Двигатель внутреннего сгорания с аккумулируемой компрессией и регулируемой степенью сжатия

Двигатель внутреннего сгорания с аккумулируемой компрессией и регулируемой степенью сжатия содержит оппозитно расположенные цилиндры с поршнями, у которых поршни взаимно противоположных цилиндров связаны между собой зубчатыми рейками, имеющими кинематическую связь с шестерней выходного вала. В объемных головках цилиндров размещены камеры сгорания конусообразной формы с установленными в них форсунками и свечами калильного зажигания. Смежные цилиндры сообщены воздушными каналами между собой и накопителем сжатого воздуха. В воздушных каналах установлены клапаны управления подачей, перепуском, и отсечкой газообразных потоков воздуха и рабочей смеси. Механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней в вращательное снабжен приводной шестерней и двумя комплектами шестерен, каждый из которых состоит из пары блоков промежуточных шестерен и шестерни отбора мощности. Каждый из комплектов закреплен на одном валу и имеет кинематическую связь между собой и шестерней выходного вала, при этом один блок из каждой пары блоков промежуточных шестерен установлен на валу неподвижно, а второй установлен с возможностью углового перемещения относительно вала. Приводная шестерня выполнена в виде кольца с зубьями на наружной и внутренней поверхностях и размещена между зубчатыми рейками с образованием зубчатого зацепления. Блоки промежуточных шестерен установлены внутри приводной шестерни и состоят из двух частей. Одна часть представляет собой зубчатый венец, а другая зубчатый сектор. Зубчатые венцы находятся в постоянном зацеплении друг с другом. Зубчатые сектора установлены с возможностью поочередного взаимодействия с зубьями внутренней поверхности приводной шестерни. Технический результат-создание высокоэффективного двигателя внутреннего

сгорания с аккумулируемой компрессией и регулируемой степенью сжатия с высоким КПД и топливной экономичностью. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

МПК8 Г 02В 71/04 Г 02В 75/24 Р 04В 27/02

Двигатель внутреннего сгорания с аккумулируемой компрессией и регулируемой степенью сжатия

Полезная модель относится к двигателям внутреннего сгорания и может найти применение в поршневых двигателях, насосах, компрессорах, и других устройствах, содержащих в своей конструкции поршни и цилиндры.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий, по меньшей мере, две секции, каждая из которых содержит поршень, соединенный с кривошипно-шатунным механизмом. Поршни секций попарно расположены в общих цилиндрах с общими камерами сгорания. Кривошипы кривошипно-шатунных механизмов жестко соединены с коническими шестернями, находящимися в зацеплении с двумя центральными зубчатыми колесами, закрепленными на валу отбора мощности (см., например, патент на полезную модель РФ 3785, Р02В 75/26, опубликовано 16.03.97 г.)

Недостатком известного устройства является наличие большого количества кинематических пар, усложняющих конструкцию. Наличие конических зубчатых колес обусловливает возникновение в процессе работы осевой составляющей силы, в связи с чем предъявляются более жесткие требования к кинематическим опорам и подшипникам, что также усложняет конструкцию и снижает надежность устройства.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по совокупности существенных признаков является двигатель

2

внутреннего сгорания, содержащий, по меньшей мере, две парыоппозитно расположенных цилиндров с поршнями, каждый из которыхсвязан с одним из указанных цилиндров и выполнен с возможностьюперемещения в этом цилиндре, причем два из указанных поршнейоппозитно расположенных цилиндров соединены между собойобщим штоком с образованием первой поршневой пары собеспечением возможности совершения совместного возвратно-поступательного движения, а два других из указанных поршней такжесоединены между собой общим штоком с образованием второйпоршневой пары с обеспечением возможности совершения совместного
возвратно-поступательного движения, причем шток первой

поршневой пары и шток второй поршневой пары кинематически связаны между собой и выходным валом механизма преобразования возвратно-поступательного движения в вращательное и наоборот, при этом каждый из указанных цилиндров содержит камеру сгорания, ограниченную головкой цилиндра, впускные и выпускные клапаны, устройства для впрыска топлива и воспламенения рабочей смеси для каждого из указанных цилиндров, (см., например, патент РФ на изобретение 2398120, индекс МПК Р02В 71/04, опубликовано 27.03.2009 г.)

Известный двигатель внутреннего сгорания состоит из большого количества входящих деталей, сложен в изготовлении, обладает большими пространственными габаритами и недостаточной топливной экономичностью.

Техническим результатом при использовании предлагаемой полезной модели является возможность создания высокоэффективного двигателя внутреннего сгорания с аккумулируемой компрессией и регулируемой степенью сжатия с высоким КПД и топливной экономичностью.

