Двигатель внутреннего сгорания
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение КПД двигателя и улучшение массогабаритных параметров. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит цилиндр с размещенным в нем поршнем. Кривошипно-шатунный механизм выполнен дезаксиальным с рабочим ходом поршня, соответствующим углу поворота кривошипа, меньшему, чем при обратном перемещении. Амплитуда механической характеристики механизма смещена в сторону максимальных значений давления рабочего тела при рабочем ходе поршня в процессе расширения. Процесс расширения проходит при рабочем ходе с большей скоростью, чем при обратном ходе поршня. Согласно изобретению двигатель выполнен с накопителем энергии поступательно движущихся масс, поглощающим ее при приближении поршня к нижней мертвой точке, затем перемещающим его обратно после прохождения нижней мертвой точки. При этом контакт нижней части поршня с накопителем происходит при приближении поршня к нижней мертвой точке. 1 ил.
Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано в качестве двигателя внутреннего сгорания, тепловой машины с высокой эффективностью преобразования теплоты в механическую работу. Предлагаемое устройство применимо в автомобильном, водном и воздушном транспорте, в сельском хозяйстве, в строительстве и в быту.
Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр с размещенным в нем поршнем, выполняющим рабочий и обратный ход и связанным с центральным кривошипно-шатунным механизмом с маховиком [1].
Недостатками известных двигателей внутреннего сгорания являются низкий термический и механический КПД (коэффициент полезного действия), минимально возможный абсолютный энергетический параметр механизма преобразования энергии, шумный выброс отработанных газов, высокие и большие массогабаритные характеристики и эксплуатационные расходы.
Целью настоящего изобретения является повышение термического и механического, а как следствие общего КПД, большой абсолютный энергетический параметр механизма преобразования энергии, бесшумный выброс отработанных газов вплоть до отказа от системы глушения шумов, снижение массогабаритных характеристик, а также снижение топливных и других эксплуатационных расходов.
Технический результат достигается тем, что кривошипно-шатунный механизм выполнен дезаксиальным с рабочим ходом поршня, соответствующим углу поворота кривошипа, меньшему, чем при обратном перемещении, с увеличенным абсолютным энергетическим параметром, определяемым по неравенству: A(ξ, λ)ϕ>const,
при этом
где A(ξ, λ)ϕ - абсолютный энергетический параметр механизма;
ξ - относительная величина дезаксиала механизма;
λ - относительная величина шатуна механизма;
ϕ - угол поворота кривошипа механизма;
ϕ1 - угол первоначального положения кривошипа;
ϕ2 - угол предельного, крайнего положения кривошипа,
и с амплитудой механической характеристики механизма, смещенной в сторону максимальных значений давления рабочего тела при рабочем ходе поршня в процессе расширения, с прохождением процессов расширения при рабочем ходе с большей скоростью, чем у обратного хода поршня, а двигатель выполнен с накопителем энергии поступательно движущихся масс, поглощающим ее при приближении поршня к нижней мертвой точке, затем перемещающим его обратно после прохождения нижней мертвой точки.
Поставлена и решена фундаментальная задача с определением абсолютных энергетических параметров механизмов кривошипно-ползунного типа [2], где установлено и доказано, что возможность преобразования работы сил поступательного движения во вращательное зависит от величины дезаксиала в определенном интервале в зависимости от линейных размеров звеньев. На основании чего построена диаграмма абсолютных энергетических параметров кривошипно-шатунных механизмов [3], по которой можно определить совершаемую работу при любых соотношениях линейных параметров этих механизмов. Одновременно для предлагаемого двигателя внутреннего сгорания, тепловых машин с дезаксиальными кривошипно-шатунными механизмами составлена программа для ЭВМ [4], для определения и построения расчетной индикаторной диаграммы по круговым термодинамическим циклам автора. Термодинамические циклы ДВС, тепловых машин автора предусматривают нелинейное изменение рабочего объема или рабочего тела в ограниченном нелинейном объеме [5].
