Двигатель с впускными и выпускными окнами и клапанами
Изобретение относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является увеличение мощности на единицу массы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что в двухтактном двигателе каждые два цилиндра имеют общую камеру сгорания. Двигатель бесклапанный, с прямоточной продувкой, дозарядкой цилиндров воздухом (смесью) давлением выше атмосферного. В цилиндрах с одним коленчатым валом или двумя коленчатыми валами и общей камерой сгорания поршни двигаются синхронно и синхфазно, окна впускные и выпускные примерно на одном уровне. Клапаны впускные и выпускные, соответственно, установлены в впускных и выпускных каналах после окон, управление которыми обеспечивает прямоточную продувку и дозарядку. Клапаны не подвержены давлению при рабочем ходе в цилиндрах заявляемого двигателя. Цилиндры с общей камерой сгорания могут работать самостоятельно, а также объединяться в рядный двигатель, V-образный, W-образный, другие классические компоновки двигателей. 2 ил.
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания.
Разнообразие областей применения поршневых двигателей внутреннего сгорания обуславливает и разнообразие конструкций, размеров и массы их [2, стр. 9-13].
В качестве аналога можно представить двигатель, использующий патент РФ №2488703 или №2496014, двухтактный, бесклапанный, где каждые два цилиндра имеют общую камеру сгорания, и из них, по крайней мере, один цилиндр имеет дезаксиальный кривошипно-шатунный механизм. Двигатели с переменным углом запаздывания (опережения) между запаздывающей и опережающей поршневыми группами, имеющие примерно равные мощности цилиндров. К недостатку можно отнести только не традиционный, не классический блок цилиндров.
Наиболее близким по технической сути или прототипом является двигатель, предлагаемый патентом RU 2379531 C1, он поршневой, двухвальный, с противоположно движущимися поршнями, из них один поршень имеет центральный кривошипно-шатунный механизм, а другой - дезаксиальный кривошипно-шатунный механизм. Кривошип дезаксиального кривошипно-шатунного механизма смещен относительно центрального в направлении опережения на угол 15-30 градусов. Начало горения осуществляется при положении одного поршня вблизи верхней мертвой точки, а второго поршня, смещенного на угол 15-30 градусов поворота коленчатого вала, после верхней мертвой точки. Начало горения происходит при быстром увеличении объема между поршнями. Следовательно, снижается нарастание давления, жесткость работы двигателя [5]. Снижение жесткости работы двигателя важное значение имеет для двигателей большой мощности, но не так важно для двигателей средней и малой мощности, которых основная часть. В классическом двигателе внутреннего сгорания начало горения, впрыск топлива, подача искры зажигания осуществляется при положении поршня до верхней мертвой точки, что увеличивает время рабочего хода в общем времени цикла и увеличивает мощность. Недостатком технического решения, предлагаемого патентом RU 2379531 C1, является снижение мощности на единицу массы двигателя за счет уменьшения части времени рабочего хода в общем времени цикла, так как фаза горения происходит, когда поршень дезаксиального кривошипно-шатунного механизма смещен в направлении опережения на угол 15-30 градусов после верхней мертвой точки.
Задачей изобретения является, при сохранении достоинств аналога и прототипа, прямоточная продувка и дозарядка цилиндра воздухом давлением выше атмосферного, увеличение мощности на единицу массы при классической жесткости работы двигателя и классической конструкции блока цилиндров.
Указанный технический результат достигается тем, что заявляемый двигатель двухтактный, каждые два цилиндра имеют общую камеру сгорания, с прямоточной продувкой и дозарядкой цилиндров воздухом (смесью) давлением выше атмосферного. В цилиндрах с одним коленчатым валом или двумя коленчатыми валами и общей камерой сгорания поршни двигаются синхронно и синхфазно, окна впускные и выпускные примерно на одном уровне. Следовательно, мощности цилиндров примерно равны. Клапана впускные и выпускные, соответственно, установлены в впускных и выпускных каналах после окон, управление которыми обеспечивает прямоточную продувку и дозарядку воздухом или смесью давлением выше атмосферного. Клапаны не подвержены высокому давлению газов при рабочем ходе в цилиндрах заявляемого двигателя.
Кривошипно-шатунные механизмы поршней в цилиндрах с общей камерой сгорания одинаковые, аксиальные или дезаксиальные. Диаметры и рабочие объемы цилиндров с общей камерой сгорания могут быть равным или отличаться, но будут иметь примерно равные удельные мощности. Это позволит повысить мощность на единицу массы двигателя в отношении прототипа.
Сопоставимый анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый ДВИГАТЕЛЬ С ВПУСКНЫМИ И ВЫПУСКНЫМИ ОКНАМИ И КЛАПАНАМИ будет иметь выше мощность на единицу массы двигателя в сравнении с прототипом. Автору не известна подобная конструкция двигателя с цилиндрами по два, имеющими общую камеру сгорания, в которых поршни двигаются синхронно и синхфазно, а прямоточная продувка и дозарядка осуществляется впускными и выпускными клапанами, установленными во впускных и выпускных каналах после впускных и выпускных окон соответственно. Следовательно, заявляемое решение соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с прототипом позволило выявить в нем признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «Изобретательский уровень».
