Однотактный двигатель внутреннего сгорания
Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в качестве силовых установок в транспортных средствах, в мобильных и стационарных устройствах, вырабатывающих энергию. Двигатель внутреннего сгорания имеет, по меньшей мере, один рабочий цилиндр с движущимся внутри него поршнем, имеющим два противоположно расположенных днища, устройство для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала, которое производит данное преобразование через технологические прорези в цилиндре при помощи нескольких шатунов, две прикрепленные к противоположным торцам рабочего цилиндра камеры сгорания, устройство нагнетания, обеспечивающее сжатие атмосферного воздуха для последующего приготовления горючей смеси и заполнения ей камер сгорания с заданными параметрами температуры и давления, газораспределительный механизм, обеспечивающий прохождение за время одного такта процессов выпуска отработанных газов и впуска сжатого заряда горючей смеси с одной стороны рабочего цилиндра и процессов сгорания и перепуска расширяющихся газов из внутреннего объема камеры сгорания во внутренний объем рабочего цилиндра с противоположной стороны этого рабочего цилиндра. Техническим результатом является повышение КПД двигателя. 4 ил.
Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в качестве силовых установок, как в транспортных средствах (катерах и кораблях, легковых и грузовых автомобилях, автобусах самолетах и пр.) так и в мобильных и стационарных устройствах, вырабатывающих энергию и (или) совершающих работу (бензогенераторы, компрессоры, насосы и пр.).
Известен классический четырехтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС), состоящий из кривошипно-шатунного механизма, поршневой пары (поршень в цилиндре), устройства смесеобразования и механизма газораспределения (Политехнический словарь. Гл. ред. акад. И.И. Артоболевский. М.: Советская энциклопедия, 1976, с. 132). В цилиндре, во время вращения коленвала, по очереди протекают 4 такта: впуск, сжатие, сгорание смеси с выполнением полезной механической работы (т.н. рабочий ход) и выпуск.
Недостатками устройства являются: недостаточная эффективность процесса использования энергии сгорающих газов (низкая степень расширения), обусловленная одинаковым числом степени сжатия и степени расширения, низкая литровая мощность, обусловленная только одним рабочим ходом из четырех ходов поршня (тактов), необходимость использования топлива с высокой детонационной стойкостью из за увеличения температуры рабочей смеси при увеличении степени сжатия.
Известен также классический двухтактный двигатель внутреннего сгорания (Политехнический словарь. Гл. ред. акад. И.И. Артоболевский. М.: Советская энциклопедия, 1976, с. 132) содержащий цилиндр с возвратно-поступательно движущимся поршнем, совмещающий в половине одного такта поршня впуск - сжатие, в половине другого рабочий ход, в следующей половине второго и первой половине следующего (т.е. первого) такта выпуск и перепуск с продувкой объема цилиндра и создание разряжения для обеспечения впуска.
Достоинствами данного двигателя являются простота и относительно высокая литровая мощность. Недостатками: очень низкий КПД, необходимость введения смазки в топливо и, соответственно, низкая экономичность, экологичность и долговечность.
Из указанных типов двигателей, более близким предлагаемому, является четырехтактный ДВС.
Цель изобретения: повысить коэффициент полезного действия поршневого двигателя внутреннего сгорания, более чем двукратно повысить литровую мощность, обеспечить возможность работы двигателя на различных сортах топлива, а также упростить и удешевить его конструкцию.
Для достижения этой цели, предлагается конструкция двигателя внутреннего сгорания, работающего по циклу Карно и совершающего полный рабочий цикл за один последовательный ход поршня из одной мертвой точки (МТ) в другую МТ соответственно (один такт).
Основным отличием предлагаемого двигателя от традиционных, является конструкционная изоляция (отделение) внутреннего объема рабочего цилиндра от внутренних объемов двух расположенных с противоположных сторон (торцов) рабочего цилиндра камер сгорания, при том, что внутренний объем каждой из камер сгорания имеет сообщение с внутренним объемом рабочего цилиндра через перепускное устройство (например, клапан). Дополнительно, каждая камера сгорания имеет впускное устройство (например, клапан), через который производится ее заполнение зарядом сжатой горючей смеси под необходимым для данного топлива и режима работы двигателя давлением и температурой (в последующем данный процесс будет называться нагнетанием), а рабочий цилиндр имеет два расположенных с разных сторон выпускных устройства (клапана), предназначенных для осуществления процессов выпуска выхлопных газов при поступательном движении поршня от одной из мертвых точек (МТ) к другой.
