Двигатель внутреннего сгорания двойного действия
Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания двойного действия содержит рабочий цилиндр (25), компрессор (18) и устройство для подачи воздуха из компрессора (18) в полость рабочего цилиндра (25). Рабочий цилиндр (25) выполнен большего диаметра, с двумя поршнями. Компрессор (18) выполнен в виде цилиндра меньшего диаметра, с двумя поршнями. Поршни рабочего цилиндра (25) и поршни компрессора (18) сочленены кривошипно-шатунным механизмом с двумя коленчатыми валами (28), (29). Двигатель снабжен дополнительным цилиндром (14) для подачи воздуха в компрессор (18) и мембранным механизмом. Мембранный механизм содержит корпус (21), регулировочный стержень (22) с гайкой установленный в корпусе (21), пружину (23), установленную между стержнем (22) и мембраной (24). Устройство для подачи воздуха из компрессора (18) в полость рабочего цилиндра (25) содержит корпус (36). В корпусе (36) под действием кулачка (35) перемещается шток (34) с отверстием (33). В период подачи воздуха из компрессора (18) кулачек (35) совмещает отверстие (33) с трубопроводом (37) сжатого воздуха. Сжатый воздух из компрессора (18) и мембранного механизма по трубопроводу (37) сжатого воздуха поступает в полость рабочего цилиндра (25) между поршнями. Во время сжатия часть объема воздуха остается между поршнями компрессора (18), часть поступает в мембранный механизм. В момент вспышки самодействующий обратный клапан (32) перекрывает проход газа рабочего цилиндра (25) в компрессор (18). Коленчатые валы (28), (29) сочленены кривошипно-шатунным механизмом с кривошипом общего вала (43). Дополнительный цилиндр (14) для подачи воздуха в компрессор содержит поршень (16), сочлененный кривошипно-шатунным механизмом (15) с коленчатым валом (28), два самодействующих клапана, впуск в цилиндр и подачу в компрессор (18). Технический результат заключается в улучшении использования тепла, получаемого при сжигании топлива, и в увеличении полезной работы при расширении газа. 13 ил.
Изобретение относится к двигателестроению в частности к устройствам, использующим энергию топлива.
Известно большое количество двигателей, содержащих блок цилиндров и перемещающиеся в них поршни, где энергия сжигаемого топлива используется не полностью.
Известен двигатель внутреннего сгорания в описании к изобретению №2269017, от 2002.09.16 МПК F02B 75/28, содержащий три цилиндра, разделенные двумя стенками, в трех цилиндрах установлены два блока поршней, каждый из которых состоит из рабочего поршня, жестко соединенного штоком через стенку с дополнительным поршнем с образованием дополнительных полостей между дополнительным поршнем и стенкой, компрессор для сжатия и подачи воздуха в камеру сгорания, герметичную емкость для нагнетания в нее воздуха и подачи из нее воздуха в дополнительные полости в определенный период цикла через запорно-перепускные устройства, при этом топливо подается в поток воздуха в период подачи воздуха из компрессора в камеру сгорания, отличающийся тем, что после закрытия клапана подачи воздуха в дополнительные полости открывается клапан перепуска высокотемпературного газа из камеры сгорания в дополнительные полости по соединительному трубопроводу.
Недостатки: неполное использование сжигаемого топлива.
Наиболее близким к заявленному техническому решению по технической сущности является свободнопоршневой двигатель N25/3076. Двигатель содержит картер с установленными в нем устройствами для подачи и воспламенения топлива. Помимо этого двигатель содержит дополнительный цилиндр с поршнем, впускные и выпускные каналы и поршневые группы, связанные штоком. Дополнительный цилиндр отделен от картера перегородкой. Известному двигателю, как и всем выше рассматриваемым, присущ один недостаток - неполное использование сжигаемого топлива.
Техническим результатом настоящего изобретения - повышение экономичности двигателя за счет использования тепла, получаемого при сжигании топлива и увеличение полезной работы при расширении газа.
Поставленная задача достигается за счет того, что двигатель внутреннего сгорания двойного действия (ВСДД), содержащий два (фиг. 1) цилиндра разного диаметра, цилиндр меньшего диаметра 18 - компрессор, цилиндр большего диаметра - рабочий цилиндр 25. Цилиндры жестко соединены с двух сторон со стенками 17. В компрессоре и рабочем цилиндре перемещаются возвратно-поступательно два поршня 20,2 6 сочлененные кривошипно-шатунным механизмом 19,27 с коленчатыми валами 28,29, установлеными в кронштейнах 39 (фиг. 1 и фиг. 6).
Корпус 21 мембранного механизма соединен с трубопроводом 37, регулировочный стержень 22 установлен в корпусе 21, пружина 23 установлена между стержнем 22 и мембраной 24. В корпусе 36 перепускного устройства под действием кулачка 35, шток 34 с отверстием 33 в определенный период цикла смещается до совпадения с полостью трубопровода 37, открывая проход воздуха из компрессора в полость рабочего цилиндра, между штоком 34 и корпусом 36 установлена пружина 31. Дополнительный цилиндр 14 жестко соединен с плитой 17. В цилиндре поршень 16 сочленен кривошипно-шатунным механизмом 15 с коленчатым валом 28, самодействующий клапан 32 на трубопроводе 37 перекрывает доступ, воздух в обратном направлении.