3

Указанный технический результат достигается тем, что
двигатель внутреннего сгорания с аккумулируемой компрессией и
регулируемой степенью сжатия, содержащий, по меньшей мере, две
пары оппозитно расположенных цилиндров с поршнями, каждый из
которых связан с одним из указанных цилиндров и выполнен с
возможностью перемещения в этом цилиндре, причем два из

указанных поршней оппозитно расположенных цилиндров соединены
между собой общим штоком с образованием первой поршневой пары
с обеспечением возможности совершения совместного возвратно-
поступательного движения, а два других из указанных поршней также
соединены между собой общим штоком с образованием второй
поршневой пары с обеспечением возможности совершения совместного
возвратно-поступательного движения, причем шток первой

поршневой пары и шток второй поршневой пары кинематически связаны между собой и выходным валом механизма преобразования возвратно-поступательного движения в вращательное и наоборот, при этом каждый из указанных цилиндров содержит камеру сгорания, ограниченную головкой цилиндра, впускные и выпускные клапаны, устройства для впрыска топлива и воспламенения рабочей смеси для каждого из указанных цилиндров, снабжен накопителями сжатого воздуха, сообщенными воздушными каналами с камерами сгорания, цилиндрами и атмосферой, при этом в воздушных каналах установлены впускной, заборный, перепускной и выпускной клапаны управления подачей, перепуском и отсечкой газообразных потоков сжатого воздуха и рабочей смеси, головки цилиндров выполнены объемными для обеспечения возможности размещения в них камер сгорания, которые выполнены в виде конусообразного отверстия переменного сечения с диаметром большей величины со стороны цилиндра, в камерах сгорания установлены устройства для впрыска топлива, выполненные, например, в виде форсунки, а также устройства для воспламенения

4

рабочей смеси выполненные, например, в виде свечи калильного
зажигания, механизм преобразования возвратно-поступательного
движения в вращательное и наоборот снабжен зубчатыми рейками,
приводной шестерней, шестерней выходного вала, по меньшей мере,
двумя шестернями отбора мощности, двумя валами и двумя парами
блоков промежуточных шестерен, каждый из которых состоит из двух
частей, одна из которых выполнена в виде зубчатого венца с зубьями
по всей длине делительной окружности, а другая в виде зубчатого
сектора с зубьями, примерно, на половине длины делительной
окружности, при этом зубчатые рейки закреплены на общих штоках
первой и второй поршневой пары, приводная шестерня выполнена в
виде кольца с зубьями на наружной и внутренней поверхностях
кольца, размещена между зубчатыми рейками с образованием
зубчатого зацепления, блоки промежуточных шестерен попарно
установлены на валах внутри приводной шестерни, на валах совместно
с блоками промежуточных шестерен установлены шестерни отбора
мощности, находящиеся в постоянном зацеплении с шестерней
выходного вала, при этом один блок из каждой пары блоков
промежуточных шестерен установлен на валу неподвижно, а второй
установлен с возможностью углового перемещения блока

промежуточных шестерен относительно вала, при этом зубчатые венцы блоков промежуточных шестерен находятся в постоянном зацеплении друг с другом, а зубчатые сектора установлены с возможностью поочередного взаимодействия с зубьями внутренней поверхности приводной шестерни.

Кроме того, последовательность срабатывания клапанов

управления подачей, перепуском и отсечкой газообразных потоков сжатого воздуха и рабочей смеси находится в зависимости от режима работы двигателя внутреннего сгорания, а накопители сжатого воздуха установлены по одному для каждой пары смежных цилиндров.

5

На фиг.1 изображен двигатель внутреннего сгорания с аккумулируемой компрессией и регулируемой степенью сжатия, общий вид;

на фиг.2-разрез А-А на фиг. 1;

на фиг.З - разрез Б - Б на фиг. 2;

на фиг.4 - элемент В на фиг. 1.

Двигатель внутреннего сгорания с аккумулируемой компрессией и регулируемой степенью сжатия состоит из цилиндров 1,2,3,4, в которых расположены поршни 5,6,7,8. Цилиндры 1 и 3 расположены оппозитно относительно друг друга, поршни 5 и 7 соединены между собой общим штоком 9 с зубчатой рейкой 10 и образуют первую поршневую пару с обеспечением возможности совершения совместного возвратно-поступательного движения. Цилиндры 2 и 4 расположены оппозитно относительно друг друга, поршни 6 и 8 соединены между собой общим штоком И с зубчатой рейкой 12 и образуют вторую поршневую пару с обеспечением возможности совершения совместного возвратно-поступательного движения. Каждый из поршней 5,6,7,8 связан с одним из указанных цилиндров 1,2,3,4 и выполнен с возможностью перемещения в цилиндре. Между смежными цилиндрами 1 и 2 расположен накопитель сжатого воздуха 13. Между смежными цилиндрами 3 и 4 расположен накопитель сжатого воздуха 14. На периферийной части цилиндра 1 расположена объемная головка 15 с камерой сгорания 16, которая выполнена в виде конусообразного отверстия переменного сечения с диаметром большей величины со стороны цилиндра 1. На периферийной части цилиндра 2 расположена объемная головка 17 с камерой сгорания 18, которая выполнена в виде конусообразного отверстия переменного сечения с диаметром большей величины со стороны цилиндра 2. На периферийной части цилиндра 3 расположена объемная головка 19 с камерой сгорания 20, которая выполнена в виде