Для выполнения функции нагнетания, предлагается использовать специальное устройство, которым может быть, как отдельное (внешнее) устройство (например: каскад турбин, компрессор …), так и дополнительная цилиндропоршневая группа, выполненная в одном блоке с рабочим цилиндром рассматриваемого двигателя.
Приготовление горючей смеси, для последующего ее нагнетания в камеру сгорания и воспламенение этой горючей смеси, предлагается производить различными известными из современного уровня техники устройствами (механический или электронный впрыск, карбюратор, батарейная, электронная или любая другая система зажигания и т.д.).
Для смазки трущихся деталей и охлаждения двигателя, а также для выпуска отработанных газов, так же могут использоваться любые из известных систем смазки, охлаждения и выпуска традиционных ДВС.
Так как в конструкции предлагаемого двигателя степень расширения газов определяется геометрическими размерами цилиндропоршневой группы, камер сгорания и величиной хода поршня, а степень сжатия рабочей смеси определяется параметрами нагнетательного устройства и не зависит от геометрических параметров двигателя, то при работе такого ДВС степень расширения может существенно отличаться от степени сжатия.
В конечном итоге, реализация в двигателе различия степеней сжатия и расширения (за счет передачи функции сжатия (нагнетания) отдельному устройству), совместно с выводом процесса впуска уже сжатой горючей смеси в отделенную от объема рабочего цилиндра камеру сгорания, позволили выполнить за один проход поршня (такт) все процессы цикла работы традиционного ДВС, а именно:
- процесс заполнения при закрытом перепускном устройстве объема камеры сгорания сжатой топливовоздушной смесью (аналогично процессам впуска и сжатия в классическом, 4-тактном ДВС);
- процесс выпуска (выхлоп), происходящего в этот момент в смежном с объемом заполняемой камеры сгорания объеме рабочего цилиндра (при закрытом перепускном устройстве);
- процесс сгорания и расширения (рабочего хода), происходящего в этот момент в противоположных объемах камеры сгорания и рабочего цилиндра (при открытом перепускном устройстве).
Все это, в совокупности, предназначено обеспечить достижение следующих результатов:
1. Повышение КПД за счет более полного использования тепловой энергии сгорания топлива в рабочем цикле (совершение большей полезной работы расширяющимися газами за счет высокой степени расширения).
2. Повышение литровой мощности более чем в два раза (относительно традиционного четырехтактного ДВС) - происходящее за счет совершения полезной работы в каждом такте, что в четыре раза чаще, чем в традиционном четырехтактном ДВС, а также за счет более полного использования теплоты сгорания топлива при высокой степени расширения.
3. Возможность использования дешевого топлива с низким октановым числом, без ухудшения экономических и экологических характеристик двигателя, обеспечиваемое возможностью уменьшения температуры нагнетаемого в камеру сгорания воздуха, за счет выполнения процесса сжатия отдельным устройством.
4. Удешевление конструкции двигателя, осуществляемое за счет уменьшения массы, габаритов и количества деталей, при одинаковой с традиционным двигателем мощности.
Для описания конструкции и принципа работы предлагаемого ДВС, из известных устройств и механизмов, обеспечивающих работу двигателя, будут взяты следующие:
- в качестве устройства нагнетания горючей смеси под давлением - воздушный компрессор с приводом от электродвигателя;
- в качестве устройства для приготовления горючей смеси - электронный впрыск бензина;
- в качестве устройства воспламенения рабочей смеси - запальная искровая свеча;
- в качестве устройства преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала - кривошипно-шатунный механизм (коленчатый вал) с системой шатунов;
- в качестве устройства, регулирующего газодинамические процессы двигателя -газораспределительный механизм, состоящий из распределительных валов и клапанов.
Устройство и порядок работы предлагаемого ДВС поясняют прилагаемые эскизы (см. фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4).
Для пояснения устройства двигателя на эскизах (фиг. 1, фиг. 4) изображены:
1. Камера сгорания
2. Форсунка топливная
3. Впускное устройство (впускной клапан)
4. Запальная свеча
5. Перепускное устройство (перепускной клапан)
6. Выпускное устройство (выпускной клапан)
7. Поршневой палец
8. Рабочий цилиндр
9. Выхлопной патрубок
10. Шатунная вилка
11. Шатун опорный
12. Шатун кривошипа
13. Кривошип (коленчатый вал)
14. Технологическая прорезь в цилиндре (в данном варианте рабочий цилиндр имеет две прорези с противоположных сторон, для обеспечения свободы движения поршня с поршневым пальцем и шатунной вилкой в цилиндре)
15. Внутренний объем рабочего цилиндра
16. Корпус камеры сгорания (головка цилиндра)
17. Поршень с противоположно расположенными днищами (далее - поршень)
Для пояснения принципа работы двигателя на эскизах (фиг. 2, фиг. 3) стрелками изображены направления движения деталей и газов.
