Двигатель внутреннего сгорания
Изобретение относится к области поршневых двигателей внутреннего сгорания и может быть использовано в бензиновых, газовых и дизельных двигателях различного назначения. Двигатель содержит цилиндры с гильзами, поршни, шатуны, коленчатый вал, механизм газораспределения, систему охлаждения, причем цилиндры имеют ребра охлаждения или рубашку охлаждения, при этом гильзы цилиндров с увеличенным внутренним объемом выполнены с окнами охлаждения, имеют двойную стенку, образующую камеру охлаждения, сообщающуюся с внутренним объемом посредством окон охлаждения, а внешняя сторона цилиндров имеет теплоизоляционное покрытие, что позволяет на треть увеличить коэффициент полезного действия, а значит и на треть сократить расход топлива. Изобретение обеспечивает увеличение коэффициента полезного действия двигателя, снижение расхода топлива, отказ от системы охлаждения и использование принципа самоохлаждения цилиндров. 3 ил.
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, являющимся источником механической энергии, а именно к области поршневых двигателей внутреннего сгорания, и может быть использовано в бензиновых, газовых и дизельных двигателях различного назначения.
Наиболее близкой конструкцией является двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндры с гильзами, поршни, шатуны, коленчатый вал, механизм газораспределения, систему охлаждения, причем цилиндры имеют ребра охлаждения или рубашку охлаждения (пат. США №4676202, F 01 P 1/02, 1987).
Недостатками известных конструкций двигателей внутреннего сгорания являются:
- большая потеря мощности из-за необходимости отвода тепла (охлаждения) цилиндро-поршневой группы;
- неиспользование энергии остаточных газов;
- значительные затраты на изготовление, обслуживание и эксплуатацию системы охлаждения.
Изобретение направлено на повышение коэффициента полезного действия двигателя, снижение расхода топлива, отказ от системы охлаждения как таковой и использование принципа самоохлаждения цилиндров.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном двигателе внутреннего сгорания, содержащем цилиндры с гильзами, поршни, шатуны, коленчатый вал, механизм газораспределения, систему охлаждения, причем цилиндры имеют ребра охлаждения или рубашку охлаждения, согласно изобретению гильзы цилиндров выполнены с окнами охлаждения, имеют двойную стенку, образующую камеру охлаждения, сообщающуюся с внутренним объемом посредством окон охлаждения, а внешняя сторона цилиндров имеет теплоизоляционное покрытие.
Кроме того, данное техническое решение позволяет использовать энергию остаточных газов путем увеличения рабочего объема цилиндров таким образом, что при равных степенях сжатия известного и заявляемого двигателя вся избыточная воздушная смесь в заявляемом двигателе при такте "сжатие" сжимается в камере охлаждения и, расширяясь, совершает полезную работу при такте "рабочий ход", когда поршень, двигаясь от верхней мертвой точки (ВМТ), откроет окна охлаждения.
Анализ известных решений не выявил аналогичного выполнения двигателей внутреннего сгорания и показал, что изобретение является новым, так как оно неизвестно и для специалиста не следует явным образом из уровня развития техники, то есть изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".
На фиг.1 гильза цилиндра 1, имеющая двойную стенку 2, образует камеру охлаждения 3, сообщающуюся с внутренним объемом цилиндра посредством окон охлаждения 4. При этом внешняя сторона камеры охлаждения (цилиндра) имеет теплоизоляционное покрытие 5. Поршень 6, связанный шатуном 7 с коленчатым валом 8, при нахождении в ВМТ боковыми стенками (юбкой) перекрывает окна охлаждения, тем самым разделяя объем камеры сгорания от объема камеры охлаждения. При движении поршня от ВМТ к нижней мертвой точке (НМТ) поршень открывает окна охлаждения и объем камеры охлаждения вместе с объемом камеры сгорания и объемом, освобождаемым поршнем, составляют общий объем. Впускные клапаны 9 и выпускные клапаны 10, соединяя соответственно впускные и выпускные каналы с камерой охлаждения, позволяют более рационально использовать поверхность камеры сгорания, на которой располагаются перепускной клапан 11, форсунки 12 и свечи зажигания 13.
