Двигатель внутреннего сгорания
Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания. Технический результат заключается в уменьшении механических потерь при преобразовании возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Согласно изобретению двигатель внутреннего сгорания состоит из корпуса с неподвижно закрепленным цилиндром, в котором расположен поршень с шатуном, и коленчатого вала. Коленчатый вал проходит через корпус вертикально, а его колено расположено под острым углом к его оси. Поршень посредством шатуна шарнирно связан с лапой якоря, размещенного на колене коленчатого вала. При этом якорь выполнен в форме усеченного конуса, центр основания которого закреплен на карданной опоре над основанием корпуса таким образом, что основание якоря расположено под углом к основанию корпуса. Один край якоря постоянно касается расположенного на основании корпуса опорного обода, с которым зацеплен зубьями, расположенными радиально на нижней части основания якоря и на верхней части опорного обода. Опорный обод связан зубьями с регулирующей шестерней, расположенной между опорным ободом и коленчатым валом, с которым она также зацеплена зубьями. Возвратно-поступательное движение поршня приводит к качанию якоря, верхняя часть которого при этом вращает коленчатый вал, а нижняя часть вращает опорный обод, в результате опорный обод вращает регулирующую шестерню, которая вращает коленчатый вал. 8 ил.
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и может применяться на автомобильном, железнодорожном, воздушном, речном транспорте, на производстве в качестве силовых установок, а также в иных областях применения современных двигателей внутреннего сгорания.
В качестве наиболее близкого аналога выступают любые поршневые двигатели внутреннего сгорания, в которых энергия сгоревшей газовой смеси преобразуется в возвратно-поступательное движение поршня.
Основными причинами, препятствующими получению требуемого технического результата, в современных двигателях внутреннего сгорания являются:
- несовершенный механизм преобразования энергии поступательного движения поршня в энергию вращательного движения,
- неполное преобразование энергии сгоревших газов в поступательное движение поршня.
Так, «процессы сгорания, происходящие в двигателях внутреннего сгорания, позволяют выделить примерно половину энергии, заключенной в топливе, однако, проходя через все механизмы двигателя, эта половина уменьшается еще вдвое - сказываются механические потери». Гуськов. «Необычные двигатели». М., 1971.
Технический результат от применения заявленного изобретения заключается в уменьшении механических потерь при преобразовании возвратно-поступательного движения поршня, шатуна во вращательное движение коленчатого вала, в том числе в уменьшении «боковой силы», действующей через поршень на стенки цилиндра при возвратно-поступательном движении поршня.
Согласно изобретению двигатель внутреннего сгорания состоит из корпуса с неподвижно закрепленным цилиндром, в котором расположен поршень с шатуном, и коленчатого вала. Корпус выполнен в форме полусферы с горизонтальным основанием. Колено коленчатого вала расположено под острым углом к оси коленчатого вала, а шатун нижней частью крепится к якорю, который соединен с коленчатым валом. При этом якорь выполнен в форме усеченного конуса, центр основания которого закреплен на карданной опоре над основанием корпуса. Основание якоря расположено под углом к горизонтальному основанию корпуса. Один край якоря постоянно касается расположенного на основании корпуса опорного обода, с которым зацеплен зубьями, расположенными радиально на нижней части основания якоря и верхней части опорного обода. Опорный обод расположен горизонтально на роликах корпуса и связан зубьями, расположенными вертикально по внутренней окружности опорного обода, с зубьями регулирующей шестерни, ось которой нижней частью закреплена в основании корпуса, а верхней - в креплении. При этом регулирующая шестерня расположена между опорным ободом и коленчатым валом, с которым также зацеплена зубьями. Коленчатый вал проходит через корпус вертикально, а его колено проходит сквозь верхнюю часть якоря через отверстие, выполненное вдоль условной оси якоря. Поршень посредством карданной крестовины прикреплен к шатуну, в свою очередь прикрепленному также посредством карданной крестовины к лапе якоря. Поршень и шатун способны двигаться возвратно-поступательно в вертикальном направлении, качая якорь, верхняя часть которого при этом вращает коленчатый вал, а нижняя часть вращает опорный обод, в результате опорный обод вращает регулирующую шестерню, которая вращает коленчатый вал.
В двигателе внутреннего сгорания в отличие от двигателей внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом имеется такой элемент, как якорь 2, связывающий шатун 7 и коленчатый вал 5. Использование якоря 2 позволяет увеличить коэффициент полезного действия при преобразовании возвратно-поступательного движения поршня 6, шатуна 7 во вращательное движение коленчатого вала 5 до числа процентов, приближающегося к 100.
