Двигатель внутреннего сгорания ю.б.кашеварова с удвоенным числом цилиндров

 

Использование: в двигателях внутреннего сгорания, предназначенных для любых видов транспорта, а также для любых машин, использующих в качестве двигателей д. в. с. Сущность изобретения: в данном двигателе одна камера сгорания обеспечивает работу шести цилиндров, а цилиндры сдвоены с общей вертикальной осью, с поршнями верхнего и нижнего цилиндров, соединенных штоком, проходящим через втулку, соединяющую цилиндры, при этом движение штока и вверх и вниз является рабочим ходом, так что сдвоенные цилиндры реализуют идею однотактного д.в.с. вместо четырехтактного дизеля. Кроме того, верхняя часть верхнего цилиндра является одновременно и компрессором. 3 с. и 2 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания (д.в.с.), предназначенным для любых видов транспорта, а также для любых машин, использующих в качестве двигателей д.в.с.

Используемые д.в.с. являющиеся аналогом предлагаемого д.в.с. имеют малый КПД, малую удельную мощность большую металлоемкость, малый ресурс безаварийной работы.

Прототипом предлагаемого д.в.с. является дизельный д.в.с. имеющий наибольший КПД из известных д.в.с. и по этой причине имеет наибольшее применение. Однако одновременно дизельный д.в.с. имеет наименьшую удельную мощность большую металлоемкость по сравнению, например, с бензиновыми д.в.с. что препятствует его применению для воздушного транспорта и легковых автомобилей.

Предлагаемый д.в.с. существенно уменьшает все отмеченные недостатки д.в. с. и прежде всего дизельного д.в.с. в результате чего он может найти широкое применение взамен известных д.в.с. всех типов и назначений, так как он может работать как в режиме дизеля на дизельном топливе, так и в режиме бензинового д.в.с. на бензине и керосине.

Предлагаемый д.в.с. является принципиально новым д.в.с. в котором удвоено число цилиндров, расположенных соосно и приходящихся на один кривошипно-шатунный механизм, а камеры сгорания за один рабочий ход поршня реализуют до 5 и более воспламенений топливной смеси, при этом одна камера сгорания работает на 6 цилиндров, в результате чего в несколько раз увеличивается удельная мощность предлагаемого двигателя и повышается его КПД по сравнению с принятым прототипом. К тому же соосная установка верхних цилиндров над нижним и жесткое соединение их поршней штоком позволила в 2 раза увеличить средний (за один оборот коленчатого вала) крутящий момент, приложенный кривошипно-шатунным механизмом к коленчатому валу, за счет того, что во время рабочего хода вверх верхнего поршня создается сила тяги, передаваемая шатуном на цеху коленчатого вала. Кроме того, в камеру сгорания поступает сжатый воздух от отдельно работающего компрессора, что также увеличивает удельную мощность и КПД предлагаемого д.в.с. работающего с двухтактном режиме.

Подача сжатого воздуха в камеру сгорания существенно упрощает запуск д. в. с. уменьшает необходимую мощность стартера, который с предлагаемом д.в.с. используется для запуска компрессора с помощью пускового компрессора, потребляющего меньшую мощность для своего пуска, в результате чего уменьшается масса и стоимость аккумуляторов и стартера, а также уменьшается время запуска д.в.с. при отрицательной температуре.

Преимуществом предлагаемого д.в.с. является то, что он не заглохнет при любой нагрузке на карданный вал, а крутящий момент карданного вала возрастает с увеличением внешней нагрузки на двигатель, что позволяет или не иметь коробку передач или заменить ее на более простую и надежную в эксплуатации коробку планетарного типа, являющейся одновременно муфтой сцепления. Такая муфта сцепления предложена мной в патенте взамен авт.св. СССР N 1366682 на энергетический комплекс (п. 4 формулы изобретения).

Существенное значение для уменьшения тепловых потерь имеет сферическая форма камеры сгорания, ее термоизоляция, устройство сферических камер для сжатого воздуха и отсутствие жесткой кинематической связи между работой камеры сгорания и кривошипно-шатунного механизма, что также увеличивает КПД двигателя.

Отмеченные преимущества предлагаемого д.в.с. позволяют в 3 4 раза увеличить его удельную мощность по сравнению с прототипом, повысить его КПД и ряд других эксплуатационных характеристик.

На фиг. 1 дано сечение В В на фиг. 3 блока цилиндров; на фиг. 2 - сечение А А на фиг. 1; на фиг. 3 сечение Б Б на фиг. 1 в увеличенном виде; на фиг. 4 сечение В В на фиг. 3; на фиг. 5 шестерни соединяющие коленчатые валы; на фиг. 6 осевое сечение втулки штока; на фиг. 7 сечение Б Б на фиг. 1 части камеры сгорания в увеличенном виде; на фиг. 8 сечение основного компрессора Г Г на фиг. 9; на фиг. 9 сечение Б Б на фиг. 8; на фиг. 10 сечение Д Д на фиг. 3 цилиндрического клапана; на фиг. 11 схема работы центрального клапана; на фиг. 12 графики работы поршней д.в.с. на фиг. 13 индикаторная диаграмма работы поршня.

Д. в.с. имеет блок цилиндров 1, оголовник 2 и 3, основной компрессор 4 с баллоном для сжатого воздуха, водяной насос 5 с баком для воды, аккумуляторы 6 с электрооборудованием, топливный насос 7 и масляный насос 8.

