Кривошипно-поршневой двигатель внутреннего сгорания
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к четырехтактным двигателям внутреннего сгорания как стационарных, так и мобильных энергетических установок. Технический результат заключается в возможности повышения эффективного КПД четырехтактного двигателя. Согласно изобретению двигатель содержит, по меньшей мере, один цилиндр, снабженный впускным и выпускным клапанами, и поршень, соединенный посредством шатуна, с кривошипом коленчатого вала. При этом в отверстии нижней головки шатуна размещен составной эксцентриковый диск со смещенным относительно его центра отверстием, которое охватывает кривошип коленчатого вала. Причем диск установлен с возможностью вращения относительно кривошипа коленчатого вала и нижней головки шатуна. Плоскость разъема диска расположена в горизонтальной или вертикальной плоскости сечения, проходящей через центр его отверстия. Для облегчения диска симметрично его отверстию также выполнено дополнительное серповидное отверстие. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.
Изобретение относиться к области машиностроения, в частности к четырехтактным двигателям внутреннего сгорания как стационарных, так и мобильных энергетических установок.
Широко известен четырехтактный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), у которого топливо сгорает непосредственно в цилиндре. В результате сгорания образуются газообразные продукты, имеющие высокие давление и температуру. Давление данных газообразных продуктов сгорания воздействует на поршень, находящийся в цилиндре, и приводит его в прямолинейное движение, которое преобразуется во вращательное движение коленчатого вала двигателя посредством кривошипно-шатунного механизма (см. Политехнический словарь, издание третье. - М.: Советская энциклопедия, 1989, с.141-142).
Данный двигатель имеет довольно низкую скорость протекания процессов, что связано с тем, что линейная скорость у центра вала невелика. Очевидно, чтобы осуществить полный цикл в четырехтактном двигателе, приходиться совершать два оборота, т.е. 720
поворота коленчатого вала, а это в свою очередь снижает агрегатную мощность двигателя.
Известен также ДВС, у которого топливо также сгорает непосредственно в цилиндре. В результате сгорания образуются газообразные продукты, имеющие высокие давление и температуру. Давление данных газообразных продуктов сгорания воздействует на поршень, находящийся в цилиндре, но прямолинейное движение поршня преобразуется во вращательное движение вала двигателя с помощью внутренней части обода колеса (см. патент Великобритании №474674, МПК F 01 В 1/06, 01.11.1937).
Это позволило удалить точку приложения силы от центра вала на значительное расстояние и тем самым увеличить линейную скорость механизма, осуществляющего управление процессами, таким образом производить несколько полных циклов каждым рабочим цилиндром за один оборот вала, что в итоге несколько повысило КПД двигателя, но значительно усложнило конструкцию. Однако и у данного ДВС рабочий такт в процессе протекает медленно, поэтому большая часть внутренней энергии рабочего тела превращается в тепловую и переходит в охлаждающую жидкость, а известно, что отношение теплоты, превращенной в полезную работу, к теплоте, которая могла бы выделиться при сгорании топлива в двигателе, называется эффективным коэффициентом полезного действия (КПД), что является важной характеристикой двигателя.
Наиболее близким по конструкции аналогом к заявленному двигателю относится устройство, описанное в патенте Великобритании №348163, МПК F 16 Н 31/32, 07.05.1931), содержащее цилиндр с поршнем, передающим крутящий момент на вал посредством кривошипно-шатунного механизма, в отверстии нижней головки шатуна которого установлен составной из двух частей эксцентриковый диск со смещенным от его центром отверстием, охватывающим кривошип коленчатого вала и соединенный посредством штифта с телом нижней головки шатуна.
Однако и данный двигатель при работе не позволяет обеспечить высокий эффективный КПД, так как соединение эксцентрикового диска с головкой шатуна не позволяет уменьшить скорость движения поршня во время такта впуска относительно скорости такта рабочего хода, что не обеспечивает высокую полноту сгорания топлива.
Задачей изобретения является повышение эффективного КПД четырехтактного ДВС при одновременном снижении шума при его работе.