Поставленная задача решается в двигателе внутреннего сгорания при использовании якоря 2, над лапой 2-1 которого расположены шатун 7, поршень 6, цилиндр 8. При возвратно-поступательном движении поршня 6 в вертикальном направлении лапа якоря 2 совершает возвратно-поступательное движение в относительно вертикальном направлении по небольшому участку окружности с радиусом, равным радиусу основания якоря 2, в несколько раз превышающим длину участка возвратно-поступательного движения. При указанном соотношении шатун при движении лишь незначительно отклоняется от вертикали, вследствие чего уменьшается действие «боковой» силы на поршень к стенкам цилиндра, соответственно снижается сила трения поршня о цилиндр. Например, при наклоне плоскости якоря в 17 градусов относительно основания корпуса соотношения радиуса плоскости якоря (гипотенузы), радиуса основания корпуса (нижний катет) и высоты крепления якоря над основанием корпуса будут 25:24:7, соответственно при вертикальном положении шатуна он будет отклоняться от перпендикуляра к плоскости якоря примерно на 15 градусов, таким образом векторы общей силы газового взрыва F и полезной силы F1 будут расходиться незначительно, соответственно величина полезной силы F1 будет составлять примерно 96 процентов от величины общей силы F. Соответственно потери составят примерно 4 процента (см. фиг 8).
Якорь 2 в форме усеченного конуса закреплен наклонно под острым углом к горизонтальному основанию корпуса, и закрепленный таким образом способен:
- совершать каждой точкой окружности своего основания возвратно-поступательное («качательное») движение в относительно вертикальном направлении;
- при этом последовательно касаясь нижним краем основания якоря каждой следующей точки опоры по окружности, якорь 2 способен перемещаться относительно основания корпуса 1 по горизонтали;
- при таком «перекатывании» якоря 2, например, в направлении движения часовой стрелки происходит одновременное движение верхней части якоря 2 по окружности в этом же направлении, которое при подвижном закреплении по совпадающим осям якоря с коленом коленчатого вала 5 преобразуется в круговое движение коленчатого вала 5 в горизонтальной плоскости.
Система элементов цилиндр-поршень размещается вертикально над лапой якоря 2-1, таким образом, вектор силы газового взрыва приложен относительно перпендикулярно основанию якоря 2.
Один из радиусов основания якоря 2, проходящий через нижнюю (касающуюся опорного обода) точку, выполняет функцию опорной оси, через которую сила газового взрыва передается на колено коленчатого вала 5, ось которого совпадает с осью якоря 2 и всегда перпендикулярна каждому радиусу основания якоря 2. См. фиг.6.
Каждый следующий перпендикуляр от точки приложения силы газового взрыва (т.е. от точки крепления шатуна 7 к якорю 2 до указанной переменной оси играет роль рычага, посредством которого сила газового взрыва передается через переменную ось на колено коленчатого вала 5 по касательной к окружности вращения коленчатого вала 5. См. фиг.6, 7.
Моделируя указанный процесс, можно представить 3 условные моментальные окружности вращения:
1. Относительно вертикальная (наклонная) - окружность с центром вращения, расположенным на одной из точек «нижнего» радиуса основания якоря (переменной оси). В этой окружности радиусом является рычаг-перпендикуляр от точки приложения силы до переменной оси А-А1.
2. Условно-вертикальная окружность с центром в центре якоря и радиусом в виде оси якоря В-В1.
3. Горизонтальная - окружность вращения коленчатого вала С-С1.
Окружности 2 и 3 перпендикулярны нижнему радиусу (переменной оси) якоря, а потому параллельны, при этом конструктивно жестко связаны между собой.
В представленной модели сила, приложенная по касательной к окружности 1, полностью передается на окружность 2, от которой по касательной в совпадающих точках касания с горизонтальной окружностью 3 полностью передается на коленчатый вал.
В летательном аппарате, в отличие от других летательных аппаратов тяжелее воздуха, используется устройство двигателя внутреннего сгорания и машущие крылья, совершающие поочередно возвратно-поступательное движение в вертикальном направлении.
Наличие конструктивных элементов.
1. Корпус 1 в виде полусферы, в центре основания полусферы расположены два крепления под карданную крестовину 9-1 якоря 2, по окружности основания расположены несколько (три и более) роликов 12 под опорный обод 3, в верхней и нижней частях корпуса 1 по центру имеются вертикальные круглые отверстия для коленчатого вала 5.
2. Якорь 2 с расположенным по центру вертикально отверстием под коленчатый вал 5, двумя креплениями под центральную карданную крестовину 9-1, с двумя креплениями под карданную крестовину 9-3 шатуна 7, с зубьями, расположенными снизу по окружности якоря 2, радиально.