Блок цилиндров 1 объединяет шесть пар нижних и верхних цилиндров 9 и 10, установленных соосно в верхней и нижней рубашках 11 водяного охлаждения. Поршни 12 и 13 соответственно нижних и верхних цилиндров 9 и 10 жестко соединены со штоком 14, проходящим через втулку 15, соединяющую торцевые основания 16 и 17 цилиндров 8 и 9. Поршень 12 через оси 18 и 19 соединен шатуном 20 с коленом 21 одного из трех коленчатых валов 22, 23 и 24, установленных параллельно друг другу в картере 25. На концах коленчатых валов 22, 23 и 24 закреплены шестерни 26, 27 и 28, между которыми установлены шестерни-сателлиты 29. С шестерней 26 находится в зацеплении шестерня датчика 30 электрических импульсов, определяющего скорость вращения коленчатых валов 22, 23 и 24. Цилиндры 9 и 10 имеют клапаны 31 на выхлопных трубах 32 выпуска выхлопных газов. Цилиндры 10 имеют клапан 33 пуска воздуха и клапан 34 выпуска сжатого воздуха через патрубок 35 в баллон 36 со сжатым воздухом.

Оголовники 2 и 3 имеют одинаковое устройство, верхний оголовник 2 предназначен для снабжения газами нижних цилиндров 9, нижний оголовник 3 для снабжения газами верхних цилиндров 10. Оголовники 2 и 3 имеют сферическую камеру сгорания 37, образованную жаростойким термоинерционным (теплоемким) сплавом 38, между которым и корпусом оголовника установлена термоизолирующая прокладка 39; камеры 40 со сжатым воздухом, образованные сферическими поверхностями концентрическими относительно камеры сгорания 37 и меридиально расположенными поясами 41, соединяющими наружную и внутреннюю части корпуса оголовника; термоизолирующую прокладку 42, образующую наружную сферическую поверхность камер со сжатым воздухом; конусные трубки 43, соединяющие камеры 37 и 40; патрубки 44, соединяющие камеры 40 с трубами 45, идущими от баллона 36 со сжатым воздухом; форсунку 46, соединенную трубкой 47 с топливным насосом 7; цилиндрический клапан 48 с каналом 49, соединяющим камеру сгорания 37 с газоводом 50; при этом верхний и нижний цилиндрические клапаны 48 оголовника 2 и 3 вращаются шаговым электродвигателем 51, скорость вращения которого определяется частотой электрических импульсов, получаемых от датчика 30. Каналы 49 верхнего и нижнего клапана 48 установлены так, что соединяют камеры сгорания 37 с газоводами 50 взаимно противоположных направлений.

Оголовники2 и 3 имеют электросвечи 52, установленные в камере сгорания 37 (фиг. 7) электронагреватели 53, установленные в камерах 40 для нагревания в них сжатого воздуха при запуске д.в.с.

Втулка 15, через которую проходит шток 14, имеет в средней части кольцевую фаску 54, соединенную с маслопроводом 55 с масляным насосом 8, и кольцевые фаски 56 с установленными в них разъемными маслосъемными кольцами 57.

Смазка поршня 13 производится с помощью устройства 58, установленного на верхнем торцевом основании цилиндра 10 и на верхней части поршня 13. Устройство 58 заимствовано из авт.св. N 1709019 от 11.07.89 на устройство ударного действия.

На нижнем торцевом основании цилиндра 10 и на верхнем торцевом основании цилиндра 9 установлены электродатчики 59 положения поршней 12 и 13. Поршни 12 и 13 изготавливаются из того же материала, что и цилиндры 8 и 9, например из стали или из другого материала, имеющего такой же коэффициент температурного расширения, что и материал, из которого изготовлены цилиндры 9 и 10. Внутренние торцевые поверхности цилиндров имеют термоизолирующее покрытие. Такое же покрытие имеют внутренние стенки цилиндров 9 и 10, а также шток 14 и газоводы 50.

Все электрические устройства д.в.с. (электросвечи 52, электродатчики 59, компьютер, установленный в кабине водителя) получают электроэнергию от аккумуляторов 6, преобразованную соответствующим электрооборудованием 60. Аккумуляторы 6 подзаряжаются во время работы двигателя от электрогенератора 61, который как и насосы 5, 7 и 8, имеет привод от шестерней 26 и 28.

Основной компрессор 4 (фиг. 8 и 9) имеет устройство. аналогичное устройству блока цилиндров 1 и оголовников 2 и 3 за исключением нижних цилиндров 9 блока цилиндров 1, которые заменены в компрессоре 4 на цилиндры 10, зеркально расположенные относительно верхних цилиндров 10. При этом отношение линейных размеров оголовников 2 и 3 и цилиндров 10 компрессора 4 к линейным размерам блока цилиндров 1 и оголовников 2 и 3 равно 1 к 2, 6.

Учитывая вышеизложенное, номера позиций деталей компрессора, аналогичных по устройству деталям блока цилиндров 1 и оголовников 2 и 3, оставлены без изменения. По этой причине описание устройства компрессора 4 и способа его работы дано только в части, отличающей его от устройства и работы блока цилиндров и оголовников 2 и 3.

На фиг. 9 не показаны детали, данные на фиг. 3, 4 и 7, которые полностью отражают устройство камеры сгорания оголовников 2 и 3 компрессора 4.

Клапаны 33 основного компрессора 4 и компрессоров цилиндра 10 блока цилиндров 1 имеют устройство дистанционной регулировки давления сжатого воздуха, поставляемого в баллон 36 со сжатым воздухом. В отличии от клапана 33 блока цилиндров 1 этот клапан не имеет стопорного устройства, оставляющего клапан открытым.

Ориентировочный расчет основных характеристик работы и эффективности двигателя.

Целью расчета будет сравнение полученных данных предлагаемого двигателя с наиболее эффективным современным дизельным двигателем, нашедшим широкое распространение в автомобилях, морских и речных судах, на железнодорожном транспорте, в стационарных энергетических установках.

По сравнению с дизельным двигателем в предлагаемом д.в.с. камера сгорания, равная по объему, работает с частотой, в 15 раз большей, независимо от работы кривошипно-шатунного механизма. Благодаря этому мощность, вырабатываемая камерой сгорания, в 15 раз превышает мощность, вырабатываемую камерой сгорания дизеля, что позволило иметь одну камеру сгорания на шесть цилиндров.

