Устройство для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания

Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности поршневым двигателям внутреннего сгорания. Технический результат заключается в возможности улучшения основных характеристик двигателя. Согласно изобретению одноцилиндровый двигатель включает в себя рабочий цилиндр с поршнем, управляющий вал, выполненный в виде кулачкового вала, с кулачком которого посредством ролика контактирует шток, снабженный коромыслом с пружиной и соединенный с поршнем. Кулачок управляющего вала выполнен таким образом, что скорость протекания рабочего такта увеличивают за счет движения вниз поршня с закрепленным на нем штоком в результате соскальзывания в этот момент ролика штока с вершины кулачка. Вращение кулачкового вала во время рабочего такта обеспечивается посредством воздействия коромысла за счет пружины на вершину кулачка. На управляющем валу одноцилиндрового двигателя установлено несколько кулачков в веерном порядке. При этом при объединении отдельных одноцилиндровых двигателей в многоцилиндровый кулачки передвигают по шлицам управляющего вала таким образом, что одни и те же процессы в цилиндрах многоцилиндрового двигателя осуществляют либо поочередно, либо одновременно, либо группами. 7 ил.

 

Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности, усовершенствует устройство для реализации способа повышения работы поршневого двигателя внутреннего сгорания, предназначенного для энергетических установок, например, на электростанциях, на кораблях, тепловозах, автомобилях и в авиации.

В двигателестроении широко известно устройство для реализации способа преобразования вращательного движения коленчатого вала в возвратно-поступательное движение поршня, в результате чего в цилиндре поршневого двигателя внутреннего сгорания осуществляются процессы впуска, сжатия, рабочего такта и выпуска газов продуктов сгорания (Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Судпромгиз. - Л.: 1962, с.81).

Недостатком устройства для реализации известного способа является то, что коленчатый вал, являясь движителем поршня, совершает восемь тактов за цикл в четырехтактном двигателе. Однако термодинамический цикл четырехтактного двигателя имеет два скоростных и два затяжных процесса. Таким образом, устройства для реализации способа работают по нескоординированным диаграммам. Это не позволяет получить высокую эффективную мощность (Ne) в устройстве для реализации известного способа.

Известно также устройство для реализации способа работы поршневого двигателя внутреннего сгорания, у которого одноименные процессы в цилиндрах многоцилиндрового двигателя протекают поочередно (Михайловский Е.В. и др. Автомобили. Москва, «Машиностроение», 1974, с.32).

Недостатком известного устройства является то, что в любой момент времени рабочий такт совершается в одном цилиндре. Остальные цилиндры ждут своей очереди. Это не позволяет увеличить частоту повторения рабочих процессов во всех цилиндрах одновременно и тем самым увеличить эффективную мощность поршневого двигателя.

Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания (описание изобретения к патенту RU №2258819 С2, F02В 75/32 за 2005 г.).

Сущность устройства состоит в том, что управляющий вал выполнен в виде кулачка, который преобразует вращательное движение в неподвижное и возвратно-поступательное движение поршня, в результате этого в цилиндре двигателя происходят процессы впуска, сжатия, рабочего такта и выпуска газов продуктов сгорания.

При этом цикл управляющего вала стал иметь два скоростных и два затяжных такта, а рабочий такт стал протекать в несколько раз быстрее за счет движения вниз поршня закрепленным на нем штоком в результате соскальзывания в этот момент ролика штока с вершины кулачка, при котором вращение кулачкового вала обеспечивается посредством воздействия коромысла за счет пружины на вершину кулачка.

Кроме того, при объединении одноцилиндровых двигателей в многоцилиндровый двигатель управляющие валы синхронизируют с помощью сильсинов датчиков и сильсинов приемников таким образом, что одни и те же процессы в цилиндрах осуществляют либо поочередно, либо одновременно, либо группами.

Однако единственный кулачок управляющего вала одноцилиндрового двигателя не позволяет синхронизировать одноцилиндровые двигатели большой мощности путем сильсинов.

Исходя из вышеизложенного была поставлена задача разработать такое устройство для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя, которое улучшит основные технические характеристики параметров поршневого многоцилиндрового двигателя разных мощностей.

Поставленная задача решается заявленным устройством для реализации способа повышения эффективности поршневого двигателя внутреннего сгорания, включающим одноцилиндровый двигатель, на управляющем валу которого размещены в веерном порядке кулачки, позволяющие синхронизировать работу цилиндров одноцилиндровых двигателей при объединении их в многоцилиндровый двигатель путем передвижения кулачков относительно оси цилиндра таким образом, что одни и те же процессы в цилиндрах многоцилиндрового двигателя осуществляют либо поочередно, либо одновременно, либо группами.