3. Опорный обод 3 с зубьями, расположенными на верхней части обода, радиально (для зацепления с зубьями якоря 2), и с зубьями, расположенными по внутренней окружности обода 3 вертикально (для зацепления с зубьями регулирующей шестерни 4).
4. Регулирующая шестерня 4, состоящая из двух шестерен - верхней малой 4-1 и нижней большой 4-2, жестко скрепленных по оси.
5. Коленчатый вал 5 с коленом, расположенным под острым углом к оси вала, с зубьями в нижней части вала, расположенными продольно оси вала.
6. Поршень 6 в виде закрытого сверху цилиндра с двумя креплениями под карданную крестовину 9-2 шатуна 7.
7. Шатун 7 с верхними и нижними креплениями под карданные крестовины 9-2 поршня и 9-3 лапы якоря 2-1.
8. Камера сгорания в форме цилиндра 8, закрытого сверху головкой цилиндра, в которой расположена форсунка 10.
Наличие связи между элементами.
Якорь 2 крепится на карданную крестовину 9-1 корпуса 1, одет верхней частью на колено коленчатого вала 5, зубья нижней части якоря 2 (который всегда наклонен) входят в зацепление с опорным ободом 3, якорь 2 через карданную крестовину 9-3 на лапе якоря 2-1 соединен с шатуном 7.
Коленчатый вал 5 проходит сквозь верхнее и нижнее вертикальные отверстия корпуса 1, колено проходит через якорь 2, зубьями зацеплен с регулирующей шестерней 4 (с ее нижней большой шестерней 4-2).
Регулирующая шестерня 4 соединяет опорный обод 3 и коленчатый вал 5: зубья малой шестерни 4-1 постоянно зацеплены с зубьями опорного обода 3, зубья большой шестерни 4-2 постоянно зацеплены с зубьями коленчатого вала 5.
Поршень 6 находится в цилиндре 8, крепится посредством карданной крестовины 9-2 к шатуну 7.
Шатун 7 крепится посредством карданной крестовины 9-3 к лапе якоря 2-1.
Взаимное расположение элементов.
Якорь 2 расположен в корпусе 1 по центру над опорным ободом 3 и одним краем основания (нижним) всегда касается опорного обода 3, при этом противоположный верхний край основания якоря 2 находится на максимальном расстоянии от опорного обода 3.
Коленчатый вал 5 проходит сквозь верхнее и нижнее вертикальные отверстия корпуса 1, колено проходит через отверстие якоря 2.
Опорный обод 3 расположен под якорем 2, в проекции якоря 2, часть зубьев опорного обода 3 всегда находится в зацеплении с частью зубьев нижнего края якоря 2. Регулирующая шестерня 4 расположена параллельно основанию корпуса 1, между опорным ободом 3 и коленчатым валом 5.
Цилиндр 8 и поршень 6 расположены над одной из точек окружности опорного обода 3, вертикально.
Форма выполнения элемента (элементов) или устройства в целом, в частности геометрическая форма.
Форма двигателя внутреннего сгорания в целом - полусфера.
1. Корпус 1 в виде полусферы, в центре основания полусферы расположены два крепления под карданную крестовину 9-1 якоря 2, по окружности основания расположены несколько (три и более) роликов 12 под опорный обод 3, в верхней и нижней частях корпуса 1 по центру имеются вертикальные круглые отверстия для коленчатого вала 5.
2. Якорь 2 в форме усеченного конуса с расположенным по центру перпендикулярно основанию якоря 2 отверстием под коленчатый вал 5, двумя креплениями под карданную крестовину 9-1 корпуса 1, с двумя креплениями на лапе якоря 2-1 под карданную крестовину шатуна 9-3, с зубьями, расположенными снизу по окружности якоря 2, радиально.
3. Опорный обод 3 с зубьями, расположенными в верхней части опорного обода 3, радиально и с зубьями, расположенными с внутренней стороны вертикально.
4. Регулирующая шестерня 4, состоящая из двух шестерен - верхней малой 4-1 и нижней большой 4-2, жестко скрепленных по оси.
5. Коленчатый вал 5, колено которого расположено под острым углом к оси вала.
6. Поршень 6 в виде закрытого сверху цилиндра с двумя креплениями под карданную крестовину 9-2 шатуна 7.
7. Шатун 7 с верхними и нижними креплениями под карданные опоры 9-2, 9-3 поршня 6 и лапы якоря 2-1.
8. Камера сгорания в форме цилиндра 8, закрытого сверху головкой цилиндра, в которой расположена форсунка 10.