Кроме того, такая скорость работы камеры сгорания, равная 7, 5 воспламенений за 1 оборот коленчатого вала дизельного двигателя, позволила в четыре раза уменьшить скорость вращения коленчатого вала. Увеличение в 4 раза времени оборота коленчатого вала дает уже 30 воспламенений за 1 оборот коленчатого вала. При этом каждый из шести цилиндров получает продукты горения от 5 воспламенений и имеет объем, в 5 раз больший объема цилиндра дизельного д. в.с. За два оборота коленчатого вала каждый цилиндр получить в 10 раз больше продуктов сгорания, чем дизельный д.в.с. но затратит в 4 раза больше времени.

Поршень 12 соединен штоком 14 с поршнем 13, который производит рабочий ход тогда, когда поршень 12 имеет холостой ход. В результате этого шатун 20 передает на коленчатый вал не только момент силы давления поршня 12 вниз на колено 21, но также и момент силы тяги поршня 13 вверх на колено 21, что в два раза увеличивает мощность, передаваемую кривошипом на коленчатый вал. Следовательно, на одно колено коленчатого вала будет передаваться мощность от двух цилиндров, в 5 раз большая, чем у дизеля. При этом равномерность подачи крутящего момента на коленчатый вал в 4 раза большая, чем у дизеля, в результате чего отпадает необходимость в маховике, и в 4 раза уменьшается масса коленчатого вала кривошипно-шатунным механизмом, приходящаяся на 1 кВт мощности д.в.с. и не менее чем в 4 раза увеличивается срок службы этих механизмов и коленчатого вала.

С учетом того, что скорость движения поршня уменьшится в 2,8 раза по сравнению со скоростью движения поршня в цилиндре дизеля, а воздействие перепада температур и нагрузок уменьшится почти в 2 раза, долговечность работы поршня и цилиндра увеличится в предлагаемом двигателе в 2 3 раза.

С учетом того, что в предлагаемом д.в.с. нет клапанов в камере сгорания, являющихся наиболее ненадежной частью дизельного двигателя, и нет распределительного вала с кулачками для клапанов, а камера сгорания приходится на 6 цилиндров, то можно принять, что долговечность (ресурс работы) предлагаемого двигателя в 4 раза больше, чем у дизельного двигателя.

На фиг. 13 дана индикаторная диаграмма работы поршней предлагаемого двигателя сплошной линией и дизельного д.в.с. пунктирной линией, отражающей графически вышеупомянутые процессы. Для построения индикаторной диаграммы по горизонтальной оси отложены объемы цилиндров. За единицу объемов принят объем цилиндра четырехтактного дизельного д.в.с. у которого один рабочий ход поршня приходится на два оборота коленчатого вала. За два оборота коленчатого вала в предлагаемом д.в.с. выполняется два рабочих хода поршня, поэтому для получения сравнительных диаграмм объем цилиндра предлагаемого д.в.с. удвоен и принят равным 10 объемам цилиндра дизельного д.в.с.

По вертикальной оси отложены давление газов в кг/см². На диаграммах нанесены характерные точки работы поршней, обозначенные цифрами. На диаграмме дизельного д.в.с. цифры даны на выносках, а на диаграмме предлагаемого д.в. с. цифры поставлены рядом с точками.

Точка 1 ВМТ диаграммы дизельного д.в.с. воспламенение топливной смеси, при котором давление в цилиндре поднимается до 150 кг/см². Точка 1 ВМТ положения поршня на диаграмме предлагаемого д.в.с. имеет давление 80 кг/см², которое возникает в цилиндре во время начального момента соединения газовода 50 цилиндра 9 клапаном 48 с камерой сгорания 37. Движение поршня вниз происходит под давлением газов, поступающих в цилиндр 9 из камеры сгорания 37 при открытом клапане 48. При повороте клапана 48 на 120^oС он перекроет газовод 50. Эта точка обозначена на графике цифрой 2. За точкой 2 дальнейшее движение поршня происходит без подпитки цилиндра 9 газами камеры 37. В точке 3 при давлении 4 5 кг/см² открывается клапан 31 выхлопной трубы, после чего давление падает до 2 1 кг/см² в точке 4. Движение поршня при холостом ходу происходит при открытом клапане 31 и давлении 2 1 кг/см² до ВМТ точки 5, в которой клапан 31 закрывается, а клапан 48 начинает открываться, создавая давление до 80 кг/см² и превращая точку 5 в точку 1.

Площади, замкнутые линиями диаграммы между точками 1, 2, 3, 4 и 5, пропорциональны работе поршней цилиндров, имеющих эквивалентный объем (т.е. объем, приведенный к двум оборотам коленчатого вала). Во сколько раз площадь диаграммы предлагаемого двигателя больше площади диаграммы дизеля, во столько раз мощность предлагаемого двигателя будет больше, чем мощность дизеля с равным числом цилиндров и при равном объеме камер сгорания каждого цилиндра дизеля объему одной камеры сгорания, приходящейся на 6 цилиндров предлагаемого д.в.с. Площадь диаграммы предлагаемого д.в.с. на фиг. 13 более чем в 10 раз превосходит площадь диаграммы дизеля, следовательно, мощность предлагаемого д.в.с. будет более чем в 10 раз превосходить мощность дизеля. Давление в цилиндре дизеля в Вмт почти в 2 раза выше давления в Вмт в цилиндре предлагаемого д. в.с. Учитывая, что температура газов пропорциональна их давлению, можно считать, что стенки цилиндров предлагаемого д.в.с. могут быть вдвое тоньше, чем у дизеля, а тепловые потери через них уменьшатся не менее чем в 2 раза по сравнению с тепловыми потерями цилиндров дизеля, так как эти потери будут пропорциональны абсолютной температуре газов в степени, большей чем 2.