Указанный технический результат достигается за счет того, что кривошипно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержит, по меньшей мере, один цилиндр, снабженный впускным и выпускным клапанами и размещенным внутри него поршнем, соединенным посредством шатуна, имеющего нижнюю головку, с кривошипом коленчатого вала, при этом в отверстии нижней головки шатуна размещен составной из двух частей эксцентриковый диск со смещенным относительно его центра отверстием, охватывающим кривошип коленчатого вала, причем диск установлен с возможностью вращения относительно кривошипа коленчатого вала и нижней головки шатуна, плоскость разъема диска расположена в горизонтальной или вертикальной плоскости сечения, проходящей через центр его отверстия, а диаметр диска расчитывают, используя равенство: D=2L+d+S-Sn, где D - диаметр диска; d - диаметр кривошипа коленчатого вала; L - наименьшее расстояние от наружного диаметра диска до края его отверстия; S - полный ход поршня при такте рабочий ход; Sn - короткий ход поршня при такте впуск. Расстояние L в зависимости от мощности двигателя выбирают равным от 3 до 4 мм, все другие указанные выше величины равенства также должны измеряться в миллиметрах. В диске симметрично его отверстию может быть выполнено дополнительное серповидное отверстие для облегчения диска и снижения инерционной силы.
Изобретение поясняется графическим материалом, где на фиг.1 представлен общий вид ДВС, на фиг.2 изображен поэлементно эксцентриковый диск вокруг кривошипа коленчатого вала, на фиг.3 и 4 изображены промежуточные положения двигателя во время такта впуск, на фиг.5 - в момент окончания такта впуск и начала такта сжатия, на фиг.6 - промежуточное положение во время такта сжатия, на фиг.7 - в момент окончания такта сжатия и начала такта рабочий ход, на фиг.8 - промежуточное положение во время такта рабочий ход, на фиг.9 - в момент завершения такта рабочий ход, а на фиг.10 - во время такта выпуск.
Двигатель содержит кривошип 1 коленчатого вала, цилиндр 2, головку 3 цилиндра 2 с впускным клапаном 4 и выпускным клапаном 5, поршень 6, шатун 7, нижнюю головку 8 шатуна 7, разъемный эксцентриковый диск 9, выполненный в виде втулки, со смещенным от центра отверстием, причем в теле диска 9 симметрично его отверстию может быть выполнено дополнительное серповидное отверстие. Кривошип 1 коленчатого вала размещен в отверстии диска 9 с возможностью свободного вращения, а сам диск 9 расположен в отверстии нижней головки 8 шатуна 7 также с возможностью вращения. Диск 9 выполняют составным из двух частей, причем плоскость их разъема располагают в горизонтальной или вертикальной плоскости, а соединение и фиксацию частей относительно друг друга осуществляют, например, посредством штифтового соединения.
На чертежах также обозначены размеры: D - диаметр диска 9; d - диаметр кривошипа 1 коленчатого вала; L - наименьшее расстояние от наружного диаметра диска 9 до края его отверстия; S - полный ход поршня 6 при такте рабочий ход; Sn - короткий ход поршня 6 при такте впуск; Vn - рабочий объем цилиндра 2 при такте впуск; Vc - объем цилиндра 2 в конце такта сжатия, являющийся объемом камеры сгорания; Ve - объем цилиндра 2 в конце такта рабочий ход, являющийся эффективным объемом; О - ось коленчатого вала.
Уплотнительные кольца, каналы для охлаждения, подшипники, болты, штифты и т.п. элементы, в силу их широкой известности и не имеющие прямого отношения к существу изобретения выносных позиций не имеют.
Диаметр диска 9 рассчитывается в зависимости от параметров двигателя для чего используется равенство: D=2L+d+S-Sn, где D - диаметр диска; d - диаметр кривошипа коленчатого вала; L - наименьшее расстояние от наружного диаметра диска до края его отверстия; S - полный ход поршня при такте рабочий ход; Sn - короткий ход поршня при такте впуск. Расстояние L в зависимости от мощности двигателя выбирают выполненным равным от 3 до 4 мм, все другие указанные выше величины равенства также измеряются в миллиметрах.
Работа предложенного четырехтактного ДВС осуществляется следующим образом.
Кривошипно-шатунный механизм ДВС раскручивают с помощью стартера (не показан), причем в исходном положении поршень 6 находится в верхней мертвой точке (ВМТ), кривошип 1 - в наименьшем удалении от цилиндра 2, а диск 9 - в положении, при котором центр его отверстия расположен в верхней его части.
