Поршневой двигатель внутреннего сгорания

 

Использование: поршневые двигатели внутреннего сгорания. Сущность изобретения: двигатель может иметь различное число цилиндров, расположенных по окружности в дискообразном блоке цилиндров и параллельных осей рабочего вала, находящегося в центре блока цилиндров и снабженного основным и вспомогательным дисками. Горючая смесь приготавливается вне цилиндров /в карбюраторе/ и воспламеняется от высокой температуры, полученной в результате большой степени сжатия этой смеси в цилиндрах. Рабочий цикл двигателя протекает за четыре такта /впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск/. На такте рабочего хода образовавшиеся в результате детонации топливно-воздушной смеси газы перемещают поршни в цилиндрах, возвратно-поступательное движение которых при помощи основного и вспомогательного дисков, снабженных укосами, преобразуется во вращательное движение рабочего вала. Двигатель состоит из возвратно-поступательного и газорапределительного механизмов, систем охлаждения, смазки, питания и регулятора степени сжатия, обеспечивающего воспламенение различных видов топливовоздушной смеси от сжатия без системы зажигания и топливной аппаратуры. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания.

За прототип предложенного двигателя принят поршневой двигатель внутреннего сгорания известный по заявке ФРГ N 2500608, кл. F 02 B 75/26 1976 г.

Признаками, характеризующими прототип, являются: 1. Двигатель содержит блок цилиндров.

2. Головку блока.

3. Поршни.

4. Запальные свечи.

5. Камеры сгорания.

6. Устройство для приготовления топливно-воздушной смеси.

7. Главный и приводной валы с основным м вспомогательным дисками.

8. Дискообразная форма блока цилиндров.

9. Регулятор степени сжатия, содержащий 9a. Резьбовую втулку осевого перемещения главного вала.

9б. Главный вал с основным диском.

Принятый за прототип двигатель обладает следующими недостатками: 1. Сложность конструкции.

2. Необходимость использования строго определенных видов жидкого топлива.

3. Низкие КПД и мощность двигателя.

Система зажигания усложняет конструкцию двигателя и снижает его возможности. При попадании воды в систему зажигания ДВС перестает работать. Для работы карбюраторных двигателей, имеющих систему зажигания, используются только легкие фракции нефти.

Регулятор степени сжатия принятого за прототип двигателя может эффективно изменять степень сжатия только в очень узких пределах, так как степень сжатия изменяется за счет изменения объемов камер сгорания в цилиндрах ДВС. По этой причине регулятор такого типа нельзя использовать для воспламенения различных видов топливно-воздушной смеси без системы зажигания.

Взятый за прототип двигатель по вышеуказанным причинам для своей работы может использовать только легкие фракции нефти с различными октановыми числами.

Целью изобретения является устранение выше указанных недостатков, то есть создание поршневого двигателя упрощенной конструкции, без системы зажигания с воспламенением горючей смеси /приготавливаемой вне цилиндров/ от ее сжатия, работающего на всех видах жидкого топлива, применяемого в настоящее время для работы дизельных, карбюраторных и газовых поршневых двигателей, обладающего более высокими КПД и мощностью. Эта цель достигается тем, что в известном двигателе по заявке ФРГ N 2500608, кл. F 02 B 75/26, 1976 регулятор степени сжатия заменяется на регулятор степени сжатия, обеспечивающий управляемый процесс детонации различных видов топливно-воздушной смеси без системы зажигания, выполненный в виде перепускных каналов, сообщенных с цилиндрами, перепускных золотников, установленных с возможностью перекрытия перепускных каналов и штоков, связанных через резьбовые соединения с перепускными золотниками, а через шлицевые соединения с шестернями корректировки степени сжатия, причем, последние входят в зацепление с коронной шестерней, приводимой в действие червячным винтом.

Кроме того, поршни двигателя получают дополнительную кинематическую связь с укосами вспомогательного диска, клапаны дополнительно кинематически связываются с укосами основного диска, а штоки перепускных золотников кинематически связываются с укосами основного и вспомогательного дисков.

Использование детонации для работы ДВС позволит: а/ воспламенять различные виды топливно-воздушной смеси в цилиндрах двигателя без системы зажигания и топливной аппаратуры; б/ увеличить КПД и мощность двигателя за счет использования при детонации обедненной топливно-воздушной смеси, а также уменьшения тепловых потерь на тактах рабочего хода.

Признаками, характеризующими предложенный двигатель внутреннего сгорания, являются: 1. Двигатель содержит блок цилиндров.

2. Головку блока.

3. Поршни.

4. Отсутствует система зажигания, воспламенение топливно-воздушной смеси от сжатия в цилиндрах.

5. Камеры сгорания.

6. Устройство для приготовления топливно-воздушной смеси.

7. Рабочий вал с основным и вспомогательным дисками.

8. Дискообразная форма блока цилиндров.

9. Регулятор степени сжатия, содержащий: 9a. Перепускные каналы сообщенные с цилиндрами.

9б. Перепускные золотники.

9в. Штоки перепускных золотников.

9г. Шестерни корректировки степени сжатия.

9д. Коронная шестерня.