Сравнивая конструкции этих д.в.с. можно принять, что масса предлагаемого двигателя будет в 2 раза больше, чем масса дизеля с таким же числом цилиндров при мощности предлагаемого д.в.с. более чем в 10 раз большей чем у дизеля, следовательно, удельная мощность предлагаемого д.в.с. будет более чем в 5 раз превосходить удельную мощность дизеля.

Отделение камеры сгорания от цилиндров позволило уменьшить тепловые потери цилиндров и уменьшить объем воды, необходимой для их охлаждения, так как в цилиндры поступают продукты сгорания с существенно меньшей максимальной температурой воспламенения топлива. На этом воздействие максимальной температуры воспламенения топлива на термоинерционный корпус 38 камеры сгорания и на корпус оголовников 2 и 3 компенсируется соответствующим нагревом сжатого воздуха, поступающего в камеру сгорания 37. Таким образом, оголовник и корпус 38 камеры сгорания охлаждаются сжатым воздухом, возвращающим тепловую энергию в камеру 37, которая повышает температуру и давление газов во время горения топлива, что увеличивает КПД предлагаемого д.в.с. по сравнению с дизелем. Кроме того, за счет уменьшения скорости движения поршней и кривошипно-шатунного механизма с коленчатым валом уменьшаются в 2 3 раза потери на трение, приходящееся на 1 кВт мощности двигателя, что также увеличивает КПД двигателя. К тому же в дизельном двигателе на 1 рабочий ход поршня приходится два оборота коленчатого вала и три холостых хода поршня, а в предлагаемом двигателе в 3 раза меньше холостых ходов поршней и нет холостого хода у кривошипно-шатунного механизма. С учетом вышеизложенных преимуществ предлагаемого д. в. с. его КПД будет выше, чем КПД дизельного двигателя на 20 - 30% и в 2 раза выше, чем у карбюраторных автотракторных д.в.с.

Большим преимуществом предлагаемого д.в.с. перед всеми известными д.в.с. является возможность его работы на различных видах жидкого топлива с различным октановым числом в диапазоне от дизельного топлива до бензина. Такая возможность может быть обеспечена регулировкой клапана подачи сжатого воздуха из компрессора, в результате которой воздух в камеру сгорания будет поступать с той степенью сжатия (т.е. с тем давлением), которая соответствует используемому виду топлива. Данное преимущество предлагаемого д.в.с. имеет особо важное значение для военных машин, снабжение которых горючим осложнено спецификой их применения.

Отделение камеры сгорания от цилиндров дало предлагаемому д.в.с. новое весьма существенное преимущество, заключающееся в том, что с увеличением внешней нагрузки увеличивается крутящий момент, передаваемый на коленчатый вал, и двигатель не глохнет, а продолжает работать. Такая возможность реализуется в результате того, что с уменьшением скорости вращения коленчатого вала уменьшается скорость вращения цилиндрического клапана 48 соответствующим уменьшением частоты электроимпульсов, поступающих от датчика 30 в шаговый электродвигатель 51. В цилиндры подается больше продуктов сгорания топлива, давление в них повышается и увеличивается сила воздействия поршней на кривошипно-шатунный механизм. При этом немного снижается КПД двигателя.

Если нагрузка уменьшается, то увеличивается скорость вращения коленчатого вала, увеличивается частота электроимпульсов, вырабатываемых датчиком 30, увеличивается скорость вращения шагового двигателя 51 и цилиндрического клапана 48, в результате чего уменьшается количество газов, попадающих в цилиндры на один рабочий ход поршня и уменьшается крутящий момент, приложенный к коленчатому валу. В соответствии с увеличением скорости работы поршней уменьшается и давление газов на них во время их рабочего хода. К тому же системой управления (компьютером) двигателя может уменьшаться частота работы форсунки 46 и электросвечей 52 в зависимости от частоты электроимпульсов датчика 30 с целью лучшего согласования внешней нагрузки на двигатель с величиной крутящего момента, передаваемого коленчатому валу.

Наличие таких устройств, в больших пределах изменяющих крутящий момент коленчатого вала в зависимости от нагрузки на двигатель, позволяет или существенно упростить коробку передач, или заменить ее на муфту сцепления (патент N 1366682 на энергетический комплекс) п. 4 формулы изобретения. Такая замена повысит надежность работы транспортной машины, упростит ее устройство и управление ею.

Благодаря наличию основного компрессора, а также устройств 30, 51 и 53 существенно упрощается запуск двигателя на любом морозе, так как вначале запускается компрессор 4 и одновременно включается электронагреватель 53. В камеру сгорания 37 начинает поступать нагретый сжатый воздух, который через клапан 48 и газоводы 51 поступает в два (верхний и нижний) цилиндра, повышает давление до величины достаточной, чтобы создать необходимый момент вращения коленчатого вала.

С началом поворота коленчатого вала включаются электросвечи 52 и форсунки 46, так как к этому моменту в камере сгорания повышается давление и температура до величины, достаточной для воспламенения топливной смеси. Двигатель начинает работать, электронагреватель 53 выключают и через 2 3 мин д.в. с. может быть включен под нагрузку.

Запуск компрессора 4, потребляющего для запуска в 20 раз меньшую мощность, чем двигатель, производится аналогичным образом с помощью пускового компрессора, работающего от аккумулятора и имеющего мощность, в 100 раз меньшую, чем мощность двигателя, и в 5 раз меньшую, чем мощность компрессора 4. Для запуска компрессора 4 потребуется не более 2 мин, следовательно, запуск предлагаемого двигателя может быть выполнен за 5 6 мин даже при сильном морозе.

Возможность запуска д. в. с. при отрицательных температурах за 5 6 мин имеет большое значение для военных машин, для машин, используемых на севере страны и, особенно, в экспедиционных условиях.

