Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к моторостроению, предназначено к двигателям внутреннего сгорания и может быть использовано в автомобильном моторостроении.

Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий неподвижный корпус, поршень, разделяющий его полость на цилиндр и кривошипную камеру с кривошипным механизмом и имеющий возможность периодического совершения в этой полости возвратно-поступательного движения. Двигатель также содержит карбюратор, клапаны, форсунку, свечу зажигания, продувочное и выпускное окна для осуществления поступления воздуха и топлива, сжатия и воспламенения топливной смеси, расширения, выпуска отработавших газов. Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение кривошипным механизмом с помощью карданного вала. Рабочий цикл двухтактного двигателя внутреннего сгорания осуществляется за два хода поршня, то есть за оборот коленчатого вала [см. Двигатель внутреннего сгорания / Большая советская энциклопедия. - М: Советская энциклопедия, 1972. - Т. 7, с.575-576].

Недостатками двухтактного двигателя внутреннего сгорания являются невысокий коэффициент полезного действия двигателя из-за очистки цилиндра от продуктов сгорания газов путем прокачки сжатого воздуха и из-за необходимости возвратно-поступательного перемещения инерционных деталей кривошипного механизма, значительный вес двигателя из-за наличия тяжелых деталей кривошипного механизма и карданного вала.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к заявляемому изобретению является двухтактный двигатель внутреннего сгорания Скрипова, содержащий корпус с перегородкой, разделяющей полость на первую и вторую рабочие полости, первый поршень, разделяющий первую рабочую полость на камеру сгорания и дополнительную, первую компрессорную камеру, второй поршень, разделяющий вторую рабочую полость на вспомогательную и вторую компрессорную камеры, впускной коллектор с впускным клапаном, выпускное отверстие, перепускной коллектор с клапанами, установленными между рабочими полостями, форсунку, свечу зажигания, кривошипный механизм с коленчатым валом. Корпус выполнен в виде неподвижного моноблока с возможностью стационарного размещения, полость образована в моноблоке, перегородка образована стенками впускного коллектора и перепускной камеры, а рабочие полости выполнены цилиндрической формы. Поршни выполнены в виде цилиндров и связаны соединительным элементом в виде стержня.

В качестве дополнительной камеры первой рабочей полости использована первая компрессорная камера и в качестве вспомогательной камеры второй рабочей полости использована кривошипная камера. Внутри последней установлен кривошипный механизм. В первый ход поршней и соединительного элемента верхний поршень под действием давления горящего в камере сгорания топлива совершает рабочий ход и идет вниз. В это время под верхним поршнем в первой компрессорной камере имеется воздух, который сжимается и, при достижении определенного давления, при закрытом клапане между впускным коллектором и первой компрессорной камерой, открывает клапан между первой компрессорной камерой и перепускным коллектором и перетекает в перепускной коллектор.

В первый ход поршней и соединительного элемента при движении вниз нижний поршень создает разрежение над нижним поршнем во второй компрессорной камере. Во вторую компрессорную камеру через клапан между впускным коллектором и второй компрессорной камерой засасывается воздух из впускного коллектора при закрытом клапане между второй компрессорной камерой и перепускным коллектором. При первом ходе поршней одновременно происходят: рабочий ход верхнего поршня, вытеснение воздуха из первой компрессорной камеры в перепускной коллектор, впуск воздуха в камеру сгорания из перепускного коллектора и вытеснение воздуха из кривошипной камеры в перепускной коллектор. Когда верхний поршень открывает выпускное отверстие камеры сгорания, давление в камере сгорания резко падает и открывается клапан из перепускного коллектора в камеру сгорания и благодаря избыточному давлению воздух из перепускного коллектора перетекает в камеру сгорания, продувая камеру сгорания от отработавших газов.

Во второй ход поршней верхний поршень и нижний поршень следуют вверх. Над нижним поршнем во второй компрессорной камере повышается давление, закрывается клапан между впускным коллектором и второй компрессорной камерой, открывается клапан между второй компрессорной камерой и перепускным коллектором и находящийся над нижним поршнем во второй компрессорной камере воздух выжимается в перепускной коллектор. В это же время, во второй ход поршней подается воздух из впускного коллектора в первую компрессорную камеру под верхним поршнем через клапан между впускным коллектором и первой компрессорной камерой при закрытом клапане между впускным коллектором и второй компрессорной камерой. Во второй ход поршней при движении поршней вверх в камере сгорания верхний поршень повышает давление. При этом за счет открытия клапана, находящегося между перепускным коллектором и камерой сгорания, давление в камере сгорания становится таким же, как в перепускном коллекторе. Именно тогда через форсунку происходит впрыскивание топлива в камеру сгорания и поджигание распыленного топлива с помощью свечи зажигания. Из-за резкого повышения давления горящего топлива в камере сгорания клапан между перепускным коллектором и камерой сгорания закрывается. Верхний поршень под действием давления продуктов сгорания топлива в камере сгорания вместе с соединительным элементом и вторым поршнем начинает повторять первый рабочий ход и идет вниз. Далее цикл повторяется [Александров М. И все-таки он заработал // Энергия - ENERGY, 1999. - №6, С.38-39].