6

конусообразного отверстия переменного сечения с диаметром большей величины со стороны цилиндра 3. На периферийной части цилиндра 4 расположена объемная головка 21 с камерой сгорания 22, которая выполнена в виде конусообразного отверстия переменного сечения с диаметром большей величины со стороны цилиндра 4. В камере сгорания 16 головки 15 установлены форсунка 23 для впрыска топлива и свеча калильного зажигания 24 для воспламенения рабочей смеси. В камере сгорания 18 головки 17 установлены форсунка 25 для впрыска топлива и свеча калильного зажигания 26 для воспламенения рабочей смеси. В камере сгорания 20 головки 19 установлены форсунка 27 для впрыска топлива и свеча калильного зажигания 28 для воспламенения рабочей смеси. В камере сгорания 22 головки 21 установлены форсунка 29 для впрыска топлива и свеча калильного зажигания 30 для воспламенения рабочей смеси. Цилиндры 1 и 2 через камеры сгорания 16 и 18 сообщены между собой и накопителем сжатого воздуха 13 воздушным каналом 31, в котором установлены клапан 32 для перепуска сжатого воздуха из накопителя 13 в цилиндр 2 и клапан 33 для перепуска сжатого воздуха из накопителя 13 в цилиндр 1. Накопитель 13 сообщен воздушным каналом 34 через клапан 35 с цилиндром 2 для впуска сжатого воздуха из цилиндра 2 в накопитель 13. Накопитель 13 сообщен воздушным каналом 36 через клапан 37 с цилиндром 1 для впуска сжатого воздуха из цилиндра 1 в накопитель 13. Накопитель 14 сообщен воздушным каналом 38 через клапан 39 с цилиндром 3 для впуска сжатого воздуха из цилиндра 3 в накопитель 14. Накопитель 14 сообщен воздушным каналом 40 через клапан 41 с цилиндром 4 для впуска сжатого воздуха из цилиндра 4 в накопитель 14. В головках 15,17,19 и 21 выполнены воздушные каналы 42,43,44 и 45, в которых установлены заборные клапаны 46,47,48 и 49 для обеспечения поступления воздуха из атмосферы в процессе такта всасывания. Цилиндры 3 и 4 через камеры сгорания 20 и 22 сообщены

7

между собой и накопителем сжатого воздуха 14 воздушным каналом 50, в котором установлены клапан 51 для перепуска сжатого воздуха из накопителя 14 в цилиндр 3 и клапан 52 для перепуска сжатого воздуха из накопителя 14 в цилиндр 4. Для отвода отработанных газов полости цилиндров 1, 2, 3 и 4 сообщены с атмосферой воздушными каналами 53,54,55 и 56, в которых установлены выпускные клапаны 57,58,59 и 60. Для сброса избыточного давления на накопителях 13 и 14 установлены предохранительные клапаны 61 и 62. В механизме преобразования возвратно-поступательного движения в вращательное между зубчатыми рейками 10 и 12 расположена приводная шестерня 63, которая выполнена в виде кольца с зубьями на наружной и внутренней поверхностях кольца. Зубья на наружной поверхности приводной шестерни 63 имеют кинематическую связь и находятся в зацеплении с зубчатой рейкой 10 с одной стороны и зубчатой рейкой 12 с другой стороны. Внутри приводной шестерни 63 установлены на валах 64 и 65 блоки промежуточных шестерен, каждый из которых содержит два комплекта промежуточных шестерен 66,67 и 68,69. Комплекты шестерен 66,67 и 68,69 установлены попарно на валах 64 и 65 вместе с шестернями отбора мощности 70 и 71. Каждый из комплектов промежуточных шестерен 66,67 и 68,69 состоит из двух частей - зубчатых колес 72,73 и 74,75 с зубчатыми венцами по всей длине делительной окружности и зубчатых секторов 76,77 и 78,79 с зубьями примерно на половине длины делительной окружности. Зубчатые колеса 72 и 73,74 и 75 с зубчатыми венцами по всей длине делительной окружности находятся в постоянном зацеплении друг с другом. Зубчатые сектора 76,77,78 и 79 установлены на валах 64 и 65 с возможностью поочередного взаимодействия зубчатых секторов с зубьями внутренней поверхности приводной шестерни 63. Комплекты промежуточных шестерен 66 и 68 закреплены на валах 64 и 65 неподвижно. Комплекты промежуточных шестерен 67 и 69 закреплены

8

на валах 64 и 65 с возможностью углового перемещения относительно валов. Шток 9 с зубчатой рейкой 10 находится в контакте с опорными роликами 80,81,82 и 83, которые установлены попарно с двух сторон штока 9 с зубчатой рейкой 10 и служат для предотвращения поперечного смещения упомянутого штока. Шток 11с зубчатой рейкой 12 находится в контакте с опорными роликами 84,85,86 и 87, которые установлены попарно с двух сторон штока 11с зубчатой рейкой 12 и служат для предотвращения поперечного смещения упомянутого штока. Приводная шестерня 63 также находится в контакте с опорными роликами 88,89,90,91,92,93,94 и 95, которые установлены попарно с наружной и внутренней сторон приводной шестерни 63, и обеспечивают ее центрирование. Выходной вал 96 с шестерней выходного вала 97 и маховиком 98 расположен между шестернями отбора мощности 70 и 71 и кинематически связан через приводную шестерню 63 с штоком 9 с зубчатой рейкой 10 и штоком 11с зубчатой рейкой 12.