В заявленном устройстве для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания общим для него и для его наиболее близкого аналога являются:

- управляющий вал выполняют в виде кулачкового вала, с кулачком которого посредством ролика контактирует шток, снабженный коромыслом с пружиной и соединенный с поршнем;

- скорость протекания рабочего такта увеличивают за счет движения вниз поршня с закрепленным на нем штоком в результате соскальзывания в этот момент ролика штока с вершины кулачка, при котором вращение кулачкового вала обеспечивается посредством воздействия коромысла за счет пружины на вершину кулачка;

- при объединении одноцилиндровых двигателей в многоцилиндровый двигатель управляющие валы отдельных цилиндров соединяют таким образом, что одни и те же процессы в цилиндрах многоцилиндрового двигателя осуществляют либо одновременно, либо поочередно, либо группами.

В заявленном устройстве для реализации способа признаками изобретения, отличающими его от его наиболее близкого аналога, являются:

- кулачки установлены в веерном порядке на управляющем валу одноцилиндрового двигателя;

- кулачки передвигают относительно оси цилиндра таким образом, что одни и те же процессы в цилиндрах многоцилиндрового двигателя осуществляют либо одновременно, либо поочередно, либо группами.

Данная совокупность отличительных признаков изобретения вместе с общими признаками заявленного устройства для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания и наиболее близкого его аналога обеспечивают получение положительного эффекта изобретения во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

На фиг.1 изображена кинематическая схема устройства для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания.

На фиг.2 - индикаторные диаграммы цилиндров четырехтактного четырехцилиндрового ДВС, одни и те же процессы в которых совершаются одновременно (по аналогии параллельного соединения электрических источников).

На фиг.3 - диаграмма эффективных мощностей цилиндров, одни и те же процессы в которых совершаются одновременно.

На фиг.4 - индикаторные диаграммы цилиндров четырехтактного четырехцилиндрового ДВС, одни и те же процессы в которых совершаются поочередно (по аналогии последовательного соединения электрических источников).

На фиг.5 - диаграмма эффективных мощностей цилиндров, одноименные процессы в которых совершаются поочередно.

На фиг.6 - индикаторные диаграммы цилиндров четырехтактного четырехцилиндрового ДВС, одноименные процессы в которых совершаются группами (по аналогии смешанного соединения электрических источников).

На фиг.7 - диаграмма эффективных мощностей цилиндров, одноименные процессы в которых совершаются группами.

Устройство для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, поршень 2, шток 3 и кулачковый вал 4 с кулачком 5.

Шток 3 и поршень 2 жестко соединены друг с другом. Второй конец штока 3 со стороны кулачкового вала 4 снабжен роликом 6 и коромыслом 7 с возможностью качания коромысла относительно оси 8.

Пружина 9 обеспечивает постоянный подвижный контакт ролика 6 штока 3 с профилированной поверхностью кулачка 5. Пружина 10 позволяет коромыслу качаться относительно оси 8 между штоком 3 и кулачком 5.

Рабочий цилиндр 1 имеет форсунку 13, впускной клапан 11, а также выпускной канал 12. Для передвижения кулачков 5 по шлицам кулачкового вала 4 относительно оси цилиндра 1 используют привод 16, шток 15 с поршнем, передвигающимся в цилиндре 14. В устройстве для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания используют автоматическую систему управления (АСУ), а также электронную систему управления (ЭСУ) (данные системы на фиг.1 не показаны).

Работа устройства для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания заключается в следующем (см. фиг.1).

Управляющий вал 4 раскручивают с помощью стартера (на фиг.1 не показан). Вместе с кулачковым валом начнет совершить вращательные движения кулачóк 5.

В районе нижней мертвой точки хода поршня откроется впускной клапан 11 и сжатый воздух из ресивера (на фиг.1 не показан) начнет заполнять внутреннюю полость рабочего цилиндра 1.

В момент прихода вершины кулачка 5 в район верхней мертвой точки осуществляется впрыск топлива в цилиндр 1 с помощью форсунки 13.

