четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с грибовидным поршнем

Формула изобретения

Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий поршни грибовидной формы с утолщением, с большим диаметром в верхней части и с меньшим диаметром в нижней части, гильзы цилиндров, имеющие диаметр, равный большему диаметру поршня в верхней части, а в нижней части имеющие выступ с отверстием, равным меньшему диаметру поршня, полости камер сгорания, расположенные над поршнями, полости между утолщением поршня и выступом гильзы, являющиеся дополнительными камерами сгорания, и переходные каналы, отличающийся тем, что переходные каналы сообщают дополнительную камеру левого цилиндра с полостью камеры сгорания правого цилиндра, и полость камеры сгорания левого цилиндра с дополнительной камерой правого цилиндра, обеспечивая во время рабочего хода в левом цилиндре перетекание рабочих газов из полости камеры сгорания левого цилиндра в дополнительную камеру правого цилиндра, при этом в правом цилиндре происходит сжатие, поршень левого цилиндра сжимает воздух в дополнительной камере, который через переходной канал перетекает в полость камеры сгорания правого цилиндра, а при рабочем ходе в правом цилиндре газы из полости камеры сгорания правого цилиндра перетекают в дополнительную камеру левого цилиндра, а из дополнительной камеры правого цилиндра отработанные газы перетекают в полость камеры сгорания левого цилиндра, где происходит такт выпуска, причем при такте впуска в полости камеры сгорания левого цилиндра и в дополнительной камере правого цилиндра, в полости камеры сгорания правого цилиндра и в дополнительной камере сгорания левого цилиндра происходит такт выпуска, а при такте сжатия в полости камеры сгорания левого цилиндра и в дополнительной камере правого цилиндра, в дополнительной камере сгорания левого цилиндра и в полости камеры сгорания правого цилиндра происходит такт впуска.

Описание изобретения к патенту

Четырехтактный ДВС с грибовидным поршнем по принципу работы, используемому основными узлами и агрегатами, аналогичен существующим ДВС. Внесенные изменения имеют целью увеличение удельной мощности, что и определит его область применения.

Существует многоцилиндровый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с дифференциальным поршнем (патент DE 2223608). В нем дифференциальный поршень движется в цилиндре, имеющем в верхней части больший, а в нижней меньший диаметр, и образует две полости - камеру сгорания вверху и компрессионную камеру внизу. Эти камеры соединены между собой в определенном порядке через пустотелый вращающийся газораспределительный вал. Такая конструкция позволяет осуществить дополнительную подачу воздуха в камеру сгорания на такте впуска, вентиляцию камер сгорания на такте окончания рабочего хода, начала выпуска и передачу части энергии поршня, движущегося под воздействием рабочих газов, поршням других цилиндров, находящимся в противофазе.

Недостатки:

- процесс подачи дополнительного воздуха в камеру сгорания малоэффективен, т.к. не позволяет повысить давление во время впуска воздуха,

- вентиляция камер сгорания в конце рабочего хода требует повысить давление в перепускных каналах до большего значения, что усложняет конструкцию,

- количество воздуха, подаваемое на продувку, не может быть отрегулировано, определяется конструктивно,

- передача энергии поршням других цилиндров при такой конструкции не может производиться плавно и постоянно, а производится скачкообразно, что ухудшает плавность работы двигателя,

- конструкция неоправданно усложнена и нетехнологична (в цилиндрах введены три дополнительных отверстия, усложнен газораспределительный механизм, забор атмосферного воздуха производится в двух местах).

Другим вариантом улучшения использования объема двигателя является двухтактный двигатель внутреннего сгорания (патент RU 2054128 C1). Он имеет самое меньшее два цилиндра одного диаметра, в которых двигаются поршни со штоками. Устройство приведено на фиг.7. Как и в предыдущем, поршень делит цилиндр на две полости. Верхняя полость одного цилиндра перепускным каналом 3, 4 с односторонним клапаном 14 с нижней другого цилиндра. Впускные клапаны расположены в нижней полости, выпускные 7 в верхней. В нижней полости происходит такт впуска и сжатия, в верхней - рабочий ход и выпуск.