Во время работы двигателя в установившемся режиме компрессор, встроенный в верхнюю часть цилиндра 10, обеспечивает сжатым воздухом около половины потребности в нем двигателя, уменьшая на 10% мощность верхнего поршня. С целью компенсации затраты мощности поршня 13 на сжатие воздуха диаметр цилиндра 10 и поршня 13 увеличен по сравнению с диаметром цилиндра 9 и поршня 12 в 1,5 раза (на 5%). В соответствии с этим оголовник 3 имеет на 10% большую производительность (мощность) по сравнению с оголовником 2.

При работе д. в. с. на холостом ходу, при малых нагрузках и при пуске двигателя клапан 33 стопорится в открытом положении и тем самым верхняя часть цилиндра 10 перестает работать как компрессор и работает как дополнительное воздушное охлаждение, которое может улучшить условия эксплуатации д. в.с. в жаркое время года. В зимнее время года при работе двигателя на холостом ходу и при малых нагрузках клапан 33 не стопорится, а выключается основной компрессор 4. При выключении компрессора 4 уменьшается давление сжатого воздуха, поступающего в камеры сгорания 37, уменьшается частота включения форсунок 46 и электросвеч 52 и как следствие этого уменьшается мощность д.в. с. и расход топлива. Выключение и включение компрессора 4 может производить водитель или компьютер по заданной программе.

Для расчета работы камеры сгорания 37 блока цилиндров примем, что давление сжатого воздуха, поступающего в камеры 40, равно 15 кг/см², избыток воздуха, поступающего в камеру сгорания, равен 10% ( 1,1), объем камеры сгорания равен 0,01 л (10 см³), частота воспламенений 200 в с. Тогда в камеру сгорания 37 будет поступать 2 л/с воздуха с давлением 15 кг/см² или 15210³см³/с1,4 г/см³ 42 г/с и расходоваться топлива 42 г/с:16,5 2,6 г/с 9,8 кг/ч При воспламенении топливной смеси выделится тепловая энергия, равная (2,6 г/с 200 1/с)10000 кал/г 130 кал, которая повысит температуру топливной смеси при ее воспламенении на: 130 кал (0,21 г0,22 кал/г град.) 2800^o и давление до (2300 273^o)15 кг/см² 150 кг/см² Через газовод 51 в цилиндры 9 и 10 будут поступать из камеры сгорания газы под давлением максимальным 150 кг/см² и минимальным 15 кг/см². Можно принять, что в газоводе 51 давление будет усредняться и в цилиндр будут поступать газы под средним давлением 80 100 кг/см² в зависимости от положения цилиндрического клапана 48 и положения поршня в цилиндре.

На индикаторной диаграмме (фиг. 13) в точке 1 ВМТ нахождения поршня и при начальной фазе соединения газовода 51 с камерой 37 цилиндрическим клапаном 48 принято давление газов, поступающих в цилиндр, равное 80 кг/см². По мере нарастания скорости движения поршня будет увеличиваться почти по такому же закону поступление газов в цилиндр из камеры сгораниях В результате вращения клапана 48 через 1/3 времени рабочего хода поршня клапан 48 полностью соединит камеру сгорания с газоводом 51 и в цилиндр поступит весь газ, вырабатываемый камерой сгорания. Участок диаграммы до точки, соответствующей 1/3 времени рабочего хода поршня, будет почти параллелен горизонтальной оси объемов, на которой цифрами обозначены объемы цилиндра дизельного двигателя, имеющего равную по объему камеру сгорания с камерой 37 предлагаемого д.в.с.

В точке 2 диаграммы поршень будет находится, когда пройдет 2/3 времени его рабочего хода и в этот момент клапан 48 полностью перекроет горловину камеры 37 и в газовод 51 и далее в цилиндр перестанут поступать газы из камеры 37. Начиная с точки 2 кривая графика диаграммы будет плавно увеличивать наклон к горизонтальной оси в результате расширения газов без подпитки их от камеры 37.

При подходе поршня 12 к НМТ поршень 13 заденет электродатчик 59, в результате чего откроется клапан 31 выхлопной трубы и при давлении в 5 4 кг/см² начнут выходить газы из цилиндра 9, чему будет соответствовать участок между точками 3 и 4 диаграммы. Далее поршень 12 начнет холостой ход, во время которого избыточное давление в цилиндре 12 будет на уровне 1 кг/см² вплоть до касания поршнем электродатчика 59 вблизи ВМТ, в результате чего в ВМТ закроется клапан 31 выхлопной трубы и начнет приоткрыться вращением клапана 48 камеpа 37 для данного цилиндра 9, а график диаграммы отразит этот процесс линией от точки 4 до точки 5 и от точки 5 до точки 1.

За время 0,1 с рабочего хода поршня каждый из 6 цилиндров получит от камеры сгорания газ в объеме 1/60,2 л при давлении 80 кг/см² и температуре 1500^o. При подходе к НМТ давление газов уменьшится до 5 кг/см², а их температура понизится до 500^o и газы будут занимать объем, равный 1/60,2 л (80 кг/см² 5 кг/см²) [(1500^o -500^o) 273^o] 0,15 л, который и определит объем цилиндра. Принимая высоту цилиндра рабочей части, равную двум его радиусам, получим, что R³ 150 см³ 6,28 24 см³ и R 2,9 см. Высота цилиндра с учетом толщины поршня будет равна 8,6 см, высота блока цилиндров с картером будет 43 см, ширина блока цилиндра с рубашкой 11 водяного охлаждения будет 22 см (размеры взяты по фиг. 1 и 2), длина 34 см, объем 432234 32000 см³ 0,032 м³.