Недостатками двухтактного двигателя внутреннего сгорания Скрипова является, во-первых, низкий коэффициент полезного действия двигателя из-за затрат мощности на сжатие воздуха для продувки камеры сгорания и затрат мощности на возвратно-поступательное перемещение деталей кривошипного механизма и вращение коленчатого вала; во-вторых, малая мощность двигателя из-за отсутствия возможности подачи большего количества воздуха и топлива в камеру сгорания и наполнения камеры сгорания свежим топливом и воздухом в момент высокого давления в ней; в-третьих, малая топливная экономичность по причине неполной очистки от отработавших газов; в-четвертых, большой вес двигателя из-за наличия кривошипного механизма, коленчатого вала и большого количества подшипников коленчатого вала.

Предлагаемым изобретением решается следующая задача: повышение коэффициента полезного действия двигателя путем исключения затрат мощности на сжатие воздуха для продувки камеры сгорания и вытеснение отработавших газов и путем исключения затрат мощности на возвратно-поступательное перемещение деталей кривошипного механизма и вращение коленчатого вала; повышение мощности двигателя путем подачи большего количества воздуха и топлива в камеру сгорания и наполнения камеры сгорания свежим топливом и воздухом в момент пониженного давления в ней; повышение топливной экономичности путем полной очистки от отработавших газов; снижение веса двигателя вследствие отсутствия необходимости в использовании кривошипного механизма, коленчатого вала и большого количества подшипников коленчатого вала.

Для достижения названного технического результата в двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус с перегородкой, разделяющей полость на первую и вторую рабочие полости, первым поршнем, разделяющим первую рабочую полость на камеру сгорания и дополнительную камеру, вторым поршнем, разделяющим вторую рабочую полость на вспомогательную и компрессорную камеры, впускным клапаном и выпускным отверстием, перепускным коллектором с клапанами, установленным между рабочими полостями, форсункой и свечой зажигания, корпус выполнен в виде цилиндра, установленного на оси с возможностью вращения оси относительно корпуса, полость образована между внутренней поверхностью цилиндра и наружной поверхностью оси, рабочие полости выполнены тороидальной формы. При этом двигатель дополнительно снабжен заслонками, каждая из которых установлена в прорези цилиндра с возможностью перемещения внутри своей рабочей полости для разделения и сообщения камер, дополнительным перепускным коллектором с клапанами, установленным в цилиндре между рабочими полостями. Причем оба коллектора снабжены общими клапанами, один из которых связан с первой рабочей полостью, а другой - со второй рабочей полостью. Причем каждый поршень соединен с осью, а в качестве дополнительной камеры первой рабочей полости использована выхлопная камера и в качестве вспомогательной камеры второй рабочей полости использована всасывающая камера.

Выполнение корпуса в виде цилиндра, установленного на оси с возможностью вращения оси относительно корпуса, образование полости между внутренней поверхностью цилиндра и наружной поверхностью оси, выполнение рабочих полостей тороидальной формы и дополнительное снабжение двигателя заслонками, каждая из которых установлена в прорези цилиндра с возможностью перемещения внутри своей рабочей полости для разделения и сообщения камер, позволяет исключить кривошипный механизм, коленчатый вал и большое количество подшипников коленчатого вала, следовательно, исключить затраты мощности на возвратно-поступательное перемещение деталей кривошипного механизма и вращение коленчатого вала, а также снизить вес двигателя. Снабжение двигателя дополнительным перепускным коллектором с клапанами, установленным в цилиндре между рабочими полостями, причем оба коллектора снабжены общими клапанами, один из которых связан с первой рабочей полостью, а другой - со второй рабочей полостью, способствует подаче большего количества воздуха и топлива в камеру сгорания и наполнению камеры сгорания свежим топливом и воздухом в момент пониженного давления, что приводит к повышению мощности двигателя. Соединение каждого поршня с осью, использование выхлопной камеры в качестве дополнительной камеры первой рабочей полости, использование всасывающей камеры в качестве вспомогательной камеры второй рабочей полости позволяют полностью очистить камеру сгорания от отработавших газов, снабдить ее необходимым количеством топлива и воздуха и таким путем повысить экономичность. Это также позволяет исключить затраты мощности на сжатие воздуха для продувки камеры сгорания и вытеснение отработавших газов и повысить коэффициент полезного действия двигателя.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена схема двигателя внутреннего сгорания, на фиг.2 - ведущий блок двигателя в сечении А - А фиг.1, на фиг.3 - ведомый блок двигателя в сечении В - В фиг.1, на фиг 4 - цилиндр двигателя в сечении.

Двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 1 с перегородкой 2, разделяющей полость 3 на первую рабочую полость 4 и вторую рабочую полость 5, первый поршень 6, разделяющий первую рабочую полость 4 на камеру 7 сгорания и выхлопную камеру 8, второй поршень 9, разделяющий вторую рабочую полость 5 на всасывающую камеру 10 и компрессорную камеру 11, впускной клапан 12, выпускное отверстие 13, основной перепускной коллектор 14 с клапанами 15 и 16 и дополнительный перепускной коллектор 17 с клапанами 18 и 19, клапаны 20 и 21, форсунку 22 и свечу 23 зажигания. Перепускные коллекторы 14 и 17 и клапаны 15, 16, 18, 19, 20, 21 установлены между рабочими полостями 4 и 5. Корпус 1 выполнен в виде цилиндра 24, установленного на оси 25 с возможностью вращения оси 25 относительно корпуса 1. Полость 3 образована между внутренней поверхностью цилиндра 24 и наружной поверхностью оси 25, рабочие полости 4 и 5 выполнены тороидальной формы. Двигатель снабжен заслонками 26 и 27. Заслонка 26 установлена в прорези 28 цилиндра 24 с возможностью перемещения внутри рабочей полости 4 для разделения начала камеры 7 и конца камеры 8 и сообщения камер 7 и 8. Заслонка 27 установлена в прорези 29 цилиндра 24 с возможностью перемещения внутри рабочей полости 5 для разделения начала камеры 10 и конца камеры 11 и сообщения камер 10 и 11. Перепускные коллекторы 14 и 17 установлены в цилиндре 24 и снабжены общими клапанами 20 и 21. Клапан 20 является выпускным для воздуха из компрессорной камеры 11 второй рабочей полости 5 и связан с ними. Клапан 21 является впускным для воздуха в камеру 7 сгорания первой рабочей полости 4 и связан с ними. Поршни 6 и 9 выполнены в виде лопаток и жестко соединены с осью 25. Первый поршень 6 определяет одной своей стороной конец камеры 7 сгорания, а другой стороной определяет начало выхлопной камеры 8. Заслонка 26 установлена с возможностью периодического возвратно-поступательного движения в прорези 28 в неподвижном цилиндре 24 для освобождения пути первому поршню 6, перемещающемуся в окружном направлении.

Второй поршень 9 определяет одной своей стороной конец всасывающей камеры 10, а другой стороной определяет начало компрессорной камеры 11. Заслонка 27 установлена с возможностью периодического возвратно-поступательного движения в прорези 29 в неподвижном цилиндре 24 для освобождения пути второму поршню 9, перемещающемуся в окружном направлении. Клапан 20 при компрессорной камере 11 и неподвижном цилиндре 24 установлен в воздуховоде 30 для поступления воздуха в перепускной коллектор 14 через клапан 15 или в перепускной коллектор 17 через клапан 18. Клапан 21 установлен в воздуховоде 31 для поступления сжатого воздуха в камеру 7 сгорания из перепускного коллектора 14 через клапан 16 или из перепускного коллектора 17 через клапан 19. Принято, что на фиг.2 и 3 направление вращения цилиндра 24 с поршнями 6 и 9 осуществляется по часовой стрелке. Первая рабочая полость 4 используется на рабочий ход первого поршня 6 с цилиндром 24 после воспламенения поступившего через форсунку 22 топлива в камере 7 сгорания от свечи 23 зажигания и на выхлоп отработанных газов из выхлопной камеры 8 через выпускное отверстие 13. Вторая рабочая полость 5 используется на впуск воздуха через впускной клапан 12 во всасывающую камеру 10, сжатие находящегося в компрессорной камере 11 воздуха и транспортировку воздуха в перепускные коллекторы 14 и 17.