Недостатки:

- необходимо крейцкопфное соединение шатуна со штоком,

- из-за того, что объем верхней полости, переходного канала и воздуха, потраченного на продувку, больше объема нижней полости, жестче ограничен по времени момент поджигания топлива (воздух будет быстрее расширяться и терять температуру, чем сжимался),

- момент начала продувки определяется регулировкой односторонних клапанов перепускных каналов и жестко не связан с моментом поджигания топлива,

- скачок давления в нижней полости в момент начала продувки ухудшает плавность работы двигателя.

Основным преимуществом двухтактных двигателей перед четырехтактными является большая удельная мощность. А удельная мощность напрямую зависит от конструктивных особенностей двигателя, определяющих плавность его работы. В предлагаемом четырехтактном двигателе решается задача увеличения удельной мощности при повышении плавности и устойчивости работы.

Прототипом ДВС с грибовидным поршнем по принципу воздействия рабочих газов является двигатель двойного действия (Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. А. С. Орлин. М.: Машиностроение, 1970 г.) Его устройство приведено на фиг.1. Обозначения: 6 - цилиндр, 10 - поршень, 11 - шток, 12 - крейцкопф, 13 - шатун. Поршень соединен с коленвалом через крейцкопф и шатун. Крейцкопф обеспечивает прямолинейное движение штока. Преимущества: увеличение количества тактов в два раза за единицу времени, отсюда увеличение удельной мощности на 80-85%. Недостатком является сложность конструкции.

Четырехтактный ДВС с грибовидным поршнем отличается от прототипа тем, что в нем применен поршень с большим диаметром в верхней части и меньшим в нижней и копирующий его форму цилиндр (если поршень находится в НМТ).

Такое его устройство позволяет ввести кроме основной камеры сгорания, расположенной над поршнем, и дополнительную, расположенную между утолщением поршня и выступом цилиндра.

Основным элементом, присущим и двигателю двойного действия, и двигателю с грибовидным поршнем, является наличие двух камер сгорания.

Отличия:

- в двигателе с грибовидным поршнем полость 2 камеры сгорания (нижняя) не имеет своих клапанов и форсунки и соединена переходным каналом с полостью 1 (верхней) соседнего цилиндра,

- в предлагаемом двигателе нет крейцкопфа и штока,

- количество тактов за единицу времени не увеличено, но действие одного такта распределено сразу на два цилиндра,

- объем полости 1 существенно больше объема полости 2.

Таким образом, двигатель с грибовидным поршнем реализует основные преимущества двигателя двойного действия при значительном упрощении конструкции.

Решение задачи заключается в том, что четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий поршни грибовидной формы с утолщением, с большим диаметром в верхней части и с меньшим диаметром в нижней части, гильзы цилиндров, имеющие диаметр, равный большему диаметру поршня в верхней части, а в нижней части имеющие выступ с отверстием, равным меньшему диаметру поршня, полости камер сгорания, расположенные над поршнями, полости между утолщением поршня и выступом гильзы, являющиеся дополнительными камерами, и переходные каналы, которые сообщают дополнительную камеру левого цилиндра с полостью камеры сгорания правого цилиндра, и полость камеры сгорания левого цилиндра - с дополнительной камерой правого цилиндра, обеспечивая во время рабочего хода в левом цилиндре перетекание рабочих газов из полости камеры сгорания левого цилиндра в дополнительную камеру правого цилиндра, при этом в правом цилиндре происходит сжатие, поршень левого цилиндра сжимает воздух в дополнительной камере, который через переходной канал перетекает в полость камеры сгорания правого цилиндра, а при рабочем ходе в правом цилиндре газы из полости камеры сгорания правого цилиндра перетекают в дополнительную камеру левого цилиндра, а из дополнительной камеры правого цилиндра отработанные газы перетекают в полость камеры сгорания левого цилиндра, где происходит такт выпуска, причем при такте впуска в полости камеры сгорания левого цилиндра и в дополнительной камере правого цилиндра, в полости камеры сгорания правого цилиндра и в дополнительной камере сгорания левого цилиндра происходит такт выпуска, а при такте сжатия в полости камеры сгорания левого цилиндра и в дополнительной камере правого цилиндра, в дополнительной камере сгорания левого цилиндра и в полости камеры сгорания правого цилиндра происходит такт впуска.

Графический материал.