Последовательность тактов работы двигателя внутреннего сгорания с аккумулируемой компрессией и регулируемой степенью сжатия рассмотрена на примере работы цилиндра 2. Всасывание.

При движении поршня 6 в направлении преобразователя при закрытых клапанах 35 (перепуск сжимаемого воздуха из цилиндра 2 в накопитель 13), 32 (впуск сжатого воздуха в сопло 18), 58 (выхлоп отработанных газов) происходит заполнение рабочего цилиндра 2 атмосферным воздухом через открытый заборный клапан 47. Сжатие.

При очередном движении поршня 6 от преобразователя к сопловой головке 17 происходит такт сжатия. При закрытых клапанах: 47 (впуск воздуха из атмосферы), 32 (впуск сжатого воздуха в сопло), 58 (выпуск отработанных газов) будет происходить сжатие воздуха, который по воздушному каналу 31 и открытому клапану 35 (перепуск

9

сжатого воздуха из цилиндра 2 в накопитель ) перейдет в накопитель 13, при этом поршень проходит вплотную к сопловой головке 18 без образования камеры сгорания, которая образуется в рабочих цилиндрах типового классического двигателя внутреннего сгорания. Образовавшееся давление сжатого воздуха в накопителе 13 характеризуется как и степень его сжатия. При фиксированном ходе поршня 6 в его самом близком положении к сопловой головке 18, перепускной клапан 35 закрывается и сжатие заканчивается. Поскольку такт сжатия в цилиндрах не связан с тактом рабочий ход одним объемом заряда воздуха как в двигателе внутреннего сгорания, то во избежании переполнения накопителя 13 целесообразно проводить сжатие в разнолитражном режиме, для чего бортовым компьютером вычисляется подлежащий сжатию объем воздуха на пополнение накопителя. Одновременно с началом хода поршня 6 от преобразователя движения к реактивной головке цилиндра в такте сжатия открывается выпускной клапан 58 отработанной газовой смеси и выпускает не сжатый воздух, не подлежащий сжатию, до оставшегося объема воздуха подлежащего сжатию, для чего выпускной клапан 58 по управлению бортовым компьютером закрывается.

Предложенный вариант экономичен тем, что на выпуск несжатого воздуха не тратится механическая энергия, тогда как перепуск сжатого воздуха предохранительным клапаном 61 был бы затратным, поскольку на его сжатие необходима энергия, которая выражена теплотой и давлением в сжатом выпущенном воздухе. Примененный режим разнолитражности при сжатии направлен на увеличение экономичности устройства. Накопитель 13 до работы на выдачу мощности может пополняться несколькими тактами сжатия за счет работы системы только на себя, использовать заемную энергию (аккумулятор) и содержать собственный сжатый воздух от предыдущей работы на осуществление запуска. Способность иметь

10

запас сжатого воздуха для осуществления рабочего хода, характеризуется как аккумулируемая компрессия. Рабочий ход.

Сопло 18 имеет перепускной клапан 32 для подачи из накопителя 13 по воздушному каналу 31 сжатого воздуха к входному сечению сопла 18, имеет форсунку 25 для подачи и распыления горючего, свечу калильного зажигания 26 для осуществления запала и большее по размеру выходное сечение сопла 18. При открытии перепускного клапана 32 по воздушному каналу 31 из накопителя 13 через входное сечение в камеру сопла 18 поступает сжатый воздух в поток которого форсункой 25 распыляется топливо, воспламеняемое от свечи калильного зажигания 26. Доводимая теплота сжиганием топлива создает изобарное расширение с истечением газов, вызванное соотношением входного и выходного сечения сопла, которое может произвести полезной механической работы (Ъ) в количестве 28,5% от доведенной теплоты ((2) по закону изобарного расширения. Дальнейшее дорасширение рабочей смеси происходит в поршневом рабочем цилиндре адиабатно за счет остаточной теплоты от ранее доведенной в сопло двигателя. С момента закрытия клапана подачи сжатого воздуха и отсутствия подачи горючего цилиндр двигателя внутреннего сгорания с аккумулируемой компрессией и регулируемой степенью сжатия становится ничем не отличающимся от цилиндра классического двигателя внутреннего сгорания. В рабочем цилиндре заявляемого двигателя, как сжатый воздух, так и горючее поступают функцией к требуемой мощности и реакторно происходит окислительная реакция между ними, качество смешивания можно характеризовать как молекулярное. Общая полезная механическая работа произведенная в цилиндрах определяется суммарно от изобарного расширения в реактивном цилиндре и от дорасширения адиабатно в поршневом цилиндре за счет оставшейся теплоты,

11

доведенной изобарно в сопло. Рассматриваемый вариант
комбинирования поршневого рабочего цилиндра рабочим реактивным
цилиндром имеет способ перевода комбинирования поршневого
рабочего цилиндра с рабочим цилиндром газотурбинной установки без
передела конструкции, так как достаточно входное регулируемое
сечение сопла увеличить до размера выходного сечения, то
реактивный поток не образуется, а порядок работы клапанов остается
как при реактивном способе. При подаче сжатого воздуха и
горючего, будет происходить работа поршневого цилиндра по типу
работы цилиндра газотурбинной установки, где термодинамический
цикл изобарного расширения будет иметь меньшее значение
максимального давления и соответственно максимальной температуры,
как от доведения теплоты в реактивном цилиндре, чем создаются
предпосылки им применяемого варианта работы меньшим