Шесть цилиндров д.в.с. расходуют 2,6 г/с топлива. При КПД равном 50% их общая мощность будет равна: 2,6 г/см10 ккал/г4,18 кВт.с0,5 62 кВт. Блок 1 состоящий из 12 цилиндров будет иметь мощность: 62 кВт2 124 кВт Литровую мощность цилиндров получим равной 10,3 кВт 15 л 70 кВт/л, что в 4 раза больше, чем у дизельного двигателя. Большая литровая мощность предлагаемого д. в. с. объясняется тем, что более чем на половине рабочего хода поршня над ним поддерживается высокое давление продуктов горения топлива, поступающих из камеры сгорания 37 в течение 2/3 времени рабочего хода поршня 9, в то время как у дизеля после воспламенения топливной смеси давление падает быстрее, чем увеличивается объем цилиндра над поршнем по сравнению с его объемом во время воспламенения топлива в камере сгорания. Кроме того, за 2 оборота коленчатого вала в цилиндре 9 поршень 12 производит два рабочих хода, а у дизельного двигателя только 1 рабочий ход.

Принимая, что масса двигателя равна 12 кг, получим удельную мощность предлагаемого д. в.с. равную 10 кВт/кг. Такая удельная мощность д.в.с. в 10 раз превышает удельную мощность дизельного двигателя и в 5 раз удельную мощность бензиновых д. в.с. обладающих наибольшей удельной мощностью среди известных д.в.с.

Работа камеры сгорания 37 в установившемся режиме производится в режиме свободных колебаний процессов по заполнению камеры 37 сжатым воздухом, впрыском в нее топлива через форсунку 46, самовоспламенением дизельного топлива или воспламенением бензинового топлива искрой электросвечей 52 и истечения выхлопных газов из камеры 37 в газовод 51 через канал 49 клапана 48. При этом сжатый воздух поступает в камеру 40 из баллона 36 по патрубкам 45 равномерным потоком, а в камеру 37 сжатый воздух поступает по конусным трубам 43 уже в колебательном режиме. Этот режим возникает в результате периодического воспламенения топливной смеси впрыском дизельного топлива через форсунку 46 или бензина с воспламенением от искры электросвечи 52. Период воспламенения топлива подбирается таким, каким обеспечивается максимальная производительность работы камеры сгорания 37, т.е. периодом свободных колебаний. Максимальная работа камеры сгорания 37 определяется по максимальной мощности д. в.с. (при заданной внешней нагрузке), возникающей при различных периодах впрыска дизельного топлива или включения свечей зажигания в случае использования бензина или другого топлива.

В момент воспламенения топливной смеси в камере 37 основная часть выхлопных газов устремится в газовод 51, а небольшая часть газов поступит в конусные трубки 43, преодолевая поток сжатого воздуха, идущего из камер 40.

Выхлопные газы, вошедшие в узкие отверстия конусных трубок 43, продвигаясь по ним расширяются, теряя давление и скорость движения. В то же время в камеры 40 продолжает поступать сжатый воздух в силу инерции его движения. Не имея выхода в трубки 43, перекрытый выхлопными газами сжатый воздух увеличивает давление в камерах 40. Одновременно в камере 37 происходит быстрое снижение давления до уровня, ниже уровня давления сжатого воздуха в камерах 40, в результате чего настает момент времени, когда выхлопные газы, попавшие в трубки 43, выталкиваются сжатым воздухом в камеру 37 и далее в газовод 50, а камера сгорания 37 заполняется сжатым воздухом. В момент ее заполнения сжатым воздухом производится впрыск топлива из форсунки 46 и включение электросвечей 52 в случае такой необходимости, определяемой видом топлива.

Во время прохождения сжатого воздуха через камеру 40 и трубки 43 оголовник 2 (3) охлаждается, а сжатый воздух, нагретый еще от термоинерционного корпуса 38 камеры 37, возвращает тепловую энергию в камеру сгорания, повышая температуру воспламенения и давление продуктов сгорания топлива и, тем самым, увеличивая КПД работы двигателя.

Избыток сжатого воздуха в 10 20% целесообразно применять, учитывая его затрату на продувку трубок 43 и камеры 37 и на охлаждение оголовника и камеры 37. Диаметр, конусность и количество трубок 43 рассчитывается на заполнение камеры 37 в кратчайшие сроки, соответствующие максимальной интенсивности ее работы, а длина трубок 43 принимается такой, чтобы выхлопные газы, попавшие в них в момент воспламенения топливной смеси, не успели дойти до камеры 40.

Работа компрессора блока цилиндров 1 заключается во впуске засасывании воздуха в цилиндр 10 при движении поршня 13 вниз через клапан 34 одностороннего действия (только на впуск) и при выпуске сжатого воздуха в конце движения вверх поршня 13 в баллон со сжатым воздухом 36 через клапан 33, отрегулированный на заданное давление сжатого воздуха, соответствующее применяемому топливу.

Работа основного компрессора 4 слагается из вышеизложенной работы оголовников 2 и 3 и работы цилиндров 10, включая работу цилиндров 10 как компрессоров в блоке цилиндров 1.

Сравнительную оценку работы предлагаемого д.в.с. с дизельным можно для наглядности изобразить в виде двух графиков работы поршней дизельного двигателя и предлагаемого д.в.с. Исходя из того, что работа равна произведению силы на путь, построим график для дизельного д.в.с. и предлагаемого, имеющих равный объем камер сгорания при объеме цилиндра предлагаемого д.в.с. в 5 раз больше, чем у дизеля и числе камер сгорания в 6 раз меньше, чем у дизеля.

Принимая, что ход поршня h 2R (что принято на фиг. 2), где R радиус между центрами 22 и 19, площадь поршня S ПR² и рабочий объем цилиндра V hS 5 объемов цилиндра дизеля.

Получим: R³ 0,8, R 0,93, h 1,86 для предлагаемого д.в.с. и S 2,9 при V5, для дизеля V 1, S 1 и h 1.