9е. Червячный винт.

Признаки 1, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9 являются общими с признаками прототипа.

Признаки 4, 9а, 9б, 9в, 9г, 9д, 9е являются новыми отличительными, а также существенными, так как использование именно этих признаков позволяет достичь поставленную цель.

На фиг. 1 изображен продольный разрез двигателя; на фиг. 2 разрез по А-А фиг. 1; на фиг. 3 кинематическая схема двигателя; на фиг. 4 такт впуска; на фиг. 5 такт сжатия; на фиг. 6 такт рабочего хода; на фиг. 7 - продувка цилиндра; на фиг. 8 регулятор степени сжатия.

Двигатель состоит из возвратно-поступательного и газораспределительного механизмов, систем охлаждения, смазки, питания и регулятора степени сжатия в цилиндрах.

Возвратно-поступательный механизм предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала. Он состоит из подвижных и неподвижных деталей. К неподвижным деталям - поршни 2, поршневые кольца 3, штоки поршней 4, шаровые толкатели поршней 5, а также рабочий вал 6 с основным 7 и вспомогательным 8 дисками.

Блок цилиндров 1 является остовом двигателя. На нем и внутри него размещаются механизмы и устройства двигателя. Он представляет собой расположенную по окружности группу цилиндров 9 /фиг. 2/ боковые стороны которых параллельны оси рабочего вала 6. В центре блока цилиндров /фиг. 1/ находятся опоры для подшипников 10 рабочего вала двигателя.

Штоки поршней 4 с шаровыми толкателями поршней 5 служат для соединения поршней 2 с дисками рабочего вала и передачи между ними. Рабочий вал 6 воспринимает усилия с основного 7 и вспомогательного 8 дисков и передает создаваемый на нем крутящий момент трансмиссии транспортного средства. От него также приводятся в действие различные механизмы двигателя /газораспределительный механизм, масляный насос, водяной насос и т.д./.

Газораспределительный механизм служит для впуска в цилиндры двигателя горючей смеси и выпуска из цилиндров отработанных газов. Газораспределительный механизм /фиг. 3/ включает в себя рабочий вал 6 с основным 7 и вспомогательным 8 дисками, впускные 11 и выпускные 12 золотниковые клапаны, штоки золотников 13, шаровые толкатели золотников 14.

Рабочий вал 6 с основным 7 и вспомогательным 8 дисками обеспечивают своевременное открытие и закрытие клапанов.

Система зажигания в существующих поршневых ДВС, служит для воспламенения рабочей смеси в цилиндрах в соответствии с порядком и режимом работы двигателя. В предлагаемом двигателе функцию системы зажигания выполняет регулятор степени сжатия топливно-воздушной смеси в цилиндрах /фиг. 8/. Он включает в себя: главные перепускные золотники 15, штоки главных перепускных золотников 16, шаровые толкатели главных перепускных золотников 17, шестерни корректировки степени сжатия 19, коронную шестерню 20, червячный винт 21.

Предлагаемый двигатель работает следующим образом: производится запуск двигателя при помощи стартера вращающего через зубчатый венец 22 /расположенный на вспомогательном диске 8/, рабочий вал двигателя 6 по часовой стрелке /фиг. 1, 3/. Укос 23 вспомогательного диска 8 набегает на шаровой толкатель 5, который через шток 4 начинает передвигать поршень 2 от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. В этот момент все каналы закрыты кроме впускного канала 26 /фиг. 1, 4/. Топливно-воздушная смесь из карбюратора /фиг. 1/ через всасывающий коллектор 25 и канал 26 в блоке цилиндров 1, поступает в цилиндр двигателя наполняя его.

С началом движения поршня 2 в сторону нижней мертвой точки, шаровый толкатель 17, через шток 16, воздействуя на главный перепускной золотник 15, постепенно открывает перепускной канал 27 и к концу такта "впуск" полностью открывает его.

При сжатии смеси /фиг. 3, 5/ укос 28 основного диска 7, набегает на шаровый толкатель 5, который через шток 4 передвигает поршень 2 от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке. Укос 29 вспомогательного диска 8, воздействуя на шаровый толкатель 14, через шток 13, открывает выход перепускного канала 27, закрыв при этом впускной 26 и выпускной 30 каналы. Одновременно с движением поршня 2 от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, укос 31 основного диска 7, воздействуя на шаровый толкатель 17 и шток 16, начинает перемещать главный перепускной золотник 15, постепенно перекрывая вход перепускного канала 27 до его полного закрытия.

Для каждого вида применяемой топливно-воздушной смеси регулятором устанавливается своя степень сжатия, при которой на такте "рабочий ход" в верхней мертвой точке происходит детонация горючей смеси и газы, образовавшиеся в цилиндре /в результате детонации топлива/, фиг. 1, 3, через поршень 2, шток 4 и толкатель 5, воздействуя на укос 32 основного диска 7, повернут рабочий вал двигателя в нужном направлении.