охлаждением, без охлаждения, и при незначительной мощности с регенерацией тепла, для увеличения экономичности двигателя. Без передела конструкции, а только режимом работы клапанов, двигатель внутреннего сгорания с аккумулируемой компрессией и регулируемой степенью сжатия может работать по принципу обычного двигателя внутреннего сгорания, где объем сопла фигурирует как форкамера . При отходе поршня от сопловой головки клапан 32 впуска сжатого воздуха в сопло 18 остается закрытым, а открывается перепускной клапан сжатого воздуха между цилиндром и накопителем и через этот клапан 35 по воздушному каналу 31 сжатый воздух из накопителя 13 под действием заключенного в нем давления в обратном порядке сжатию по мере отхода поршня, совершающего рабочий ход, формирует заряд сжатого воздуха. Закрытием клапана 35 образуется объем требуемого заряда сжатого воздуха и при коротко-временном впрыске форсунки нормы горючего произойдет изохорное расширение с быстрым ростом максимального давления и температуры. Замедлением впрыска-нормы

12

горючего можно варьировать расширением от изохорного до изобарного. Если формирование заряда в обычном двигателе внутреннего сгорания осуществляется не доходом поршня до головки поршневого цилиндра, то в заявляемом двигателе при работе по типу двигателя внутреннего сгорания заряд формируется при отходе поршня от комбинированной головки, чем создается возможность создания заданного заряда по объему с заданным давлением, которое можно предварительно сформировать в накопителе, а это есть не что иное, как работа поршевых рабочих цилиндров по типу двигателя внутреннего сгорания в разнолитражном варианте, когда обычный двигатель внутреннего сгорания такой возможностью не обладает, поскольку кривошипно-шатунным преобразователем движения не доходом поршня до головки цилиндра определен неизменный объем сжатия, являющийся зарядом, в котором давления практически удобнее определять степенью сжатия объема поршневого цилиндра.

Если в обычном двигателе внутреннего сгорания первоначально происходит изохорное расширение при постоянном объеме под головкой в верхней мертвой точке, когда растет давление и температура, а полезная работа не производится, то в заявляемом двигателе при первоначальном изобарном расширении давление и температура не достигают максимальных значений двигателя внутреннего сгорания при равном количестве доведенной теплоты, так как происходит изменение объема и производство полезной механической энергии (Ь) в количестве 28,5 % от доведенной теплоты (О). (Закон изобарного расширения (У Ь=0,285).

Общая механическая полезная энергия определяется как
суммарно произведенная изобарным и адиабатным

термодинамическими циклами, осуществленными в реактивном и поршневом цилиндре. При подходе поршня в крайне близкое

13

положение к редуктору преобразователю рабочий ход как такт будет завершен.

Процессы расширения в рабочих цилиндрах различимы по их завершенности.

Незавершенное расширение определяется наличием в рабочем цилиндре в конце рабочего хода давления большего, чем атмосферное и соответственно определяется сила воздействия газов. Расширение в цилиндре дальше не может происходить, так как окончен ход поршня. В типовом комбинированном двигателе внутреннего сгорания при незавершенном расширении газы дорасширяются вне поршневого цилиндра, совершая полезную механическую работу за счет оставшегося рабочего давления в дополнительном устройстве расширения, что определяется как продолжение расширения, примером может быть осуществление наддува воздуха при сжатии.

Завершенное расширение определяется давлением в рабочем цилиндре в конце рабочего хода равным атмосферному. В данном случае нет рабочего давления, определяющего силу воздействия газов на поршень.

Вынужденное расширение определяется тем, что рабочее давление образованное протекающим термодинамическим циклом отработало себя и выровнялось с атмосферным раньше, чем поршень подошел к крайней конечной точке по завершению рабочего хода. Далее полезная механическая работа производится не может, но имеется возможность за счет ранее созданной механической энергии совершать дальнейшее движение поршня, вызывая тем самым в рабочем цилиндре вынужденное расширение, характеризуемое как разрежение. При разрежении происходит понижение давления ниже атмосферного и падение температуры рабочей смеси за счет механической энергии,

14

созданной в начале рабочего хода. Двигатель будет работать по

циклу Карно, как холодильник. Таким образом, часть

механической энергии будет потрачена на создание

отрицательного давления, которое заключает в себе

аккумулируемую энергию. Действительно, когда поршень из

крайнего конечного положения при рабочем ходе перейдет в

начальное положение для выхлопа, поршень под действием

атмосферного давления будет перемещаться до положения

выравнивания давления смеси газов с атмосферным давлением,

тем самым, совершая полезную механическую работу в счет

компенсации затраченной механической энергии на разрежение.