По работе [6] известно, что дезаксиальный привошипно-шатунный механизм имеет недостаток, приводящий к опрокидыванию поршня. Однако это возможно в случае такого направления вращения кривошипа коленвала, когда рабочий ход поршня соответствует углу поворота кривошипа, большему, чем его обратному перемещению, где достаточно массы самого поршня, не говоря о нагрузке, к примеру, по сжатию рабочего тела, в особенности при больших значениях дезаксиала и малых значениях шатуна. Данное утверждение также наглядно доказывают результаты работы [2]. Учитывая вышеизложенное, технический результат достигается на основе новых знаний и устранением недостатков, а дезаксиальный кривошипно-шатунный механизм выполнен с рабочим ходом поршня, соответствующим углу поворота кривошипа, меньшему, чем при его обратном перемещении. На чертеже в предлагаемом ДВС показано простое единственно возможное конструкционное решение по направлению вращения кривошипа, где угол поворота показан по часовой стрелке и при рабочем ходе он меньше, чем при обратном перемещении поршня. При этом очевидно, что при равномерном вращении кривошипа или маховика время прохождения рабочего хода в процессе расширения рабочего тела в предложенном ДВС, тепловой машине, меньше во столько раз, чем у обратного хода, во сколько разнятся их углы поворота кривошипа между собой. Этот фактор в свою очередь позволяет снизить количество оборотов предлагаемого двигателя при достижении такой же мощности (одинаковой со сравниваемым известным двигателем с центральным кривошипно-шатунным механизмом) с увеличенным крутящим моментом на оси вращения кривошипа или на оси вращения маховика. При больших дезаксиалах в предлагаемом ДВС имеют место быть большие боковые силы, прижимающие поршень к цилиндру (втулке), но эта проблема решается и известна по работе [7] с помощью крейцкопфных конструкций, а также нескольких вариантов решения имеется у автора изобретения.
По работе [2] доказано увеличение абсолютного энергетического параметра дезаксиального кривошипно-шатунного механизма, определяемого по неравенству: A(ξ, λ)ϕ>const, при этом энергетический параметр у известных центральных кривошипно-шатунных механизмов в классических ДВС минимально возможен и равен постоянной величине ˜114,6, не смотря на это, в силу конструкционных причин он используется только на 75-80%. Для сравнения абсолютный энергетический параметр механизма предлагаемого авторами ДВС с относительной величиной шатуна, равной 3,5, и относительной величиной дезаксиала, равной 2,0, по работе [2] равен величине ˜145,5 в поградусном исчислении энергетического параметра механизма. В результате только за счет максимального задействования абсолютного энергетического параметра механизма, предлагаемого авторами ДВС, преимущество в эффективности составляет более чем в полтора раза. В связи с тем, что время прохождения рабочего хода поршня в процессе расширения меньше, чем обратное перемещение поршня, то в случае четырехтактной конструкции возникает возможность переноса времени работы клапанов в зону обратного хода поршня по круговой диаграмме фаз газораспределения [7].
В связи с тем, что процесс расширения в цилиндре двигателей внутреннего сгорания происходит по гиперболической зависимости, вышеперечисленные преимущества в предлагаемом авторами ДВС усиливаются тем, что амплитуда механической характеристики механизма при определенных линейных параметрах смещается в сторону максимальных значений давления рабочего тела при рабочем ходе поршня в процессе расширения, что выявлено по работам [2, 8].
Кроме того, база данных программного обеспечения на ЭВМ позволяет утверждать, что в зависимости от линейных параметров дезаксиального кривошипно-шатунного механизма изменение рабочего объема цилиндра предлагаемого ДВС происходит по нелинейной зависимости и по степенной зависимости [5], что в совокупности с высокой скоростью прохождения рабочего хода положительно влияет на термический КПД.