Форма летательного аппарата в целом - выпуклый наклонный диск.
Форма выполнения связи между элементами двигателя внутреннего сгорания.
Якорь 2 связан с корпусом 1 через карданную крестовину 9-1, с шатуном 7 - через карданную крестовину 9-3.
Коленчатый вал 5 связан с корпусом 1 через вертикальные отверстия.
Опорный обод 3 лежит на роликах 12, связан с якорем 2 и регулирующей шестерней 4 через зубчатое зацепление.
Регулирующая шестерня 4 закреплена в корпусе 1: внизу - в отверстии основания корпуса 1, и в верхнем креплении 11; связана с опорным ободом 3 и с коленчатым валом 5 через зубчатое зацепление.
Поршень 6 связан с шатуном 7 через карданную крестовину 9-2.
Шатун 7 связан с якорем 2 через карданную крестовину 9-3.
Параметры и другие характеристики элемента (элементов) и их взаимосвязь.
Общая высота двигателя внутреннего сгорания примерно в 1,5 раза меньше его диаметра.
Радиус якоря 2 превышает радиус опорного обода 3 и соотносится с ним как гипотенуза с катетом в прямоугольном треугольнике, т.е. равен корню квадратному из суммы квадратов радиуса основания якоря и высоты от плоскости верхней части опорного обода 3 до центра карданной крестовины 9-1 якоря 2.
Высота карданной опоры 9-1 в основании корпуса 1 намного меньше радиуса основания якоря 2, при этом от отношения высоты опоры к радиусу якоря зависит коэффициент полезного действия (КПД) устройства. Уменьшение этого отношения пропорционально увеличению КПД устройства.
Высота якоря 2 примерно равна радиусу его основания, но может быть больше или меньше для оптимизации габаритности всего устройства и достижения необходимой центростремительной силы от вращения верхней части якоря 2.
Длина коленчатого вала 5 превышает высоту корпуса 1, колено расположено к оси вала под углом, равным углу, образуемому основанием якоря 2 и основанием корпуса 1.
Радиусы малой 4-1 и большой 4-2 шестерен регулирующей шестерни 4 должны быть таковы, чтобы обеспечивать равенство величины отношения скорости вращения опорного обода 3 к скорости вращения коленчатого вала 5 и величины отношения разницы длин радиусов основания якоря 2 и опорного обода 3 к длине радиуса опорного обода 3. (Например, если длины радиусов основания якоря 2 и опорного обода 3 соотносятся как 25 к 24, их разница составляет 1, соответственно скорости вращения опорного обода 3 и коленчатого вала 5 должны соотноситься как 1 к 24, что и должна обеспечить расположенная между ними регулирующая шестерня 4.)
Все элементы устройства могут быть выполнены из металлов и иных материалов, применяемых в современном двигателестроении.
Параметры и другие характеристики элемента (элементов) и их взаимосвязь в летательном аппарате.
Диаметр устройства может превышать высоту. Соотношение данных величин может влиять на устойчивость аппарата при полете.
Перечень фигур чертежей и иных материалов.
Фигура 1 - двигатель внутреннего сгорания, вид спереди.
Фигура 2 - двигатель внутреннего сгорания, вид сбоку.
Фигура 3 - двигатель внутреннего сгорания, вид сверху.
Фигура 4 - летательный аппарат, вид спереди.
Фигура 5 - летательный аппарат, вид сверху.
Фигура 6 - схема последовательных рычагов, исходящих от точки приложения силы, перпендикулярных переменному «опорному» радиусу основания якоря.
Фигура 7 - схема моделирования преобразования энергии возвратно-поступательного движения в энергию вращательного движения.
Фигура 8 - с изображением векторов силы общей и полезной.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
Двигатель внутреннего сгорания может быть построен исходя из общих принципов двигателестроения и уровня современной техники, т.к. не имеет каких-либо конструктивных элементов, изготовление которых требовало бы применения специальных технологий.