При выравнивании давления в цилиндре открывается выпускной

клапан 58 и осуществляется поршнем вытеснение отработанной смеси

газов в обычном порядке и после его завершения закрытием

выпускного клапана 58 заканчивается выхлоп и завершается полный

четырехтактный цикл работы двигателя. Снижение температуры

рабочей смеси газов, термодинамическим циклом при разрежении

может применено как охлаждение двигателя до температурных

значений меньше максимального предела прочности деталей и особенно

ценен такой вариант охлаждения, в условиях где охлаждение средой

малоэффективно, как например, пустыни, тропики. В существующих

двигателях внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным

преобразователем движения вынужденное расширение будет создавать

разрежение, загружающее мощность двигателя, которое даже

остановит работу двигателя, так как он по принципу работы не

рассчитан на реализацию энергии аккумулируемой таким способом,

тогда как в заявляемом двигателе внутреннего сгорания с

аккумулируемой компрессией и регулируемой степенью сжатия

имеется возможность не создавать положения вынужденного

расширения додачей компонентов смеси по рабочему ходу, для чего

15

достаточно осуществить дополнительную подачу горючего и сжатого воздуха из накопителя. В заявляемом двигателе в случаях создания вынужденного расширения имеется возможность избежать энергозатратного разрежения открытием впускного клапана поступления воздуха 47, который должен быть открытым до конца рабочего хода, где последующее вытеснение отработанной смеси газов с добавлением воздуха произведет как при обычном завершенном расширении. Выхлоп.

При ходе поршня к головке рабочего цилиндра от выходного вала, с открытием выхлопного клапана 54 происходит выхлоп отработанной смеси и закрытие всех других клапанов. Отметим, что в случае вынужденного расширения, когда в начальной стадии выхлопа в рабочем цилиндре давление меньше атмосферного и за счет силы атмосферного давления, воздействующей на поршень, производится полезная механическая работа, выхлоп не производится и выхлопной клапан 58 должен быть закрытым.

Выхлопной клапан должен быть открыт с момента, когда давление в рабочем цилиндре сравняется с атмосферным.

Работа двигателя внутреннего сгорания с аккумулируемой
компрессией и регулируемой степенью сжатия совместно с
преобразователем возвратно-поступательного движения в

вращательное происходит следующим образом.

При движении поршня 6 во время рабочего хода под действием на него давления продуктов сгорания рабочей смеси в цилиндре 2 происходит линейное перемещение штока 11 вместе с зубчатой рейкой 12 и, соответственно, происходит угловое перемещение находящейся в зубчатом зацеплении с рейкой 12 внешней поверхности приводной шестерни 63. При этом также происходит угловое перемещение находящегося в зубчатом зацеплении зубчатого сектора 76, который

16

будучи размещен на одном валу 64 с второй частью промежуточной шестерни 66 - зубчатым колесом 72 с зубчатым венцом, поворачивает ее на угол 180° и далее через шестерню 70 отбора мощности приводит во вращение шестерню 97 выходного вала и сам вал 96. Выходной вал 96 при этом поворачивается также на 180°.

Одновременно при этом происходит поворот на 180° второй промежуточной шестерни 69 и находящегося на одном валу 65 с ней зубчатого сектора 79, который в момент начала движения поршня 6 находился вне зацепления с внутренней зубчатой поверхностью приводной шестерни 63, поскольку был обращен к ней той частью окружности, где отсутствуют зубья. При повороте на 180° промежуточной шестерни 69 в зацепление с приводной шестерней 63 вводится зубчатый сектор 79 той частью окружности, где зубья имеются. В конце этого цикла зубчатый сектор 76 на первой промежуточной шестерне 66 из зацепления с приводной шестерней 63 выводится.

В следующем цикле при движении поршня 5 под действием на него давления продуктов сгорания рабочей смеси в цилиндре 1, происходит линейное перемещение штока 9 вместе с зубчатой рейкой 10 и, соответственно, происходит угловое перемещение находящейся в зубчатом зацеплении с рейкой 10 внешней поверхности приводной шестерни 63. При этом происходит угловое перемещение находящегося в зубчатом зацеплении зубчатого сектора 79, который будучи размещен на одном валу 65 с второй частью промежуточной шестерни 69 - зубчатым колесом 74 с зубчатым венцом, поворачивает ее на угол 180° и далее через шестерню 71 отбора мощности приводит во вращение шестерню 97 выходного вала и сам вал 96. Выходной вал 96 при этом поворачивается также на 180°. Цикл завершен и при этом выходной вал 96 за один ход зубчатой рейки 12 и один ход

17

зубчатой рейки 10 в направлении к преобразователю совершил поворот на 360°.

Одним из основных отличий заявляемого двигателя является то,
что головки оппозитных цилиндров выполнены объемными для
размещения в них конусообразных камер сгорания, что дает
возможность рассматривать работу заявляемого двигателя в
комбинированном варианте, где головка цилиндра есть не что иное как
реактивный рабочий цилиндр, осуществляющий изобарное расширение
рабочего тела от доведения теплоты и перемещающий поток газов в
другой рабочий поршневой цилиндр, в котором адиабатно
дорасширяется рабочее тело, за счет теплоты доведенной в реактивном
рабочем цилиндре. Особенностью работы цилиндров в заявляемом
двигателе является то, что они не формируют заряд воздуха,
являющегося рабочим телом, и количество сжатого ими воздуха не
находится в непосредственной зависимости с использованным зарядом.
При сжатии весь объем сжатого воздуха из рабочих цилиндров через
перепускной клапан переходит в накопитель сжатого воздуха, общий
для пары или для всех рабочих цилиндров. Накопитель имеет Ы-ое
количество зарядов воздуха для осуществления рабочего хода,
выдерживает заданное давление, что соответствует заданной степени
сжатия и заданное давление в ней можно менять работой клапанов.
Накопитель имеет клапаны для подачи сжатого воздуха в рабочие
цилиндры и этими клапанами регулируется количество поступаемого
сжатого воздуха в соответствии с востребованной мощностью,
поскольку первоначально прорабатывается схема работы

