм и четырех цилиндров рабочих машин, которые имеют диаметр 98 мм. В цилиндрах 1 размещены поршни 3, а в цилиндрах 2 - поршни 4. Поршни между собой жестко связаны штоками 5, через все штоки проходит палец 6, который вращается в подшипниках 7. К пальцу жестко прикреплены шатуны, а к шатунам - шейки 9, которые вращаются в подшипниках 10, а подшипники сидят в дисках-кривошипах 11, кривошипы вращаются во внешних подшипниках 12, к кривошипам жестко присоединены шестерни 13, а к одной из них маховик 14. К цилиндрам 2 подходят форсунки 15 для топлива и воды и свечи накаливания 16. К цилиндру 1 подходит впускной канал 17, который перекрывается клапаном 18.
Цилиндр 1 связан с цилиндрами 2 газовыми тамбурами 19. Выход из цилиндра 1 запирается каналом 20, но для тамбура - это вход, поэтому клапан назовем «входным», а клапан 21 - «выходным».
Цилиндр 2 имеет выпускной канал 22, перекрываемый клапаном 23. Двигатель обслуживается шестью распредвалами 24. Распредвалы открывают клапаны 18 и 23 при помощи толкателей 25 и коромысел 26, а клапаны 20 и 21 при помощи перекладин 27.
Кулачковый механизм настроен так, что при движении пальца 6 «вниз» (описание идет по фиг.1) клапаны 18 и 21 открыты, а клапаны 20 и 22 закрыты и наоборот: при движении пальца 6 вверх клапаны 18 и 21 закрыты, а клапаны 20 и 22 открыты: топливная форсунка открывается вместе с клапаном 21, а водяная через 40...50° поворота кривошипа 11.
Работает двигатель следующим образом.
При запуске двигателя включают зажигание и свеча 16 работает, пока ее не выключат. Потом пусковым механизмом вращают маховик 14. Если палец 6 пойдет вниз, то цилиндр 1 через впускной канал 17 и открытый клапан 18 будет всасывать воздух (такт «всасывания»), а в цилиндрах 2 создается разрежение. После того, как палец 6 начнет обратное движение, воздух, поступивший в цилиндр 1, начнет в нем сжиматься, так как клапан 18 будет закрыт, но откроется клапан 20 и сжимаемый воздух будет поступать в тамбурную камеру 19. Когда поршень 3 достигнет верхней мертвой точки (ВМТ), весь сжатый воздух окажется в камере 19. После этого палец 6 снова пойдет «вниз», при этом откроется клапан 21 и топливная форсунка 15. Сжатый воздух из камеры 19 начнет поступать в цилиндр 2, где он смещается с топливом, смесь коснется раскаленной нити свечи 16 и воспламенится. Так начинается рабочий ход в цилиндрах 2, а в цилиндре 1 в это время будет происходить очередной такт «всаса». После того, как воспламенится все топливо, поршень 4 будет находиться примерно на середине цилиндра 2 и в это время произойдет впрыск воды, что приведет к росту давления в цилиндре и падению температуры до 100°С. Когда поршни 3 и 4 придут в нижнюю мертвую точку (НМТ), то в цилиндре компрессора 1 и в цилиндрах рабочих машин 2 будет давление около 1 ат. При следующем движении пальца 6 вверх в цилиндре 1 пойдет очередной такт сжатия, а в цилиндре 2 первый такт выхлопа, а при следующем движении вниз пальца 6 (а также поршней и штоков) цикл начнет повторяться. Нижняя часть блока работает в противофазе к верхней (сдвинута на 180°). Все четыре блока: I, II, III и IV работают точно также, но сдвинуты по фазе относительно соседа на 90°. Это позволяет избежать мертвых точек и помогать тому блоку, в котором заканчивается такт сжатия. Дело в том, что при степени сжатия 8.5 давление в конце сжатия достигает 20-25 ат, в то время как в конце рабочего хода давления уже нет. Поэтому даже в лучшем случае, когда в цилиндрах 2 верха идет рабочий ход и в нижнем цилиндре 1 - сжатие, сам блок с этой работой без посторонней помощи не справится. Помогать будут соседние блоки и маховик. Без помощи маховика можно обойтись только, если блоков будет столько, что рабочие ходы будут следовать друг за другом через 10...20° оборота рабочего вала. Предлагаемое изобретение позволяет решить и эту проблему, используя группировку блоков способом кинематической связки шатунов разных блоков с общим кривошипом, как показано на фиг.3. Тогда число поршней и цилиндров, работающих на один вал, еще удвоится. Но и без этого удельная мощность повышена примерно в 4 раза. Для сравнения принят четырехцилиндровый двигатель для «Жигулей», имеющий 80 мм и ход 66 мм. Именно эти размеры заложены в компрессор предлагаемого двигателя. У рабочих машин ⊘ 98 мм, а ход тоже 66 мм. При этом объем двух рабочих машин равен трем жигулевским. Поэтому можно считать, что на одном пальце сидят два жигулевских мотора, а пальцев четыре. Поэтому литраж в 8 раз больше. Возьмем худший вариант, когда литровая мощность в 2 раза ниже «жигулевской». Тогда общий выигрыш в мощности - 4 раза. А габариты остались такие же примерно, как у «жигулевского»: 600×600×400 мм × мм. Таким образом, мы получим самый компактный поршневой двигатель.
Другой положительный эффект: термодинамический КПД возрастет с 53,5% до 86%, механический с 85% до 95%, потери на несгорания топлива сократятся на 10% (у дизеля потери примерно 5%, у карбюраторных примерно 15%) и мы получим эффективный КПД примерно
η=0,86·0,95·0,95≅0,77 (77%)
Вместо η=0,535·0,85·0,85≅0,38 (38%), где
первый коэффициент - термодинамический КПД;
второй коэффициент - механический КПД;
третий коэффициент - учитывающий потери топлива.
Здесь еще не учтены потери при сдвиге конца горения и укорочение рабочего хода на 50-70°. Конечно, и в новом не все потери учтены, но и в том и в другом случае они уложатся в 10-15% КПД. В любом случае КПД предлагаемого двигателя почти вдвое выше, чем у карбюраторного и в 1,5 раза - дизеля.
1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий блоки с цилиндрами компрессора, цилиндрами рабочих машин, головки блоков, свечи накаливания, поршни, размещенные в цилиндрах, газовые тамбуры, представляющие собой камеру с клапанами на входе и на выходе, отличающийся тем, что каждый блок состоит из двух цилиндров компрессора и четырех цилиндров рабочих машин, поршни жестко связаны между собой штоками, через штоки проходит палец, образующий единую деталь, имеющий кинематическую связь со штоками и кривошипами, головки блоков отделены от цилиндров перегородкой с отверстиями для каналов, клапаны открываются в сторону от цилиндра, а блоки параллельны друг другу и группируются в единый двигатель со смещением на угол 0...180°.
2. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что снабжен форсунками для топлива и воды.
3. Двигатель внутреннего сгорания по п.2, отличающийся тем, что рабочие цилиндры имеют форсунки, расположенные в цилиндрах рабочих машин.
4. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что форсунки смонтированы на газовых тамбурах.