Два кривошипа 41 и две штанги 42 передают усилие двух коленчатых валов 28 и 29 на общий вал 43.
Заявленное техническое решение иллюстрируется при помощи чертежей
1. Принципиальная схема кинематики двигателя ВСДД
2. Объем 45 и размер между поршнями 44 сжатого воздуха в компрессоре степень сжатия 14 (фиг. 2)
3. Объем 46 и размер 47 поступившего воздуха из компрессора (фиг. 3) в рабочий цилиндр.
4. Соединение цилиндра компрессора 18 и рабочего цилиндра 25 с плитами 17 (фиг. 4 и фиг. 5).
5. Крепление кронштейна 39 к плите 17 (фиг. 6 и фиг. 7)
6. Подшипник 48, подшипник из двух половинок 30 (фиг. 8, 9).
7. Объем 45 сжатого воздуха в компрессоре и размер 44 между поршнями (фиг. 10)
8. Объем сжатого воздуха 49 в компрессоре после поступления части воздуха в мембранный механизм (фиг. 11)
9. Объем сжатого воздуха 46 (фиг. 3 и фиг. 12) в полости рабочего цилиндра после поступления воздуха из компрессора и мембранного механизма, размер между поршнями (фиг. 12 и фиг. 3), 47=0,57 см.
10. Выпускное устройство (фиг. 13) ось клапана 50 смещена относительно горизонтальной оси на необходимый угол.
Двигатель ВСДД (фиг. 1) содержит цилиндр компрессора 18 с двумя поршнями 20, компрессор - сжатие воздуха после впуска, степень сжатия 14, подача сжатого воздуха в полость между поршнями рабочего цилиндра
Рабочий цилиндр после подачи сжатого воздуха, подача топлива, вспышка, горение топлива, такт расширения. Такты ВСДД разделены: компрессор - впуск воздуха и сжатие, подача воздуха, рабочий цилиндр после подачи воздуха и подачи топлива такт расширения, обратный ход выпуск.
Компрессор и рабочий цилиндр с двух сторон соединены с плитами 17. Два коленчатых вала 28 и 29 усилие рабочих поршней 26 через кривошипно-шатунный механизм 27 передают на общий вал 43 через штангу 42 и кривошип 41. Коленчатые валы 28 и 29 установлены в кранштейнах 39 (фиг. 1 и фиг. 6, 7) показаны плита 17. Коленчатый вал 28, 29, кронштейн 39, подшипник 48.
Цилиндр 14 для дополнительной подачи воздуха жестко закреплен на плите 17, в цилиндре поршень 16 через кривошипно-шатунный механизм 15 сочленен с коленчатым валом 28, самодействующие клапаны 13 впуск, 40 подача в компрессор.
Для стабилизации давления в период подачи воздуха из компрессора в полость рабочего цилиндра применяется мембранный механизм, который содержит корпус 21, соединенный с трубопроводом 37, в корпусе мембрана 24 под заданное давление регулируется упором 22 (фиг. 1), сжимая пружину 23 до соответствующего давления поступающего воздуха.
Устройство для подачи воздуха из компрессора в полость рабочего цилиндра содержит корпус 36, соединенный с трубопроводом 37, в корпусе 36 под действием кулачка 35 перемещается шток 34 с отверстием 33. В период подачи воздуха из компрессора 18 кулачек совмещает отверстие 33 с трубопроводом 37, сжатый воздух из компрессора и мембранного механизма по трубопроводу 37 поступает в полость рабочего цилиндра 25 между поршнями 26, в момент вспышки обратный клапан 32 перекроет поступление газа из рабочего цилиндра в компрессор.
Два кривошипа 41 и две штанги 42 передают усилие двух коленчатых валов 28 и 29 на общий вал 43.
Для обеспечения работоспособности выпускного устройства (фиг. 13) ось клапана 50 расположена под углом к горизонтальной оси (фиг. 13), где общий вал 43, кулачек 51, толкатель 52, коромысло 53, клапан 50, рабочий цилиндр 25.
Вышеизложенное рассмотрим на примере, для чего компрессор и рабочий цилиндр возьмем со следующими параметрами:
1. Компрессор: диметр цилиндра 50 мм \, площадь поршней по 20 см2, ход поршней по 60 мм 6+6=12 см, объем после в пуска 20×12=240 см3, степень сжатия 14, объем сжатого воздуха 240:14=17, 1 см3 размер между поршнями при объеме 17,1 см3 12:14=0,86 см.