реактивного или рабочего цилиндра, и в окончании - схема работы классического двигателя внутреннего сгорания. Сопло в головке, работающее на поступлении сжатого воздуха из накопителя, горючего, распыляемого форсункой с воспламенением от свечи калильного зажигания, может имеет регулируемое входное сечение, изменением

18

параметров которого меняется соотношение с выходным сечением, вследствие чего меняется характеристика потока, образованного газовой смесью, и при полностью открытом входном сечении реактивный поток не образуется и горючее с сжатым воздухом будет поступать как в рабочий цилиндр. Для перевода заявляемого двигателя в так называемый классический двигатель внутреннего сгорания, достаточно производить наполнение поршневого цилиндра через сопло и по мере сформирования в нем объема сжатого воздуха, соответствующего заряду, подать форсункой горючее в расчетном количестве, которое воспламенится от свечи калильного зажигания или от температуры сжатого воздуха. По экономичности работа заявляемого двигателя в принципе двигателя внутреннего сгорания уступает его работе в принципе реактивного или поршневого по первоначальному изобарному расширению, то есть комбинированного варианта. При протекаемом изобарном расширении 28,5% доведенной теплоты переходит в полезную произведенную механическую энергию, вследствии чего не образуется высокая максимальная температура и высокое давление (закон изобарного расширения).

Применение принципа работы классического двигателя внутреннего сгорания в заявляемом двигателе намного экономичней, чем в самом классическом двигателе внутреннего сгорания, который не обладает режимом разнолитражности работы рабочих цилиндров. В нем расходуется созданная механическая энергия на сжатие всего объема воздуха в цилиндре, когда при незначительной востребованной мощности его нужно соответственно меньшее количество, излишний, не участвующий в реакции с горючим, будет переизбыточным, и на этот балластный воздух помимо затраты энергии при сжатии уйдет еще теплота от доведения ее горючим при рабочем ходе. В заявляемом двигателе можно сжимать малое количество воздуха на пополнение накопителя, так и формировать

19

заряд по востребованной мощности, то есть осуществлять работу в разнолитражном режиме, где желаемая по объему камера сгорания формируется не недоходом поршня до головки, а наоборот отходом от нее поршня с одновременным заполнением сжатым воздухом из накопителя через перепускной клапан, причем степень сжатия не меняется с изменением объема заряда, поскольку большое соотношение объема накопителя и объема воздуха в заряде дает возможность накопителю иметь резервное давление. Именно способ формирования камеры сгорания отходом поршня от головки, против способа недохода поршня к головке и имеющий в накопителе воздух позволяет формировать любой расчетный заряд, то есть работать в разнолитражном режиме заявляемого двигателя по принципу классического двигателя внутреннего сгорания, тогда как сам двигатель внутреннего сгорания в этом режиме работать не может и на холостом ходу работая на себя каждым рабочим ходом будет прогревать атмосферу по полной литражности, не производя полезную механическую энергию, когда режим заявляемого двигателя в этом случае применим на минимальной литражности. Двигателю внутреннего сгорания с аккумулируемой компрессией и регулируемой степенью сжатия свойственен уравновешенный режим работы, незавершенное, завершенное и принудительное расширение рабочего тела.

Используемый в заявляемом двигателе с аккумулируемой
компрессией и регулируемой степенью сжатия механизм

преобразования возвратно-поступательного движения в вращательное,
передающий энергию рабочего тела, в сравнении с кривошипно-
шатунным механизмом имеет постоянное значение угла,

определяемого между осью направления элемента, передающего движения поршня, и дезоксиальнои осью движения поршня, равное нулю, и постоянное значение угла, равное 90°, определяемого между

20

осью движения элемента, передающего движение от поршня и
расчетным рабочим радиусом. По значениям углов в

тригонометрических функциях определяется коэффициент

механического преобразования, который в данном случае в постоянном значении приблизительно равного единице или это составляет около 100% теоретического КПД механического преобразования, тогда как соответствующее значение по кривошипно-шатунному механизму составляет 70-80% в зависимости от конструкции. Преобразователь имеет постоянное плечо момента силы, тогда как в кривошипно-шатунном механизме этот параметр переменный.

Схема работы заявляемого двигателя позволяет:

Задавать гибким управлением клапанов незавершенное, завершенное и вынужденное расширение в зависимости от нагрузки и условии среды.

Задавать гибким управление и режимом работы клапанов изохорный или изобарный процессы расширения для достижения максимальной эффективности термодинамического цикла применительно к нагрузке и условиям среды.

Задавать гибким управлением режима работы клапанов и регулирующими устройствами работу рабочих цилиндров двигателя по схеме комбинированных газотурбинной установки и двигателя внутреннего сгорания расширительных цилиндров.