Распыленное топливо, смешанное со сжатым воздухом, самовоспламеняется и горит. Под действием высокого давления поршень 2 с силой F₂ давит вниз. В этот момент ролик 6 штока 3 соскальзывает с вершины кулачка 5 и поршень 2 вместе с жестко закрепленным с ним штоком 3 резко движется вниз. Коромысло 7 в начальный момент движения штока 3 вниз контактирует с вершиной кулачка 5 и по мере продвижения штока 3 вниз сжимает пружину 10, обеспечивая плавное, без ударов движение штока 3 до соприкосновения ролика 6 с цилиндрической частью кулачка 5 в точке Д.

На протяжении всего пути движения штока 3 с роликом 6 и коромыслом 7 вниз коромысло за счет пружины 10 воздействует на вершину кулачка 5, обеспечивая вращение кулачкового вала против часовой стрелки.

Для того чтобы изменить мощность двигателя, водитель путем переключателя задает автоматике нужную программу. После этого нажимает на педаль акселератора. Это позволит осуществить с помощью автоматической системы управления (АСУ) операции в следующей последовательности. Цилиндр 14 начнет заполняться воздухом из ресивера. После прихода штока 15 с поршнем в крайнее верхнее положение работа данного одноцилиндрового двигателя прекратится. Это позволит передвинуть автоматически привод 16 с кулачками 5 по шлицам кулачкового вала 4 относительно оси цилиндра 1 согласно выбранной программе. К примеру, чтобы одни и те же процессы в цилиндрах многоцилиндрового двигателя стали совершаться группами. После этих операций цилиндр 14 соединяется с атмосферой, а шток 3 с роликом 6 возвращается вниз до соприкосновения с кулачком 5.

Прежде чем перейти к изложению технико-экономических преимуществ, подкреплю убедительными примерами цель изобретения. В настоящее время в мире выпускают ДВС транспортных средств по проектам, которые были предложены более века назад и были созданы без научных технических знаний. Это привело к тому, что отрасль двигателестроения отстала от других отраслей, в частности от энергетики, от железнодорожного транспорта, более чем на век. О том, что коэффициент использования энергии, вырабатываемой ДВС транспортных средств, катастрофически мал говорили наиболее проницательные ученые более четверти века назад. Например, профессор Гулиа в статье "Из пушки по воробьям" в журнале "Техника - молодежи" писал: "...Несложный расчет (проведенный учеными ФГУП НАМИ) показывает, что для езды по городу автомобилю массой около тонны со скоростью 60 км/ч нужно всего-навсего 6 кВт. Даже при крейсерской скорости автомобиля на трассе 90 км/ч достаточно мощности 10-12 кВт.

Очевидно, что расход топлива двигателя зависит от степени его загруженности. Когда двигатель работает на холостом ходу, он потребляет ничтожную мощность, способную разве только прокрутить его самого. Удельный расход топлива огромен, полезной работы нет, а горючее сгорает. Кроме того, на холостом ходу выхлопные газы двигателя особенно вредны.

Сегодня двигатели легковых автомобилей могут выработать 1000-2000 и более киловатт. Однако эти возможности сегодня не используют для изменения мощности в широких пределах.

Напротив, используют наименьшие возможности ДВС, прячут существенные недостатки от общественности путем соединения управляющих валов (кривошипов коленчатых валов) таким образом, что одни и те же процессы в цилиндрах многоцилиндрового двигателя осуществляют поочередно.

Ситуацию усугубляют применением «надстроек» для изменения мощности, к примеру, коробок передач, полуавтоматов, автоматов и т.д.

Чтобы скрыть существенные недостатки от общественности двигателисты умышленно занижают мощность ДВС транспортных средств.

К примеру, говорят, что восьмицилиндровый двигатель «джипа» имеет 200 кВт. На самом деле двигатель, имеющий восемь цилиндров с цилиндровой мощностью 200 кВт, может развивать мощность 1600 кВт.

Очевидно, огромную мощность можно получить путем поворота кривошипов коленчатого вала многоцилиндрового двигателя таким образом, что одни и те же процессы в цилиндрах многоцилиндрового двигателя совершались бы одновременно (по аналогии параллельного соединения электрических двигателей постоянного тока).

В устройстве для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания использованы принципиальные кинематические схемы, которые были созданы на основе известных законов природы более века назад.

Судите сами. Например, если нам нужно будет получить большую эффективную мощность многоцилиндрового двигателя, достаточно будет водителю транспортного средства путем командного аппарата с пульта управления передвинуть кулачки относительно осей цилиндров одноцилиндровых двигателей (входящих в состав многоцилиндрового ДВС) таким образом, чтобы в разных цилиндрах одни и те же процессы совершались одновременно. Это позволит общую цилиндровую эффективную мощность (Ne) двигателя увеличить во столько раз, сколько цилиндров будет участвовать в одновременном рабочем процессе.