На фиг.2 показан заявляемый двигатель без перепускного клапана 11, так как при определенной комбинации величин объемов цилиндра и камеры охлаждения, а также месте расположения окон охлаждения, необходимость в наличии перепускного клапана отпадает. На поверхности камеры сгорания могут быть дополнительно установлены впускной клапан 14 и выпускной клапан 15. Двойная стенка 2, выполненная по всей длине цилиндра, образует камеру охлаждения 3, имеющую ребристую внутреннюю поверхность 16 для улучшения теплообмена. Поршень 6 двумя шатунами 7 соединен с двумя коленчатыми валами 8, что уменьшает боковое трение поршня о стенки цилиндра.
На фиг.3 показаны графики зависимости давлений в цилиндрах известного и заявляемого двигателя в зависимости от объема, освобождаемого поршнем при такте "рабочий ход".
Двигатель работает следующим образом. Такт "выпуск". Поршень находится в НМТ. Открываются выпускной клапан 10 и перепускной клапан 11. При движении поршня от НМТ до момента перекрытия окон охлаждения отработанные газы из цилиндра через окна охлаждения и перепускной клапан попадают в камеру охлаждения и через выпускной клапан выходят в атмосферу. Двигаясь от момента перекрытия окон охлаждения до ВМТ, поршень вытесняет отработанные газы в атмосферу через перепускной клапан, камеру охлаждения и выпускной клапан. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается и открывается впускной клапан. Такт "впуск". Впускной клапан и перепускной клапан открыты. При движении поршня от ВМТ до момента открытия поршнем окон охлаждения свежая воздушная смесь через впускной клапан, камеру охлаждения и перепускной клапан поступает в цилиндр. После открытия окон охлаждения свежая воздушная смесь поступает в цилиндр также и через окна охлаждения. При достижении поршнем НМТ впускной клапан закрывается.
Такт "сжатие". Перепускной клапан открыт. При движении поршня от НМТ до момента перекрытия поршнем окон охлаждения давление в цилиндре и камере охлаждения растет одинаково, так как воздушная смесь из цилиндра поступает в камеру охлаждения через окна охлаждения и перепускной клапан. В дальнейшем при движении поршня от момента перекрытия окон охлаждения до точки закрытия перепускного клапана избыток воздушной смеси поступает из цилиндра в камеру охлаждения через перепускной клапан. Точка закрытия перепускного клапана - такое положение поршня, когда его дальнейшее движение до ВМТ без перепуска воздушной смеси обеспечит заданную степень сжатия воздушной смеси в камере сгорания при нахождении поршня в ВМТ. Перепускной клапан закрыт. В камере охлаждения давление продолжает расти, но уже не за счет поступающей воздушной смеси, а за счет того, что находящаяся в ней воздушная смесь нагревается, охлаждая стенки цилиндра, так как при высоком давлении теплообмен эффективен (Рост давления продолжается до момента открытия поршнем окон охлаждения при такте "рабочий ход"). При дальнейшем движении поршня от точки закрытия перепускного клапана до ВМТ давление и температура в цилиндре также будут расти независимо от давления и температуры в камере охлаждения.
Поршень в ВМТ. Такт "рабочий ход". Происходит впрыск топлива и его воспламенение (с учетом угла опережения). Давление и температура растут. Поршень под давлением газов начинает двигаться от ВМТ к НМТ. В какой-то момент давление в цилиндре начинает падать.
