Поршневой двигатель с высоким кпд по схеме горшкова ю.а.
Изобретение относится к области двигателестроения. Техническим результатом является увеличение КПД. Сущность изобретения заключается в том, что поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит корпус, два цилиндра: один - камера сгорания, второй - камера сжатия-расширения. В цилиндрах установлены поршни, с которыми подвижно соединены две сочлененные фигурные рейки, связанные с планетарным механизмом преобразования возвратно-поступательного движения фигурных зубчатых реек во вращательное движение двух ведущих зубчатых колес, и наоборот. Согласно изобретению во время рабочего хода рейка зацеплена с ведущим зубчатым колесом, которое выполнено с обгонным устройством, а при обратном ходе рейка передает движение другому ведущему зубчатому колесу без обгонного устройства. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Холодный поршневой двигатель с высоким КПД, выполненный по схеме Горшкова Ю.А. (далее по тексту поршневой двигатель), относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания и предназначен для автономного силового привода стационарных или мобильных устройств различного назначения, особенно для устройств с ограниченным объемом, например спортивных автомобилей и бронемашин.
Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является поршневая машина, содержащая корпус, зубчатый планетарный механизм преобразования вращательного движения в поступательное, и наоборот, с фигурной зубчатой рейкой, ведущее зубчатое колесо, взаимодействующее с рейкой, цилиндр и размещенный в нем поршень с шатуном, соединенным с рейкой (RU 2299989 С2, МПК F01В 9/00).
Недостатками этой машины в варианте двигателя являются ограничение скорости движения поршня скоростью вращения вала ведущего колеса. Происходят уменьшение КПД, перегрев двигателя, особенно при малых оборотах вала, и требуется мощная система охлаждения для сохранения работоспособности. Замкнутая рейка усложняет сборку.
Задачей изобретения является увеличение КПД поршневого двигателя внутреннего сгорания, уменьшение зависимости КПД от оборотов и упрощение конструкции.
Поставленная задача решается за счет того, что поршневой двигатель имеет камеру сгорания, камеру сжатия - расширения, поршни камер подвижно связаны с двумя сочлененными и частично обрезанными фигурными зубчатыми рейками планетарного механизма. Одно из ведущих колес планетарного механизма имеет шестерню с обгонным устройством, например храповиком. Число зубьев на храповом колесе - равным или кратным числу зубьев шестерни.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 показан разрезанный поршневой двигатель без крышек подшипников. На фиг.2 - расчетная работа расширения (суммарная по ходу поршня). На фиг.3 - расчетные внутренние теплопотери (суммарные по ходу поршня).
Исходные расчетные данные: Рmax=5 МПа (50 кг/см2), ⌀поршня=82 мм, ход 77 мм. Наименования графиков на фиг.2, 3: «шатун» - двигатель с коленвалом, «механизм» - с фигурной рейкой без обгонной муфты, «свободный ход» - с обгонной муфтой. На фиг.4 крупным планом показана шестерня ведущего зубчатого колеса с обгонным устройством - храповиком.
Поршневой двигатель состоит из камеры сгорания 1, камеры сжатия - расширения 2, двух сочлененных и частично обрезанных реек 3, подвижно соединенных с поршнями 4, 5, двух ведущих колес: одно без обгонного устройства 6, другое с обгонным устройством 7 (фиг.1), храпового колеса 8, выполненного на валу шестерни ведущего колеса 7, собачек 9, 10 и общего колеса - маховика 11 (фиг.4).
При рабочем ходе поршня 4 камеры сгорания 1 рейка 3 планетарного механизма с поршнем 5, зацепленная с ведущим колесом 7, под действием давления дымовых газов движется свободно. Обгонное движение обеспечивают собачками 9, 10 храпового колеса 8, выполненного заодно с валом ведущего колеса 7. Поршень 5, связанный через рейку 3 с поршнем 4, сжимает воздух в камере сжатия - расширения 2. Дымовые газы через кинетическую энергию движущихся деталей отдают энергию воздуху, сжимаемому в камере 2. В конце цикла сжатия воздуха в камере 2 шестерня ведущего колеса 7 прекращает обгонное движение. Рейка 3 зацепляется с двумя ведущими колесами 6 и 7, проходит мертвую точку, начинает двигаться в обратном направлении, расцепляется с ведущим колесом 7 и через ведущее колесо 6 передает энергию воздуха, сжатого в камере 2, колесу-маховику 11. Колесо-маховик 11 обеспечивает синхронную работу ведущих колес 6, 7 и работу камеры сгорания 1 с поршнем 5 как по двухтактному, так и по четырехтактному циклу. Для обеспечения синхронной работы ведущих колес 6, 7 после прекращения обгонного движения необходимо, чтобы число зубьев храпового колеса 8 на валу шестерни ведущего колеса 7 было равно или кратно числу зубьев этой шестерни.
Потери тепла в двигателях внутреннего сгорания пропорциональны (в первом приближении) давлению дымовых газов, их температуре и времени контакта со стенками цилиндра. При свободном движении рейки 3 с поршнями 4, 5 время контакта дымовых газов со стенками камеры сгорания 1 уменьшается в три - пять раз. Примерно во столько же раз уменьшаются тепловые потери в камере сгорания 1 (фиг.3) и увеличивается полезная работа (фиг.2). Сброс тепла сжатого воздуха на стенки камеры 2 в 5-8 меньше сброса тепла дымовых газов на стенки камеры сгорания 1, так как температура сжатого воздуха меньше 600°С, а температура дымовых газов больше 2000°С. По расчетам КПД усовершенствованного поршневого двигателя достигнет 50%-60% вне зависимости от оборотов, в то время как КПД существующих поршневых двигателей близкий к 40% падает при снижении оборотов до 20% и они перегреваются. Некоторое усложнение конструкции поршневой группы усовершенствованного двигателя окупается упрощением конструкции системы охлаждения (можно обойтись воздушным охлаждением), а повышенная температура выхлопных газов упрощает утилизацию их энергии для дополнительного увеличения КПД. Маленький сброс тепла на стенки камеры сгорания усовершенствованного двигателя позволит эффективнее использовать водород в качестве топлива. Обрезанные рейки упрощают конструкцию: детали последовательно укладываются в корпус.
Работоспособность изобретения проверена на компьютере.
1. Поршневой двигатель с высоким КПД, содержащий корпус, два цилиндра: один - камера сгорания, второй - камера сжатия-расширения, два поршня, две сочлененные фигурные рейки, подвижно соединенные с поршнями, планетарный механизм преобразования возвратно-поступательного движения фигурных зубчатых реек во вращательное движение двух ведущих зубчатых колес и наоборот, отличающийся тем, что во время рабочего хода рейка зацеплена с ведущим зубчатым колесом, которое выполнено с обгонным устройством, а при обратном ходе рейка передает движение другому ведущему зубчатому колесу без обгонного устройства.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что число элементов обгонного устройства, прекращающих обгонное движение шестерни ведущего колеса, например зубьев храпового колеса, равно или кратно числу зубьев этой шестерни.