Сущность технического решения подтверждается чертежами (фиг. 1, фиг. 2), на которых представлены варианты конструкций ДВИГАТЕЛЯ С ВПУСКНЫМИ И ВЫПУСКНЫМИ ОКНАМИ И КЛАПАНАМИ и цилиндрами по два, имеющими общую камеру сгорания. На фиг. 1 - двигатель с двумя параллельными коленчатыми валами 11, 13 и одним способом осуществления прямоточной продувки и дозарядки, где цилиндр 1 с выпускными окнами 9 и поршнем 3, цилиндр 2 с впускными-выпускными окнами 10 и поршнем 4, выпускной клапан 5 в выпускном канале 7, перекидной клапан 6, поочередно открывающий или закрывающий выпускной канал 8 или впускной канал 12. Поршни 3 и 4 двигаются синхронно и синхфазно. При достижении поршнем 3 выпускных окон 9 выпускной клапан 5 открывает выпускной канал 7, а поршнем 4 впускных-выпускных окон 10 перепускной клапан 6 открывает выпускной канал 8. Происходит выпуск из двух цилиндров 1, 2 одновременно. Затем при открытом выпускном клапане 5 перекидной клапан 6 закрывает выпускной канал 8 и открывает впускной канал 12, происходит прямоточная продувка. Затем закрывается выпускной клапан 5 при открытом впускном канале 12, происходит дозарядка воздухом (смесью) давления выше атмосферного. Затем поршень 3 закрывает выпускные окна 9, а поршень 4 впускные-выпускные окна 10. Затем выпускной клапан 5 открывает выпускной канал 7, а перекидной клапан 6 закрывает впускной канал 12 и открывает выпускной канал 8, готовится следующий рабочий цикл.
На фиг. 2 - заявляемый двигатель с одним коленчатым валом 24 и другим способом осуществления прямоточной продувки и дозарядки, где цилиндр 14 с выпускными окнами 18 и поршнем 16, цилиндр 15 с впускными окнами 19 и поршнем 17, выпускной клапан 20 в выпускном канале 22, впускной клапан 21 во впускном канале 23. Поршни 16 и 17 двигаются синхронно и синхфазно. При достижении поршнем 16 выпускных окон 18, а поршнем 17 выпускных окон 19 выпускной клапан 20 открывает выпускной канал 22, происходит выпуск. Затем открывается впускной клапан 21 при открытом выпускном клапане 20, открывается впускной канал 23. Происходит прямоточная продувка двух цилиндров 14 и 15. Затем закрывается выпускной клапан 20 при открытом впускном клапане 21, происходит дозарядка воздухом (смесью) давлением выше атмосферного. Затем поршень 16 закрывает выпускные окна 18, а поршень 17 - впускные окна 19. Затем выпускной клапан 20 открывает выпускной канал 22, а впускной клапан 21 закрывает впускной канал 23, готовится следующий рабочий цикл.
Поршни 16 и 17 проходят верхние мертвые точки одновременно, следовательно, мощности цилиндров будут равными и больше, чем у прототипа. Следовательно, конструкция ДВИГАТЕЛЯ С ВПУСКНЫМИ И ВЫПУСКНЫМИ ОКНАМИ И КЛАПАНАМИ обеспечивает режим выпуска, прямоточной продувки, дозарядки цилиндров воздухом (смесью) давлением выше атмосферного, при схемах компоновки двигателя с двумя и одним коленчатыми валами и позволяет уравнять мощности цилиндров с общей камерой сгорания.
Следовательно, мощность на единицу массы ДВИГАТЕЛЯ С ВПУСКНЫМИ И ВЫПУСКНЫМИ ОКНАМИ И КЛАПАНАМИ больше, чем у прототипа, и примерно равна аналогам.