Фиг.1. Двигатель внутреннего сгорания двойного действия.

Фиг. 2. Продольный разрез двигателя внутреннего сгорания с грибовидным поршнем.

Фиг. 3. Работа двухцилиндрового двигателя внутреннего сгорания с грибовидным поршнем по тактам.

Фиг.4. Таблица очередности тактов двухцилиндрового двигателя с грибовидным поршнем.

Фиг.5. График изменения силы по фазам вращения коленчатого вала.

Фиг. 6. Схема сил, действующих на поршень и коленчатый вал обычного двигателя на такте рабочий ход.

Фиг.7. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания, патент RU 2054128 С1,

Фиг. 8. Продольный разрез четырехцилиндрового двигателя с грибовидным поршнем.

Устройство двигателя внутреннего сгорания с грибовидным поршнем приведено на фиг.2. Полость 1 является основной, а полость 2 дополнительной камерами сгорания. Полость 2 занимает объем между утолщением поршня 5 и выступом гильзы цилиндра 6. Полость 2 левого цилиндра соединена переходным каналом 3 с полостью 1 правого, а полость 1 левого цилиндра переходным каналом 4 с полостью 2 правого. Остальные обозначения: 7 - клапаны, 8 - форсунки или свечи, 9 - компрессионные кольца.

Фиг. 3. Принцип работы на примере двухцилиндрового дизельного двигателя, поршни и клапаны изображены в положении начала такта без учета углов опережения.

А. В левом цилиндре впрыск топлива, начало такта рабочий ход. При движении от верхней до нижней мертвой точки поршень своим телом открывает переходной канал А и рабочие газы из полости 1 левого цилиндра перетекают в полость 2 правого, воздействуя на поршни обоих цилиндров. В правом цилиндре такт сжатия. Поршень левого цилиндра сжимает воздух в полости 2, который через переходный канал 3 перетекает в полость 1 правого цилиндра.

Б. Рабочий ход в полости 1 правого цилиндра. При движении поршня открывается переходной канал 3 и рабочие газы из полости 1 правого цилиндра перетекают в полость 2 левого. Из полости 2 правого цилиндра отработанные газы через канал 4 перетекают в полость 1 левого, происходит такт выпуска.

В. Левый цилиндр - такт впуска в полости 1 и в полости 2 правого цилиндра. В полости 2 левого и в полости 1 правого - выпуск.

Г. В полости 1 левого цилиндра и в полости 2 правого такт сжатия. В полости 2 левого и полости 1 правого - впуск.

Фиг. 6. Схема сил, действующих на поршень и коленчатый вал. - результирующая всех сил, действующих на поршень. В точке соединения поршня с шатуном она раскладывается на силу , направленную перпендикулярно к оси поршня, и силу , направленную вдоль оси шатуна. В свою очередь сила в точке соединения шатуна с коленчатым валом раскладывается на силу - нормальную, направленную к центру вращения, и силу - направленную по касательной к окружности вращения и создающую момент вращения.

Фиг. 5. График зависимости силы от фазы вращения коленчатого вала. Выполнен в одном масштабе.

А. График зависимости силы для обычного двигателя с двумя цилиндрами со сдвигом тактов на 180^o (Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. А.С. Орлин. М.: Машиностроение, 1970 г.):

- - - - левый цилиндр,

- - - правый цилиндр,

-------- результирующая.

Б, В. Графики изменения силы в двигателе с грибовидным поршнем для левого и правого цилиндров соответственно. Очередность тактов из таблицы фиг. 4. Принимается, что объем полости 1 в два раза больше объема полости 2, а их сумма равна объему камеры сгорания обычного двигателя, график А:

- - - - полость 1,

- - - полость 2,

------- результирующая.

Г. График суммарной силы обоих цилиндров двигателя с грибовидным поршнем.

Из сравнения результирующих сил Т обычного двигателя и двигателя с грибовидным поршнем видно, что второй обладает большей плавностью работы на тактах сжатия и рабочий ход.

Фиг. 7. Вариант четырехтактного (или кратного четырем) двигателя с грибовидным поршнем. Отличается от рассматриваемого тем, что не имеет переходного канала 4, полости 1 и 2 всех цилиндров соединены последовательно в кольцо.