Первый такт впуск осуществляется следующим образом. Коленчатый вал поворачивается вокруг своей оси “О” и посредством кривошипа 1 поворачивает диск 9 внутри отверстия нижней головки шатуна 7 на 180, перемещая последний, а вместе с ним и поршень 6 вниз на расстояние Sn (Фиг.3, 4, 5). В цилиндре 2 образуется объем Vn, который за счет разряжения заполняется горючей смесью через открытый впускной клапан 4. Vn можно назвать рабочим объемом цилиндра 2.
Во втором такте сжатие впускной клапан 4 закрывается и коленчатый вал, поворачиваясь вокруг оси “О”, поворачивает диск 9 внутри отверстия головки 8 шатуна 7 на 180 и в то же время перемещает его вместе с поршнем 6 в исходное положение (ВМТ), образуя камеру сгорания Vc цилиндра 2 (фиг.5, 6, 7), в которой смесь сжимается, причем степень сжатия (
) определяется отношением Vc+Vn/Vc (=Vc+Vn/Vc).
В третьем такте рабочий ход, начинающемся в конце такта сжатия, горючая смесь воспламеняется и быстро сгорает, в результате чего температура газов, а следовательно, и давление в камере сгорания Vc повышаются. Давление газов передается на поршень 6 и далее через шатун 7 на диск 9. В данном случае диск 9 остается в исходном положении и давит на кривошип 1, посредством которого поворачивает коленчатый вал на 180 (фиг.7, 8, 9). Так как в данном случае диск 9 не поворачивается в отверстии головки 8 шатуна 7, поршень 6 перемещается в цилиндре 2 на расстояние S, которое не менее чем в два раза больше расстояния Sn. Объем цилиндра 2, образующийся в конце этого такта, можно назвать эффективным объемом Ve, a отношение данного объема к рабочему объему (Ve/Vn) - степенью эффективности (Ve/Vn=S/Sn). Данная величина выбирается в зависимости от назначения двигателя.
В последнем четвертом такте выпуск коленчатый вал, поворачиваясь вокруг своей оси “О”, посредством кривошипа 1 перемещает диск 9, а вместе с ним через шатун 7 поршень 6 в исходное положение (ВМТ), а отработавшие газы вытесняются под действием последнего через открытый выпускной клапан 5 в атмосферу (фиг.10, 3).
В конце такта рабочий ход давление в цилиндре 2 пониженное по сравнению с известными ДВС, вследствие чего на открытие выпускного клапана 5 не требуется большого усилия, поэтому нагрузка на распределительный вал уменьшается. Кроме того, уровень шума при выходе отработавших газов становится в несколько раз ниже, а это значит, что можно использовать менее мощный глушитель или не устанавливать его совсем, что приведет к увеличению мощности двигателя.
Таким образом, разъемный эксцентриковый диск 9 является по своей сути редуктором, который позволяет уменьшить скорость движения поршня 6 во время такта впуск относительно скорости такта рабочий ход, что способствует более полному сгоранию топлива в цилиндре и повышению эффективного КПД двигателя.
Формула изобретения
1. Кривошипно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий, по меньшей мере, один цилиндр, снабженный впускным и выпускным клапанами и размещенным внутри него поршнем, соединенным посредством шатуна, имеющего нижнюю головку, с кривошипом коленчатого вала, при этом в отверстии нижней головки шатуна размещен составной из двух частей эксцентриковый диск со смещенным относительно его центра отверстием, охватывающим кривошип коленчатого вала, причем диск установлен с возможностью вращения относительно кривошипа коленчатого вала и нижней головки шатуна, плоскость разъема диска расположена в горизонтальной или вертикальной плоскости сечения, проходящей через центр его отверстия, а диаметр диска рассчитывают, используя равенство
D=2L+d+S-Sn,
где D - диаметр диска;
d - диаметр кривошипа коленчатого вала;
L - наименьшее расстояние от наружного диаметра диска до края его отверстия;
S - полный ход поршня при такте рабочий ход;
Sn - короткий ход поршня при такте впуск.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что расстояние L выполнено равным от 3 до 4 мм.
3. Двигатель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что в диске симметрично его отверстию выполнено дополнительное серповидное отверстие для облегчения диска.
РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10