При больших дезаксиалах кривошипно-ползунного механизма двигателей и при направлении вращения кривошипа коленвала по графическому изображению по часовой стрелке для предлагаемого ДВС в нижней мертвой точке положения поршня происходит скачок значения ускорения поступательно движущихся масс по совместной работе авторов изобретения [9]. Одновременно, после прохождения поршнем нижней мертвой точки, на незначительном отрезке перемещения, существует возможность опрокидывания, вызванная большим значением углов β наклона шатуна к оси перемещения шатуна, что приводит к большим боковым усилиям на поршень. Значения углов β наклона шатуна к оси перемещения поршня могут значительно превышать установленные многолетней практикой двигателестроения. По этой причине предлагаемый двигатель выполнен с накопителем энергии поступательно движущихся масс, поглощающим ее при приближении поршня к нижней мертвой точке, затем перемещающим этот поршень обратно после прохождения нижней мертвой точке. Одновременно этот накопитель энергии играет большую роль для отсечения несимметричной части амплитуды сил инерции поступательно движущихся масс, а также для уравновешивания двигателей предлагаемых конструкций. По принципам действия возможно исполнение накопителей энергии поступательно движущихся масс электромагнитными, пневматическими, упругими механическими и другими.
На чертеже изображен вариант упругой механической конструкции, выполненный в виде пружины напротив и по оси перемещения поршня. При приближении поршня к нижней мертвой точки происходит контакт нижней части поршня 2 с упругим накопителем энергии поступательно движущихся масс, к примеру в виде пружины, при этом часть энергии гасится и накапливается в сжатой пружине и после прохождения нижней мертвой точки поршнем происходит обратное его перемещение разжимающейся пружиной 8, что предотвращает опрокидывание поршня в критических точках его обратного перемещения. Одновременно происходит срез несимметричной части амплитуды сил инерции поступательно движущихся масс [9] у предлагаемого двигателя. После уменьшения угла β наклона шатуна к оси перемещения поршня, до установленной практикой двигателестроения, необходимость действия накопителя энергии прекращается и далее поршень перемещается под действием шатуна и кривошипа от энергии вращающегося маховика 5. Высокая эффективность работы наиболее простой схемы ДВС, предлагаемой авторами, обеспечивается тем, что он работает одновременно по тепловому [5] и механическому [10] циклам автора и эта эффективность усиливается одновременным благоприятным смещением амплитуды механической характеристики кривошипно-шатунного механизма [8]. Общий КПД предлагаемого авторами ДВС выше по сравнению с известными и широко используемыми на практике, по меньшей мере в полтора - два раза. Контакт с накопителем возможен и от верхней части шатуна.
На чертеже представлена схема предлагаемого ДВС с дезаксиальным кривошипно-шатунным механизмом преобразования с величиной дезаксиала а, величиной шатуна l и величиной кривошипа r. При этом в математических выражениях использованы их относительные величины 
- дезаксиала и 
- шатуна. Одновременно показан двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр 1 с размещенным в нем поршнем 2, выполняющим рабочий и обратный ход по стрелкам вниз и вверх и связанным с дезаксиальным кривошипно-шатунным ОАВ механизмом с указанием линейных величин звеньев: l - шатуна, a - дезаксиала, r - кривошипа. Стрелкой показано единственно технически возможное направление вращения кривошипа для рабочего хода поршня. Штриховой линией показаны первоначальное и предельное, крайнее положения кривошипно-шатунного механизма. Для описания работы двигателя показаны кривошипно-шатунный механизм с кривошипом 3 и шатуном 4, маховик 5, как пример, клапан 6 выпускной, впускное окно 7 и накопитель энергии поступательно движущихся масс 8 в виде упругой пружины, одним концом жестко закрепленной к корпусу двигателя. Углы ϕ - поворота кривошипа и β - наклона шатуна к оси перемещения поршня.
Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. При закрытом клапане 6 под действием расширяющихся газов или рабочего тела поршень от верхней мертвой точки перемещается вниз, совершая рабочий ход по часовой стрелке вращения кривошипа 3, через шатун 4, со всеми вышеперечисленными преимуществами и происходит вращение маховика с накоплением механической энергии в соответствие с энергетическим параметром механизма А(ξ, λ)ϕ>const. По достижении верхней части поршня уровня окна 7 открывается клапан 6, начинается продувка цилиндра свежим воздухом с одновременным заполнением цилиндра 1 под давлением воздуха принудительно. Одновременно при приближении поршня 2 к нижней мертвой точке происходит контакт его с накопителем энергии поступательно движущихся масс к примеру пружиной, при этом пружина сжимается и после прохождения поршнем нижней мертвой точки перемещает поршень обратно для исключения его опрокидывания при критических значениях угла β наклона шатуна к оси перемещения поршня для двигателей с большим значением величины дезаксиала. После прохождения верхней части поршня окна 7 клапан 6 перекрывается и наполненный воздух сжимается перемещающимся вверх поршнем под действием энергии, накопленной маховиком, через кривошип 3 и шатун 4. При приближении поршня к верхней мертвой точке происходит впрыск топлива через форсунку к примеру и происходит воспламенение топлива от сжатия, далее происходит сгорание. После прохождения поршнем верхней мертвой точки происходит вновь рабочий ход с процессом расширения газов или рабочего тела и далее двухтактный цикл работы двигателя продолжается; на основе новых знаний [2-5, 8-10] имеются полные доказательства повышения КПД.
Предлагаемый ДВС авторов соответствует критериям изобретения, является новым, имеет изобретательский уровень и промышленно применим.
Источники информации
1. Авторское свидетельство на изобретение №1717856, «Двуктактный двигатель внутреннего сгорания», Официальный патентный бюллетень №9, 1992 года, Москва.
2. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003610393, «Решение фундаментальной задачи с определением абсолютных энергетических параметров механизмов кривошипно-ползунного типа», автор-правообладатель М.О.Яримов.
3. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003611904, «Диаграмма абсолютных энергетических параметров кривошипно-ползунного механизмов», автор-правообладатель М.О.Яримов.
4. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003611958, «Рассчетная индикаторная диаграмма ДВС, тепловых машин по циклам Яримова», авторы-правообладатели М.О.Яримов, Э.М.Яримов.
5. М.О.Яримов «Способ работы ДВС по циклу Яримова», Патент на изобретение РОССИИ №2160373, 1999 год.
6. Под общей редакцией А.С.Орлова, М.Г.Круглова «Двигатель внутреннего сгорания», Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей, Москва, Машиностроение, 1985 год.
7. К.Л.Ржепецкий, Е.А.Сударева «Судовые двигатели внутреннего сгорания», Ленинград, «Судостроение», 1984 год.
8. М.О.Яримов «Способ работы ДВС», Патент на изобретение РОССИИ №2154174, 1998 год.
9. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ 2003611937 «Ускорение возвратно-поступательно движущихся масс, в двигателях внутреннего сгорания, тепловых машинах схем Яримова» автор-правообладатель М.О.Яримов, автор А.О.Яримов.
10. Заявка на изобретение №2003103900, «Способ работы двигателя по механическому циклу автора и двигатель автора», М.О.Яримов.
Двигатель внутреннего сгорания, содержащий, по меньшей мере, один цилиндр с размещенным в нем поршнем, выполняющим рабочий и обратный ход и связанным с кривошипно-шатунным механизмом с маховиком, при этом механизм выполнен дезаксиальным с рабочим ходом поршня, соответствующим углу поворота кривошипа, меньшему, чем при обратном перемещении, и с амплитудой механической характеристики механизма, смещенной в сторону максимальных значений давления рабочего тела при рабочем ходе поршня в процессе расширения, а также с прохождением процесса расширения при рабочем ходе с большей скоростью, чем при обратном ходе поршня, отличающийся тем, что он выполнен с накопителем энергии поступательно движущихся масс, поглощающим ее при приближении поршня к нижней мертвой точке, затем перемещающим его обратно после прохождения нижней мертвой точки, при этом контакт нижней части поршня с накопителем происходит при приближении поршня к нижней мертвой точке.