2. Рабочий цилиндр: площадь поршней по 30 см3, при диаметре цилиндра 61,8 мм, размер между поршнями при объеме 17,1 равен 17,1:30=0,57 см, ход поршней компрессора и рабочего цилиндра равны по 60 мм (6+6=12 см.) Объем 45 (фиг. 2) и объем 46 (фиг. 3) равны по 17,1 см2, размеры между поршнями компрессора 44 (фиг. 2) равен 0,86 см, размер между поршнями рабочего цилиндра 47 (фиг. 3) равен 0,57 см. Объемы сжатого воздуха компрессора и рабочего цилиндра равны, размеры меду поршнями компрессора и рабочего цилиндра не равны (0,86 и 0,57). Положение поршней перед началом подачи из компрессора в полость рабочего цилиндра (фиг. 10) размер между поршнями компрессора 0,86 см, поршни рабочего цилиндра ВМТ. Во время перепуска поршни компрессора сближаются до ВМТ, вытеснив в рабочий цилиндр объем 17,1 см3, поршни рабочего цилиндра от ВМТ разойдутся до размера 0,86, создав объем 0,86×30=25,8 см3. Объем рабочего цилиндра в 1,5 раза больше поступившего объема компрессора (25,8:17,1=1,5), давление поступившего воздуха в полость рабочего цилиндра уменьшится в 1,5 раза, двигатель ВСДД работать по принципу «дизель» не может.
Для подачи объема воздуха из компрессора в полость рабочего цилиндра не снижая давление, применяется мембранный механизм. Поршни компрессора, сжав воздух до размера 0,86, продолжают сближение, до размера 0,57 см, тогда объем между поршнями компрессора равен 0,57×20=11,4 см3, объем (17,1-11,4=5,7 см3), 5,7 см3 поступит в мембранный механизм (фиг. 11).
Во время подачи воздух подается поршнями компрессора и мембранного механизма в полость рабочего цилиндра в объеме 17,1 см3 и давление 4 МПа (фиг. 11 и фиг. 12), после подачи воздуха подача топлива, горение, расширение, рабочий ход.
Сравним технические характеристики ВСДД и четырех цилиндрового четырехтактного двигателя «дизель».
Двигатель ВСДД за один оборот коленчатого вала один рабочий ход с максимальным давлением на поршни в начале расширения (30+30)×8=480 МПа, два оборота 480×2=960 МПа.
Потребление на сжатие (20+20)×4=160 МПа, два оборота 160+160=320 МПа, разность расширения и сжатия 960-320=640 МПа.
Дизель один рабочий ход с начальным максимальным давлением на поршень в начале расширения 30×8=240 МПа за два оборота коленчатого вала четыре рабочих хода 240×4=960 МПа, максимальное давление на сжатие 30×4=120 МПа, за два оборота четыре сжатия 120×4=480 МПа.
Разность расширения и сжатия 960-480=480 МПа.
Расход топлива ВСДД за два оборота две порции топлива.
Расход топлива дизель за два оборота четыре порции топлива.
Модуль силы ВСДД равен М=Fx(R+R)
Модуль силы дизель равен М=FR
Расчет произведены, если при впуске объем компрессора будет заполнен воздухом атмосферного давления, фактически давление в компрессоре после впуска равно 75-85 Кпа, что снижает мощность двигателя. Подача дополнительного объема воздуха в компрессор дополнительным насосом (цилиндр с поршнем) увеличит мощность двигателя.
Двигатель внутреннего сгорания двойного действия, содержащий рабочий цилиндр, компрессор и устройство для подачи воздуха из компрессора в полость между поршнями рабочего цилиндра, рабочий цилиндр выполнен большего диаметра с двумя поршнями, компрессор выполнен в виде цилиндра меньшего диаметра двумя поршнями, поршни рабочего цилиндра и поршни компрессора сочленены кривошипно-шатунным механизмом с двумя коленчатыми валами, отличающийся тем, что двигатель снабжен дополнительным цилиндром для подачи воздуха в компрессор и мембранным механизмом, причем мембранный механизм содержит корпус, регулировочный стержень, установленный в корпусе, пружину, установленную между стержнем и мембраной, устройство для подачи воздуха из компрессора в полость рабочих поршней содержит корпус, в корпусе под действием кулачка перемещается шток с отверстием, в период подачи воздуха из компрессора и мембранного механизма, кулачек совмещает отверстие штока с трубопроводом сжатого воздуха, сжатый воздух из компрессора и мембранного механизма по трубопроводу сжатого воздуха поступает в полость между поршнями рабочего цилиндра, во время сжатия часть объема воздуха остается между поршнями компрессора, часть поступает в мембранный механизм, после поступления воздуха из компрессора и мембранного механизма в полость между поршнями рабочего цилиндра и подачи топлива, в момент вспышки самодействующий обратный клапан перекрывает проход газа из рабочего цилиндра в компрессор, коленчатые валы сочленены кривошипно-шатунным механизмом с кривошипом общего вала, дополнительный цилиндр для подачи воздуха в компрессор содержит поршень, сочлененный кривошипно-шатунным механизмом с коленчатым валом, два самодействующих клапана, впуск в цилиндр и подачу в компрессор.