Двигатель внутреннего сгорания действует следующим образом. При нахождении поршня 6 в верхнем положении происходит процесс воспламенения газовой смеси (процесс сгорания), сила давления газов действует на головку поршня 6, шатун 7, лапу якоря 2-1, которая также находится в верхнем положении, в результате чего данные элементы начинают поступательное относительно вертикальное движение вниз, к крайнему нижнему положению, диаметрально противоположный край якоря 2 начинает двигаться в противоположном направлении - к крайней верхней точке, при этом место зацепления нижнего края якоря 2 с опорным ободом 3 начинает последовательно перемещаться по опорному ободу 3, в направлении к опускающейся лапе якоря 2-1, например, по движению часовой стрелки; при этом верхняя часть якоря 2 начинает перемещаться также в направлении движения часовой стрелки и увлекает за собой продетое сквозь нее колено коленчатого вала 5, вращая коленчатый вал 5. При достижении крайнего нижнего положения поршня 6, лапы якоря 2-1, происходит выпуск отработавших газов (через клапан или продувочное окно), после этого верхняя часть якоря 2, коленчатый вал 5 продолжают движение по инерции и место зацепления нижнего края якоря 2 с опорным ободом 3 последовательно перемещается в направлении движения часовой стрелки к диаметрально противоположной точке от точки, на которую опустилась лапа якоря 2-1, при этом лапа якоря 2-1, шатун 7 и поршень 6 начинают подниматься, при достижении поршнем 6 крайнего верхнего положения завершается процесс сжатия (если двигатель двухтактный), после чего повторяется вышеописанный процесс сгорания газовой смеси; либо завершается процесс выпуска (если двигатель четырехтактный), после чего по инерции следуют процессы впуска газовой смеси, ее сжатия, и повторяется вышеописанный процесс сгорания газовой смеси. При этом в случае вращения коленчатого вала 5 по часовой стрелке происходит одновременное вращение регулирующей шестерни 4 в противоположном направлении и движение опорного обода 3 в этом же направлении, но с гораздо меньшей скоростью, обеспечивающей не перемещение лапы якоря в горизонтальном направлении относительно корпуса.
Устройство нуждается в регулирующем механизме, поскольку одно из условий работы устройства - постоянный наклон якоря 2, при этом длина радиуса основания якоря 2 от центра якоря 2 до точки контакта с опорным ободом 3 превышает длину радиуса опорного обода 3 от условного центра опорного обода 3 до точки контакта с якорем 2 настолько, насколько длина гипотенузы превышает длину катета в прямоугольном треугольнике; соответственно длина окружности основания якоря 2 превышает длину окружности опорного обода 3 на величину, кратную отношению указанных радиусов; соответственно при постоянном зацеплении якоря 2 с опорным ободом при «перекатывании» якоря 2 по ободу он будет смещаться относительно обода за один полный оборот коленчатого вала 5 на величину, равную разнице длин вышеуказанных окружностей основания якоря 2 и опорного обода 3, в направлении вращения коленчатого вала 5. Учитывая, что цилиндр 8 жестко связан с корпусом 1, необходимо, чтобы лапа якоря 2-1, к которой крепится шатун 7 с поршнем 6, постоянно находилась в проекции цилиндра 8 и не перемещалась в направлении вращения коленчатого вала 5. Для этого применим регулирующий механизм, который за каждый оборот коленчатого вала 5 должен перемещать опорный обод 3 и зацепленный с ним (через зубчатое зацепление) якорь 2 в направлении, противоположном направлению вращения коленчатого вала 5, на расстояние, равное разнице длин вышеуказанных окружностей основания якоря 2 и опорного обода 3.
Двигатель внутреннего сгорания, состоящий из корпуса с неподвижно закрепленным цилиндром, в котором расположен поршень с шатуном, и коленчатого вала, отличающийся тем, что корпус выполнен в форме полусферы с горизонтальным основанием, колено коленчатого вала расположено под острым углом к оси коленчатого вала, а шатун нижней частью крепится к якорю, который соединен с коленчатым валом, при этом якорь выполнен в форме усеченного конуса, центр основания которого закреплен на карданной опоре над основанием корпуса, основание якоря расположено под углом к горизонтальному основанию корпуса, один край якоря постоянно касается расположенного на основании корпуса опорного обода, с которым зацеплен зубьями, расположенными радиально на нижней части основания якоря и верхней части опорного обода, опорный обод расположен горизонтально на роликах корпуса и связан зубьями, расположенными вертикально по внутренней окружности опорного обода, с зубьями регулирующей шестерни, ось которой нижней частью закреплена в основании корпуса, а верхней в креплении, при этом регулирующая шестерня расположена между опорным ободом и коленчатым валом, с которым также зацеплена зубьями, коленчатый вал проходит через корпус вертикально, а его колено проходит сквозь верхнюю часть якоря через отверстие, выполненное вдоль условной оси якоря, поршень посредством карданной крестовины прикреплен к шатуну, в свою очередь прикрепленному также посредством карданной крестовины к лапе якоря, поршень и шатун способны двигаться возвратно-поступательно в вертикальном направлении, качая якорь, верхняя часть которого при этом вращает коленчатый вал, а нижняя часть вращает опорный обод, в результате опорный обод вращает регулирующую шестерню, которая вращает коленчатый вал.