Предлагаемый к рассмотрению двигатель работает следующим образом.
Так как при работе ДВС с разных сторон рабочего цилиндра происходят одинаковые, но сдвинутые по времени на один такт процессы, детальное рассмотрение происходящих процессов будет произведено только для одной, а именно для правой стороны рабочего цилиндра.
При подходе поршня 17 к мертвой точке МТ-1 (фиг. 1, часть цилиндра справа) на величину опережения зажигания, искрой запальной свечи 4 в камере сгорания 1 производится воспламенение предварительно поданной туда сжатой горючей смеси, образованной за счет смешивания подаваемых под давлением воздуха из нагнетателя и топлива из форсунки топливной 2. В этот момент, впускное устройство 3 газораспределительного механизма камеры сгорания 1 и выпускное устройство 6 закрываются, а перепускное устройство 5 продолжает находиться в закрытом положении.
При прохождении поршнем положения МТ-1, начинает открываться перепускное устройство 5, которое перепускает горящие, расширяющиеся газы во внутренний объем правой стороны рабочего цилиндра 15. Поступающие в этот внутренний объем рабочего цилиндра 15 продукты сгорания, начинают давить на поршень 17 и производят полезную работу цикла расширения при поступательном движении поршня к положению МТ-2 (фиг. 2, правая часть ДВС).
При подходе поршня 17 к МТ-2, на величину угла опережения открытия выпускного устройства 6 и впускного устройства 3, последние начинают открываться. При этом, закрытие перепускного устройства 5, происходит несколько позднее прохождения поршнем МТ-2. Так как процессы открытия впускного устройства 3 и выпускного устройства 6 начинаются немного ранее прохождения поршнем МТ-2, то в момент прохождения поршнем МТ-2 в двигателе начинает производиться продувка камеры сгорания 1 и выпуск отработавших газов из цилиндра (для правой стороны, как, см. фиг. 1 - положение устройств газораспределения (клапанов) слева).
После прохождения поршнем МТ-2, выпускное устройство 6 рабочего цилиндра 8 и впускное устройство 3 камеры сгорания 1 остаются открытыми, а перепускное устройство 5 закрывается. Этим обеспечивается выпуск отработанных газов из внутреннего объема рабочего цилиндра 15 и нагнетание горючей смеси в камеру сгорания 1 (фиг. 3, правая часть ДВС). В дальнейшем, при подходе поршня к МТ-1, происходит закрытие выпускного и впускного устройств и цикл повторяется. С противоположной стороны поршня, в это время, происходят точно такие же процессы, но со сдвигом фазы на 180° поворота кривошипа (один такт).
Таким образом, за каждые пол оборота коленчатого вала (такт), в предлагаемом ДВС будет производиться полный цикл работы.
Двигатель внутреннего сгорания, совершающий полный рабочий цикл за один последовательный ход поршня из одной мертвой точки в другую, имеющий, по меньшей мере, один рабочий цилиндр с движущимся внутри него и имеющим два противоположно расположенных днища поршнем,
имеющий устройство для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала, которое производит данное преобразование через технологические прорези в цилиндре при помощи нескольких шатунов,
имеющий две прикрепленные к противоположным торцам рабочего цилиндра камеры сгорания, внутренний объем каждой из которой сообщается со смежным внутренним объемом рабочего цилиндра через перепускное устройство,
имеющий устройство нагнетания, которое сообщается с внутренними объемами камер сгорания через впускные устройства, обеспечивающее сжатие атмосферного воздуха для последующего приготовления горючей смеси и заполнения ей камер сгорания с заданными параметрами температуры и давления,
имеющий газораспределительный механизм, который осуществляет управление перепускными, впускными и выпускными устройствами, обеспечивающими прохождение за время одного такта процессов выпуска отработанных газов и впуска сжатого заряда горючей смеси с одной стороны рабочего цилиндра и процессов сгорания и перепуска расширяющихся газов из внутреннего объема камеры сгорания во внутренний объем рабочего цилиндра с противоположной стороны этого рабочего цилиндра.