Сила давления на поршень F SP, где S площадь поршня, а Р - давление газов на поршень. На горизонтальных осях графиков отложены силы F SP в ВМТ для дизеля (верхний график) и предлагаемого д.в.с. (нижний график) с учетом давлений, указанных на диаграмме фиг. 13, в ВМТ точке 1 хода поршня дизельного д. в.с. к его поршню приложена F равная 160 единиц, в ВМТ точке 1 хода поршня предлагаемого д. в.с. к его поршню приложена сила равная 232 тех же единиц.

По вертикальной оси нижнего графика отложена величина хода поршня предлагаемого двигателя равная 1,86 величины хода поршня дизельного д.в.с. На верхнем графике ход поршня дизеля равен 1.

Работа, выполненная одним поршнем 9 за два оборота коленчатого вала, равна площади, ограниченной линиями между точками 1, 2, 4 справа от вертикальной оси и далее 4, 2, 1 слева от вертикальной оси, и горизонтальной частью оси между точками 1, 5, 1. Работа, выполненная одним поршнем дизельного д.в.с. за два оборота коленчатого вала, равна площади верхнего графика между точками 1, 4 и 5 (обозначенными выносками) и участком горизонтальной оси от точки 5, имеющей на шкале F отсчет 20 до точки 1 (ВМТ), имеющей отсчет 160. Площадь графика между точками 4,0,5,4 это работа, выполненная кривошипным механизмом коленчатого вала дизельного д.в.с. за счет энергии маховика и она составляет отрицательную работу поршня, затраченную на сжатие воздуха и на трение при втором обороте коленчатого вала дизельного д.в.с.

Площадь графика для предлагаемого д.в.с. более чем в 10 раз превосходит площадь графика для дизельного д.в.с. с учетом работы для предлагаемой д.в. с. затраченной компрессорами на сжатие воздуха, поставляемого в камеру сгорания 37.

Из составленных графиков на фиг. 12 можно сделать вывод, что при равном числе оборотов коленчатых валов, сравниваемых двигателей, один поршень 9 предлагаемого д. в.с. выполнит в 10 раз больше полезной работы, чем поршень дизельного д.в.с. а так как износ предлагаемого и дизельного двигателей (их ресурс работы) можно принять в первом приближении равным для предлагаемого и дизельного д.в.с. при равном числе оборотов коленчатого вала, то износ предлагаемого д.в.с. в расчете на выработанный им 1 кВт/ч будет в 10 раз меньше износа дизельного д.в.с.

Определение КПД предлагаемого д.в.с.

Определение КПД произведем по сравнению с КПД дизельного д.в.с. который имеет наибольший КПД из известных д.в.с.

Максимальное значение КПД для дизельных четырехтактных д.в.с.равно 40% для стационарных установок большой мощности. Двигатели транспортных машин имеют КПД около 35% который примем как исходный для расчета КПД предлагаемого д.в.с. равного по мощности с дизельным. По сравнению с четырехтактным дизельным д. в.с. предлагаемый д.в.с. имеет больший КПД за счет использования двухтактного цикла работы для каждого цилиндра, использования компрессора для получения необходимой степени сжатия воздуха, отделения камеры сгорания от цилиндра и использования одной камеры сгорания на 6 цилиндров, получения от камеры сгорания в цилиндр на один рабочий ход поршня более 5 воспламенений топливной смеси, использования сдвоенных цилиндров, поршни которых соединены штоком, отличия конструкции оголовника от камеры сгорания известных д. в.с. уменьшения скорости вращения коленчатого вала и скорости движения поршней, упрощения конструкции д.в.с. в результате устранения клапанов и распределительного вала с кулачками, определяющими работу клапанов, устранения маховика, совмещение коробки передач с муфтой сцепления в виде механизма по авт. св. N 1366682 на энергетический комплекс планетарной муфты сцепления, устранение глушителя за ненадобностью.

Проанализируем какие количественные и качественные влияния могут иметь указанные отличия на КПД д.в.с.

Использование двухтактного цикла вместо четырехтактного уменьшает в два раза потери на трение поршней о стенки цилиндра, а также трение кривошипно-шатунного механизма и коленчатого вала. Можно принять, что за счет этого отличия будет увеличен КПД на 2% так как эти потери на трение в д.в.с. составляют более 4% В д. в. с. воздух при сжатии поршнем нагревается не только за счет его сжатия, но также от поршня и стенок цилиндра, которые в рабочем такте нагрелись от выхлопных газов. Повышенный нагрев воздуха при его сжатии требует затраты дополнительной механической энергии, уменьшающей КПД двигателя не менее чем на 2% по сравнению с тем, как происходит сжатие воздуха такого же объема и до равного давления в компрессоре. Кроме того, около половины сжатого воздуха получается за счет использования верхней части верхнего цилиндра при рабочем ходе его поршня в лучших температурных условиях, так как верхний торец верхнего цилиндра и верхняя поверхность поршня, а также верхняя часть боковой поверхности цилиндра на ширину толщины поршня не имеет контакта с раскаленными выхлопными газами.