В конце такта "рабочий ход" /фиг. 1, 3, 6, 7/ укос 33 вспомогательного диска 8 через толкатель 14 и шток 13 закрывает золотником 11 впускной 26 и золотником 18 перепускной 27 каналы, открыв при этом выпускной канал 30. В этот момент перепускной канал 27 также закрыт золотником 15. Отработанные газы через выпускной канал 30 попадают в выхлопной коллектор 34, после чего начинается продувка цилиндра. По окончанию продувки весь процесс повторяется заново в той же последовательности.

Для плавности работы ДВС между торцами поршневых штоков и шаровыми толкателями необходимо поставить демпферные пружины, которые будут гасить резкие импульсные толчки газов передаваемые через поршни и их штоки толкателям, воздействующим на укосы основного и вспомогательного дисков. Правильно выбранные формы укосов основного и вспомогательного дисков, а также величины диаметров дисков будут играть значительную роль в работе двигателя. Укос основного диска, действующий на шаровый толкатель поршня на такте сжатия должен быть пологим. Укос этого же диска, кинематически связанный с шаровым толкателем поршня, на такте рабочего хода в верхней части укоса должен быть крутым, а со средней части пологим, принимающим дугообразно вогнутый вид.

Предназначение, цель и принцип действия регулятора степени сжатия /фиг. 8/ Регулятор степени сжатия предназначен для изменения степени сжатия рабочей смеси в цилиндрах двигателя в широких пределах с целью создания управляемого процесса детонации горючей смеси в цилиндрах этого двигателя.

Исходя из того, что изменение величины степени сжатия в цилиндре предложенного двигателя зависит от размера поперечного сечения канала 27 и продолжительности его открытия, а также того, что ход штока 16 и размер поперечного сечения перепускного канала 27 величины постоянные, очевидно, что продолжительность закрытия перепускного канала 27 и изменение размера его поперечного сечения полностью зависят от места расположения главного перепускного золотника 15 на оси штока 16. Изменение степени сжатия в цилиндрах будет осуществляться следующим образом: вращение червячного винта 21, через коронную шестерню 20 и шестерни корректировки 19, через шлицевую часть 35, приведет во вращение штоки 16, соединенные резьбовыми частями 36, 37 с главными перепускными золотниками 15. Главный перепускной золотник 15 по наружному краю снабжен шлицами 38, исключающими возможность его вращения в гильзе 39. Вращение штоков 16 вызовет перемещение золотников 15 относительно осей этих штоков. При максимальной степени сжатия перепускной канал 27 будет постоянно закрыт главным перепускным золотником 15, путем его перемещения по штоку 16 в крайнее положение по направлению в сторону верхней мертвой точки поршня 2. При минимальной степени сжатия, главный перепускной золотник 15 будет смещен по штоку 16 в крайнее положение по направлению в сторону нижней мертвой точки поршня 2.

Таким образом, в зависимости от необходимой для воспламенения степени сжатия топливно-воздушной смеси в цилиндрах двигателя, главный перепускной золотник 15 может начинать свое движение с любой точки поперечного сечения перепускного канала 27, тем самым изменяя размер сечения перепускного канала 27 и время его полного переключателя.

Использование детонации для работы ДВС, позволит снизить тепловые потери двигателя, благодаря огромной скорости распространения пламени, приводящей к сокращению времени контакта раскаленных газов с гильзами цилиндров и уменьшению площади теплоотдачи в момент максимальной температуры газов в цилиндрах двигателя.

Предложение использовать в поршневых двигателях с блоком цилиндров дискообразной формы и рабочим валом, снабженным основным и вспомогательным дисками, регулятор степени сжатия, обеспечивающий детонацию различных видов топливно-воздушной смеси /приготавливаемой вне цилиндров/ без системы зажигания позволит упростить конструкцию двигателя, повысить его КПД и мощность, а также применять различные виды топлива /бензин, керосин, газ, дизтопливо и т.д./.

Формула изобретения

1. Поршневой двигатель внутреннего сгорания, предназначенный для преобразования тепловой энергии в механическую, содержащий блок цилиндров, головку блока цилиндров, поршни, впускные и выпускные клапаны, устройство для приготовления топливно-воздушной смеси, круглый рабочий вал с основным и вспомогательным дисками, имеющими укосы и регулятор степени сжатия, причем блок цилиндров выполнен в виде диска, в центре которого размещены опоры подшипников рабочего вала, группа цилиндров расположена по окружности и параллельна оси рабочего вала, поршни кинематически связаны с укосами основного диска, а клапаны с укосами вспомогательного диска, отличающийся тем, что регулятор степени сжатия обеспечивает воспламенение различных видов топливно-воздушной смеси от сжатия без системы зажигания и выполнен в виде перепускных каналов, сообщенных с цилиндрами, перепускных золотников, установленных с возможностью перекрытия перепускных каналов и штоков, связанных через резьбовые соединения с перепускными золотниками, а через шлицевые соединения с шестернями корректировки степени сжатия, причем последние входят в зацепление с коронной шестерней, приводимой в действие червячным винтом.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что поршни имеют дополнительную кинематическую связь с укосами вспомогательного диска, клапаны имеют дополнительную кинематическую связь с укосами основного диска, а штоки перепускных золотников кинематически связаны с укосами основного и вспомогательного дисков.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8