Для понимания сущности технического решения, предлагаемого автором, приведу подробное описание ДВИГАТЕЛЯ С ВПУСКНЫМИ И ВЫПУСКНЫМИ ОКНАМИ И КЛАПАНАМИ и цилиндрами по два, имеющими общую камеру сгорания. Кривошипно-шатунные механизмы поршней в этих цилиндрах одинаковые, аксиальные или дезаксиальные, и поршни двигаются синхронно и синхфазно. На фиг. 1 - заявляемый двигатель с двумя параллельными коленчатыми валами 11, 13 и одним способом осуществления прямоточной продувки и дозарядки, где цилиндр 1 с выпускными окнами 9 и поршнем 3, цилиндр 2 с впускными-выпускными окнами 10 и поршнем 4, выпускной клапан 5 в выпускном канале 7, перекидной клапан 6, поочередно открывающий или закрывающий выпускной канал 8 или впускной канал 12. Поршни 3 и 4 двигаются синхронно и синхфазно. При достижении поршнем 3 выпускных окон 9 выпускной клапан 5 открывает выпускной канал 7, а поршнем 4 впускных-выпускных окон 10 перепускной клапан 6 открывает выпускной канал 8. Происходит выпуск из двух цилиндров 1, 2 одновременно. Затем при открытом выпускном клапане 5 перекидной клапан 6 закрывает выпускной канал 8 и открывает впускной канал 12, происходит прямоточная продувка. Затем закрывается выпускной клапан 5 при открытом впускном канале 12, происходит дозарядка воздухом (смесью) давления выше атмосферного. Затем поршень 3 закрывает выпускные окна 9, а поршень 4 впускные-выпускные окна 10. Затем выпускной клапан 5 открывает выпускной канал 7, а перекидной клапан 6 закрывает впускной канал 12 и открывает выпускной канал 8, готовится следующий рабочий цикл. Поршни 3 и 4 проходят верхние мертвые точки одновременно, следовательно, мощности цилиндров будут равными и больше, чем у прототипа. На фиг. 2 заявляемый двигатель с одним коленчатым валом 24 и другим способом осуществления прямоточной продувки и дозарядки, где цилиндр 14 с выпускными окнами 18 и поршнем 16, цилиндр 15 с впускными окнами 19 и поршнем 17, выпускной клапан 20 в выпускном канале 22, впускной клапан 21 во впускном канале 23. Поршни 16 и 17 двигаются синхронно и синхфазно. При достижении поршнем 16 выпускных окон 18, а поршнем 17 впускных окон 19, выпускной клапан 20 открывает выпускной канал 22, происходит выпуск. Затем открывается впускной клапан 21 при открытом выпускном клапане 20, открывает впускной канал 23. Происходит прямоточная продувка двух цилиндров 14 и 15. Затем закрывается выпускной клапан 20 при открытом впускном клапане 21, происходит дозарядка воздухом (смесью) давления выше атмосферного. Затем поршень 16 закрывает выпускные окна 18, а поршень 17 впускные окна 19. Затем выпускной клапан 20 открывает выпускной канал 22, а впускной клапан 21 закрывает впускной канал 23, готовится следующий рабочий цикл. Поршни 16 и 17 проходят верхние мертвые точки одновременно, следовательно, мощности цилиндров будут равными и больше, чем у прототипа. В заявляемом двигателе с двумя или одним коленчатыми валами удельные мощности цилиндров с общей камерой сгорания примерно равны удельным мощностям аналогов.
Но аналоги имеют не классические, не традиционные блоки цилиндров, а заявляемый двигатель имеет классический, традиционный блок цилиндров, следовательно, технологичный в изготовлении. Но аналоги - это бесклапанные двигатели, а заявляемый двигатель имеет впускные и выпускные клапаны, хотя и не работающие под высоким давлением газов при рабочем ходе в цилиндрах двигателя.
Следовательно, конструкция ДВИГАТЕЛЯ С ВПУСКНЫМИ И ВЫПУСКНЫМИ ОКНАМИ И КЛАПАНАМИ обеспечивает режим выпуска, прямоточной продувки, дозарядки цилиндров воздухом (смесью) давлением выше атмосферного при широком диапазоне мощностей и классических схем компановки [2, стр. 9-13]. В заявляемом двигателе с двумя или одним коленчатыми валами удельные мощности цилиндров с общей камерой сгорания примерно равны.
Цилиндры с общей камерой сгорания могут работать самостоятельно, а также объединяться в рядный двигатель, V-образный, W-образный, I-образный и другие классические схемы компоновки двигателей, с прямоточной продувкой и дозарядкой цилиндров воздухом (смесью) давлением выше атмосферного, при этом клапаны не работают под давлением в цилиндрах при рабочем ходе. Для двигателей средней и особенно малой мощности, таких как автомобильные, тракторные и др., в которых жесткость работы не имеет особого значения, а мощность на единицу массы особенно важна.
Следовательно, мощность на единицу массы ДВИГАТЕЛЯ С ВПУСКНЫМИ И ВЫПУСКНЫМИ ОКНАМИ И КЛАПАНАМИ больше, чем у прототипа, и примерно такая как у аналогов, но блок цилиндров имеет традиционную конструкцию в отличие от аналогов, и что сделает производство его экономически эффективным.
Источники информации
1. А.Э. Симсон, А.З. Хомич и др. Двигатели внутреннего сгорания. Тепловозные дизели. Газотурбинные установки. - М.: Транспорт, 1980. 383 с.
2. А.С. Орлин, М.Г. Круглов и др. Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей. - М.: Машиностроение, 1984. 382 с.
3. А.С. Орлин, М.Г. Круглов и др. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. - М., Машиностроение, 1983. 374 с.
4. И.И. Артоболевский. Теория механизмов. - М.: Наука, 1967. 719 с.
5. А.В. Капустин и др. Патент RU №2379531 С1 от 12.05.2008 г.
6. Патенты РФ №2488703, №2496014.
Двигатель с впускными и выпускными окнами и клапанами двухтактный, с одним коленчатым или двумя коленчатыми валами, каждые два цилиндра имеют общую камеру сгорания, кривошипно-шатунные механизмы поршней в этих цилиндрах одинаковые, аксиальные или дезаксиальные и поршни двигаются синхронно и синхфазно, отличающийся тем, что для создания режима прямоточной продувки и дозарядки используются впускные и выпускные клапаны в каналах, входящих и выходящих из впускных и выпускных окон.