Иметь собственную созданную аккумулируемую и резервную компрессию в накопителе сжатого воздуха.

Регулируемую степень сжатия воздуха в накопителе, с исключением затрат механической энергии на сжатие балластного количества воздуха в заряде, не участвующего в окислительной реакции с горючим. Накопитель пополняется требуемым количеством сжатого воздуха до заданной степени сжатия, а излишний выпускается выпускным клапаном в начале

21

такта сжатия, не сжимается заранее определенный объем воздуха, чтоб не тратилась на его сжатие энергия, в отличии выпуска излишнего сжатого воздуха предохранительным клапаном, когда на выпущенный сжатый воздух произвелись напрасные затраты энергии в сжатии.

Степень сжатия объема наполнения по востребованной мощности. Формируется заряд по востребованной мощности, чтоб исключить затраты теплоты на прогревание балластного воздуха не участвующего в окислительной реакции горючего. Схемой работы классического двигателя внутреннего сгорания установлено использование постоянного заряда, где при незначительной востребованной мощности , на присутствующий в заряде излишек воздуха, может тратиться теплоты больше, чем на производимую полезную энергию, то есть происходит работа над средой, прогревание атмосферы каждым зарядом при выхлопе. Степень сжатия объема наполнения по востребованной мощности означает, что в заряд возьмется только необходимое количество воздуха для создания оптимального соотношения с горючим, в расчетном соответствии по заданной мощности и это количество воздуха будет в качественной характеристике степени сжатия и объема, а это есть не что иное, как разнолитражный способ осуществления рабочего хода.

Уравновешенный режим работы двигателя.

Значительное снижение максимальных температур при первоначальном изобарном доведении теплоты.

Формула полезной модели

1. Двигатель внутреннего сгорания с аккумулируемой компрессией и регулируемой степенью сжатия, содержащий, по меньшей мере, две пары оппозитно расположенных цилиндров с поршнями, каждый из которых связан с одним из указанных цилиндров и выполнен с возможностью перемещения в этом цилиндре; причем два из указанных поршней оппозитно расположенных цилиндров соединены между собой общим штоком с образованием первой поршневой пары с обеспечением возможности совершения совместного возвратно-поступательного движения, а два других из указанных поршней также соединены между собой общим штоком с образованием второй поршневой пары с обеспечением возможности совершения совместного возвратно-поступательного движения, причем шток первой поршневой пары и шток второй поршневой пары кинематически связаны между собой и выходным валом механизма преобразования возвратно-поступательного движения в вращательное и наоборот, при этом каждый из указанных цилиндров содержит камеру сгорания, ограниченную головкой цилиндра, впускные и выпускные клапаны, устройства для впрыска топлива и воспламенения рабочей смеси для каждого из указанных цилиндров, отличающийся тем, что он снабжен накопителями сжатого воздуха, сообщенными воздушными каналами с камерами сгорания, цилиндрами и атмосферой, при этом в воздушных каналах установлены впускной, заборный, перепускной и выпускной клапаны управления подачей, перепуском и отсечкой газообразных потоков сжатого воздуха и рабочей смеси, головки цилиндров выполнены объемными для обеспечения возможности размещения в них камер сгорания, которые выполнены в виде конусообразного отверстия переменного сечения с диаметром большей величины со стороны цилиндра, в камерах сгорания установлены устройства для впрыска топлива, выполненные, например, в виде форсунки, а также устройства для воспламенения рабочей смеси выполненные, например, в виде свечи калильного зажигания, механизм преобразования возвратно-поступательного движения в вращательное и наоборот снабжен зубчатыми рейками, приводной шестерней, шестерней выходного вала, по меньшей мере, двумя шестернями отбора мощности, двумя валами и двумя парами блоков промежуточных шестерен, каждый из которых состоит из двух частей, одна из которых выполнена в виде зубчатого венца с зубьями по всей длине делительной окружности, а другая - в виде зубчатого сектора с зубьями, примерно, на половине длины делительной окружности, при этом зубчатые рейки закреплены на общих штоках первой и второй поршневой пары, приводная шестерня выполнена в виде кольца с зубьями на наружной и внутренней поверхностях кольца, размещена между зубчатыми рейками с образованием зубчатого зацепления, блоки промежуточных шестерен попарно установлены на валах внутри приводной шестерни, на валах совместно с блоками промежуточных шестерен установлены шестерни отбора мощности, находящиеся в постоянном зацеплении с шестерней выходного вала, при этом один блок из каждой пары блоков промежуточных шестерен установлен на валу неподвижно, а второй установлен с возможностью углового перемещения блока промежуточных шестерен относительно вала, при этом зубчатые венцы блоков промежуточных шестерен находятся в постоянном зацеплении друг с другом, а зубчатые сектора установлены с возможностью поочередного взаимодействия с зубьями внутренней поверхности приводной шестерни.

2. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что последовательность срабатывания клапанов управления подачей, перепуском и отсечкой газообразных потоков сжатого воздуха и рабочей смеси находится в зависимости от режима работы двигателя.

3. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что накопители сжатого воздуха установлены по одному для каждой пары смежных цилиндров.

РИСУНКИ