Точка открытия окон охлаждения (т.е. местоположение окон охлаждения на гильзе) выбирается таким образом, что в момент начала открытия окон охлаждения давление в цилиндре будет равно давлению в камере охлаждения. При этом температура в цилиндре в 3-4 раза превышает температуру в камере охлаждения. Суммарная площадь всех окон охлаждения должна быть соизмерима с площадью цилиндра, обеспечивая беспрепятственное перемещение воздушной смеси из камеры охлаждения в цилиндр. Окна охлаждения открыты. Давление в цилиндре и камере охлаждения одинаково. Температура в цилиндре начинает резко падать, не оказывая влияния на давление, т.к. падение температуры в цилиндре компенсируется увеличением концентрации молекул, поступающих из камеры охлаждения. И при дальнейшем движении поршня до НМТ давление в цилиндре и камере охлаждения одинаковы. Поршень достиг НМТ, такт "рабочий ход" закончился. Начинается новый цикл - "выпуск"-"впуск"-"сжатие"-"рабочий ход".
Для наглядности и удобства сравнения заявляемого и известного двигателя рабочий объем цилиндра заявляемого двигателя увеличен в 2,5 раза по сравнению с рабочим объемом цилиндра известного двигателя только за счет увеличения длины цилиндра при равных диаметрах.
На фиг.3 пунктирной линией (линия BCD) показана зависимость давления от объема при такте "рабочий ход" в цилиндре известного двигателя со степенью сжатия, равной 16. То есть рабочий объем цилиндра равен 15 объемам камеры сгорания.
Сплошной линией (линией ВСМ) показана зависимость давления от объема при такте "рабочий ход" в цилиндре заявляемого двигателя с увеличенным (в 2,5 раза) объемом, равным 37,5 объемов камеры сгорания, и объемом камеры охлаждения, равным 3,5 объемов камеры сгорания.
На графике отрезок ВС-общий, т.к. при равных объемах камер сгорания, равном количестве впрыскиваемого топлива процесс горения при перемещении поршней от ВМТ до точки С происходит одинаково. Точка С - точка открытия поршнем окон охлаждения. С этого момента давление в цилиндре заявляемого двигателя будет падать медленнее, чем в известном двигателе, т.к. при нахождении обоих поршней в этой точке, а следовательно, при равных давлениях, текущий объем, занимаемый газами в заявляемом двигателе, будет больше, чем в известном, на объем камеры охлаждения. Чтобы давление упало, например в 2 раза, обоим поршням надо освободить объем, равный текущему объему в цилиндрах. То есть поршню заявляемого двигателя необходимо освободить больший объем, чем поршню известного двигателя, на объем камеры охлаждения. Следовательно, в два раза меньшее давление в заявляемом двигателе наступит позднее, а это значит, что график зависимости давления от объема заявляемого двигателя будет выше.
На графике площадь ABCDK численно равна работе газов в цилиндре известного двигателя. Площадь АВСМР численно равна работе газов в цилиндре заявляемого двигателя. Расчеты показывают, что работа газов в заявляемом двигателе в 1,5 раза больше, чем в известном двигателе. А с учетом отрицательной работы вспомогательных тактов коэффициент полезного действия заявляемого двигателя на треть больше, чем у известного двигателя. Следовательно, при равном расходе топлива мощность заявляемого двигателя на треть больше мощности известного двигателя. И наоборот, при равной мощности расход топлива заявляемого двигателя на треть меньше, чем у известного двигателя. При этом (при равной мощности) в заявляемом двигателе линейные размеры (диаметр цилиндра и ход поршня) несколько больше, чем у известного, при полном отсутствии всех элементов системы охлаждения в заявляемом двигателе, что дополнительно увеличивает мощность на 3%.
Особенность вышеизложенного заключается в том, что указанный технический результат достигается при комплексном использовании цилиндров с увеличенным объемом и камер охлаждения с теплоизоляционным покрытием, когда тепловая энергия, отдаваемая при охлаждении внешними стенками цилиндра, возвращается в цилиндр и совершает работу.
Двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндры с гильзами, поршни, шатуны, коленчатый вал, механизм газораспределения, систему охлаждения, причем цилиндры имеют ребра охлаждения или рубашку охлаждения, отличающийся тем, что гильзы цилиндров с увеличенным внутренним объемом выполнены с окнами охлаждения, имеют двойную стенку, образующую камеру охлаждения, сообщающуюся с внутренним объемом посредством окон охлаждения, а внешняя сторона цилиндров имеет теплоизоляционное покрытие.