Накопление нагнетаемого через клапан 20, воздуховод 30 и клапан 15 воздуха происходит в перепускном коллекторе 14, а накопление нагнетаемого через клапан 20, воздуховод 30 и клапан 18 воздуха осуществляется в перепускном коллекторе 17. Из перепускных коллекторов 14 или 17 попеременно и соответственно через клапан 16 или 19 сжатый воздух подается в камеру 7 сгорания через воздуховод 31 и клапан 21. Топливо в камеру 7 сгорания подается через форсунку 22. Рабочий ход поршня 6 с осью 25 и поршнем 9 осуществляется при сгорании топливной смеси от искры свечи 23 зажигания в пространстве камеры 7 сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. При движении первого поршня 6 вместе с осью 25 и вторым поршнем 9 по часовой стрелке через впускной клапан 12 во всасывающую камеру 10 поступает воздух из атмосферы. В этот момент по другую сторону второго поршня 9 и по другую сторону заслонки 27 в компрессорной камере 11 есть воздух, который сжимается с помощью движущегося по кругу второго поршня 9. При повышенном давлении воздуха в компрессорной камере 11 открывается клапан 20 и воздух через воздуховод 30 перетекает из компрессорной камеры 11 в перепускной коллектор 14 через клапан 15. После прохождения вторым поршнем 9 области расположения клапана 20 воздуховода 30 заслонка 27 освобождает путь второму поршню 9 и клапан 20 закрывается. После прохождения вторым поршнем 9 области заслонки 27 и впускного клапана 12 заслонка 27 снова закрывается, клапан 20 открывается и цикл работы во второй рабочей полости 5 повторяется. При повторном цикле работы сжатый воздух попадает через клапан 20, воздуховод 30 и клапан 18 в перепускной коллектор 17. При движении первого поршня 6 по часовой стрелке и, следовательно, понижении давления в камере 7 сгорания через клапан 21 в камеру 7 сгорания быстро поступает сжатый воздух из перепускного коллектора 14 через клапан 16 или из перепускного коллектора 17 через клапан 19. В этот же момент, при понижении давления в камере 7 сгорания, впрыскивается достаточное количество топлива через форсунку 22, и топливная смесь поджигается от свечи 23 зажигания. Повышенное давление в камере 7 сгорания заставляет первый поршень 6 активнее перемещаться по часовой стрелке вместе с осью 25 вместе со вторым поршнем 9. С другой стороны первого поршня 6 в выхлопной камере 8 имеется некоторое количество отработанных газов, которые вытесняются первым поршнем 6 из выхлопной камеры 8 через выпускное отверстие 13. При подходе первого поршня 6 к заслонке 26 она открывается. При открытии заслонки 26 идет кратковременное смешение отработанных к этому моменту газов камеры 7 сгорания и газов выхлопной камеры 8. После прохождения первым поршнем 6 области заслонки 26 заслонка 26 закрывается, и рабочая полость 4 готова к повторению цикла работы. Повторение цикла работы будет осуществляться с помощью заготовленного к этому времени в перепускном коллекторе 17 сжатого воздуха.

Описанный двигатель внутреннего сгорания имеет следующие преимущества: повышенный коэффициент полезного действия двигателя, поскольку отсутствуют затраты энергии на сжатие воздуха для продувки камеры сгорания, так как отработавшие газы вытесняются из выхлопной камеры поршнем и отсутствуют затраты энергии на возвратно-поступательное перемещение деталей кривошипного механизма и вращение коленчатого вала; повышенная мощность двигателя, поскольку подается большее количество воздуха и топлива в камеру сгорания из-за наполнения камеры сгорания свежим топливом и воздухом в момент пониженного давления в ней; высокая топливная экономичность из-за отсутствия отработавших газов в камере сгорания; пониженный вес двигателя, поскольку исключен кривошипный механизм, отсутствует коленчатый вал и многочисленные подшипники коленчатого вала.

Двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с перегородкой, разделяющей полость на первую и вторую рабочую полости, первый поршень, разделяющий первую рабочую полость на камеру сгорания и дополнительную камеру, второй поршень, разделяющий вторую рабочую полость на вспомогательную и компрессорную камеры, впускной клапан, выпускное отверстие, перепускной коллектор с клапанами, установленными между рабочими полостями, форсунку и свечу зажигания, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде цилиндра, установленного на оси с возможностью вращения оси относительно корпуса, полость образована между внутренней поверхностью цилиндра и наружной поверхностью оси, рабочие полости выполнены тороидальной формы, при этом двигатель дополнительно снабжен заслонками, каждая из которых установлена в прорези цилиндра с возможностью перемещения внутри своей рабочей полости для разделения и сообщения камер, дополнительным перепускным коллектором с клапанами, установленным в цилиндре между рабочими полостями, причем оба коллектора снабжены общими клапанами, один из которых связан с первой рабочей полостью, а другой - со второй рабочей полостью, причем каждый поршень соединен с осью, а в качестве дополнительной камеры первой рабочей полости использована выхлопная камера, и в качестве вспомогательной камеры второй рабочей полости использована всасывающая камера.