Отделение камеры сгорания от цилиндра и использование одной камеры на 6 цилиндров позволяет отнести тепловые потери камеры сгорания в количестве 1/6 на каждый цилиндр, т.е. на каждый цилиндр в 6 раз меньше, чем если бы камера сгорания работала на один (а не на шесть) цилиндр. Учитывая, что в камере сгорания дизеля в момент воспламенения топливной смеси температура достигает более 2500^o, ее тепловые потери составляют существенную часть тепловых потерь всего цилиндра. Тепловые потери в камере сгорания известных д.в.с. велики еще по той причине, что максимальная температура сгоревшей топливной смеси выдерживается длительное время поршнем имеющим малую скорость движения вблизи ВМТ, обусловленную косинусоидальным законом его движения, диктуемого кривошипно-шатунным механизмом. Уменьшение тепловых потерь в 6 раз в каждом цилиндре за счет деления тепловых потерь камеры сгорания (работающей на 6 цилиндров) может дать увеличение КПД двигателя не менее чем на 2% Получение от камеры сгорания на один рабочий ход поршня более 5 воспламенений топливной смеси позволяет подерживать высокое давление газов на протяжении 2/3 хода поршня, в течение которого производится ввод в цилиндр этих 5 объемов газов, образовавшихся в результате 5 воспламенений топливной смеси. На фиг. 12 и 13 графиков работы поршней видно, что такой ввод дополнительных объемов газа увеличивает полезную работу поршня в несколько раз в большее число раз, чем число объемов дополнительного ввода в цилиндр газов из камеры сгорания, т.е. более чем в 5 раз. Это отличие позволит увеличить КПД двигателя не менее чем на 10 20% Использование сдвоенных цилиндров, поршни которых соединены штоком, позволило производить холостой ход поршня одного цилиндра за счет рабочего хода другого сдвоенного цилиндра и использовать кривошипно-шатунный механизм в 4 раза интенсивнее и равномернее, чем он используется в дизельном д.в.с. что позволило отказаться от маховика и уменьшить в 4 раза потери на трение этого механизма и коленчатого вала, приходящиеся на 1 кВт вырабатываемой мощности. За счет этого отличия КПД предлагаемого д.в.с. может быть улучшено не менее чем на 2% Отличия конструкции оголовника предлагаемого д.в.с. весьма существенны для получения наибольшего КПД. Камера сгорания 37 оголовника имеет идеальное максимально возможное отношение объема к ее поверхности, так как она имеет сферическую форму. Следствием такой формы являются минимальные тепловые потери через минимальную поверхность для заданного объема. Сферическая форма камеры сгорания соответствует лучшим условиям воспламенения и сгорания топливной смеси, чем форма камеры сгорания цилиндров дизельного д.в.с. Вокруг камеры сгорания по сферическим поверхностям расположены термоинерционный корпус из жаростойкого сплава, термоизолирующая прокладка, камеры для сжатого воздуха с теплоизолирующей прокладкой. Такое устройство снижает до минимума тепловые потери камеры сгорания во время воспламенения топливной смеси, а те тепловые потери, которые возникают, возвращаются в камеру сгорания к следующему воспламенению топливной смеси в виде сжатого воздуха нагретого в камерах 40, который проходя из них в камеру сгорания через конусные трубки 43 нагревается еще до температуры воспламенения дизельного топлива без дополнительной затраты механической энергии, имеющей место при работе дизельного д.в.с.

Суммарное увеличение КПД за счет конструкции оголовника может быть оценено не менее чем в 5% Уменьшение скорости вращения коленчатого вала и скорости движения поршней уменьшит потери на трение этих частей д.в.с. однако численную оценку их влияния на КПД двигателя дать без соответствующих испытаний не представляется возможным.

Устранение перечисленных устройств дизельного двигателя в предлагаемом д. в. с. может дать увеличение КПД до 5% Например, только глушитель в дизельном двигателе съедает более 2% КПД.

Суммарное значение вышеупомянутых конструктивных отличий предлагаемого д. в. с. от дизельного может дать увеличение КПД предлагаемого двигателя не менее чем на 20 30%
Исходя из вышеизложенных преимуществ предлагаемого д.в.с. его КПД может быть принят равным 0,5 (50%).

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания с удвоенным числом цилиндров, включающий блок цилиндров, поршни с кривошипным механизмом и коленчатым валом, электрооборудование, системы смазки, водяного охлаждения, подачи топлива и воздуха, отличающийся тем, что каждые два цилиндра имеют общую цилиндрическую ось и их поршни соединены штоком, проходящим через втулку, которая соединяет торцевые перегородки этих цилиндров, верхний ряд цилиндров соединен газоводами с нижним оголовником, нижний ряд цилиндров соединен газоводами с верхним оголовником, поршни нижних цилиндров соединены попарно кривошипами с тремя коленчатыми валами, расположенными параллельно друг другу и соединенными попарно кривошипами с тремя коленчатыми валами, расположенными параллельно друг другу и соединенными шестернями, находящимися в зацеплении с двумя промежуточными шестернями-сателлитами и с шестерней датчика электрических импульсов, верхние части верхних цилиндров соединены с баллоном сжатого воздуха, связанным с оголовником и основным компрессором.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что камера сгорания имеет сферическую форму, образована жаропрочным термоинерционным корпусом, установленным в центральной части оголовника, и отделена от корпуса оголовника теплоизолирующей прокладкой, вокруг камеры сгорания расположены камеры для сжатого воздуха, образованные сферическими поверхностями и радиальными перегородками, при этом наружная сферическая поверхность выполнена из теплоизолирующего материала, в камеры помещены электронагреватели, соединенные с аккумулятором и включаемые компьютером для пуска двигателя, в экваториальной части оголовника камеры для сжатого воздуха соединены патрубками с трубами, идущими от баллона со сжатым воздухом, камеры со сжатым воздухом соединены конусными трубками с камерой сгорания, горловина которой цилиндрическим клапаном соединяется по очереди с газоводами, идущими к цилиндрам, против горловины в камере сгорания установлены форсунка для впрыска горючего и электросвечи зажигания.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что цилиндрический клапан имеет верхний и нижний каналы, соединяющие камеру сгорания поочередно с газоводами взаимно противоположных направлений верхнего и нижнего ряда цилиндров и вращающиеся с помощью шагового двигателя, получающего электроимпульсы от электродатчика импульсов, шестерня которого находится в постоянном зацеплении с одной из шестерен коленчатых валов.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что втулка, соединяющая основание верхнего и нижнего цилиндров, имеет среднюю кольцевую выточку, заполненную маслом через трубку, идущую от масляного насоса, и верхнюю и нижнюю кольцевую выточки, в которых установлены маслосъемные кольца, плотно прилегающие к поверхности штока, проходящего через втулку.

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что компрессоры имеют выпускные клапаны сжатого воздуха, соответствующие октановой характеристике применяемого топлива.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13