Результат этой операции можно будет увидеть на фиг.2 и 3. Очевидно, что все цилиндры многоцилиндрового ДВС при таком режиме будут работать синхронно (одновременно) по аналогии огромного одноцилиндрового двигателя.

Естественно, при таком режиме все цилиндры смогут работать на высоких скоростях (современные одноцилиндровые двигатели развивают скорость до 30000 об/мин).

Это позволит отказаться от больших цилиндров в многоцилиндровых ДВС благодаря повышению коэффициента загруженности цилиндров двигателя.

Если нам не нужна будет большая эффективная мощность, достаточно будет передвинуть все кулачки одноцилиндровых двигателей таким образом, чтобы в разных цилиндрах одноименные процессы совершались поочередно. Результат этой операции можно увидеть на фиг.4 и 5.

Очевидно, при последовательной работе цилиндров многоцилиндрового ДВС эффективная мощность многоцилиндрового двигателя будет наименьшая.

Это объясняется тем, что все цилиндры при таком режиме будут работать поочередно. Кроме того, при таком режиме нельзя развивать большие обороты, потому что частота повторения циклов приводит к снижению коэффициента наполнения и к другим негативным эффектам. Вместе с этим, при таком режиме нельзя использовать большое количество цилиндров, так как они будут бездействовать в ожидании своей очереди.

Если кулачки одноцилиндровых двигателей разместить на управляющем валу таким образом, чтобы в разных цилиндрах многоцилиндрового двигателя одноименные процессы совершались бы группами, это позволит получать эффективную мощность двигателя в промежутке от мощности, полученной при синхронной работе всех цилиндров, до мощности поочередного рабочего режима. Результат этого режима можно увидеть на фиг.6 и 7. Все эти операции можно будет осуществлять при работающем двигателе с помощью автоматической системы управления.

Благодаря вышеизложенным преимуществам устройство для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания позволяет двигателистам России устранить существенные недостатки в современных ДВС, что, в свою очередь, позволит освободиться от «надстроек», которыми они «обросли» за столетний период.

К примеру, из конструкции многоцилиндрового двигателя будут убраны громоздкая система охлаждения, потому что одноцилиндровые двигатели будут обдуваться обыкновенным вентилятором; коробки передач; полуавтоматы; автоматы и т.д.; глушители. Все это вместе взятое позволит поднять КПД двигателя до 70-80% за счет увеличения коэффициента использования вырабатываемой эффективной мощности.

Моторесурс двигателей цилиндропоршневой группы поднимется более чем в 20 раз за счет освобождения их от ненужной работы (компрессорного режима). Загрязнение окружающей среды уменьшится более чем в 100 раз за счет эффективного получения энергии, а затем рационального ее преобразования в механическую работу. Расход топлива можно будет уменьшить в десятки раз, в зависимости от мощности двигателя.

Исчезнут в России ДВС - «великаны». Вместе с этим повысится надежность двигателя, так как при выходе из строя даже нескольких одноцилиндровых двигателей оставшиеся в составе многоцилиндрового смогут продолжить свою работу.

Устройство для реализации способа повышения эффективности работы поршневого двигателя внутреннего сгорания, включающее рабочий цилиндр с поршнем, управляющий вал, выполненный в виде кулачкового вала, с кулачком которого посредством ролика контактирует шток, снабженный коромыслом с пружиной и соединенный с поршнем, при этом скорость протекания рабочего такта увеличивают за счет движения вниз поршня с закрепленным на нем штоком в результате соскальзывания в этот момент ролика штока с вершины кулачка, при котором вращение кулачкового вала обеспечивается посредством воздействия коромысла за счет пружины на вершину кулачка, причем при объединении одноцилиндровых двигателей в многоцилиндровый двигатель управляющие валы отдельных цилиндров соединяют таким образом, что одни и те же процессы в цилиндрах многоцилиндрового двигателя осуществляют либо поочередно, либо одновременно, либо группами, отличающееся тем, что на управляющем валу одноцилиндрового двигателя в веерном порядке установлены кулачки, которые передвигают относительно оси цилиндра таким образом, что одни и те же процессы в цилиндрах многоцилиндрового двигателя осуществляют либо поочередно, либо одновременно, либо группами.