Двигатель внутреннего сгорания и способ его работы

 

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр с поршнем, коленчатый вал и механизм газораспределения. Поршень соединен с кривошипом коленчатого вала, а цилиндр верхним глухим торцом, в котором выполнено отверстие, подвижно закреплен на механизме газораспределения, состоящем из двух труб. Перед впуском в цилиндр рабочую смесь подогревают и гомогенизируют в межтрубной полости вращающегося газораспределительного механизма. 2 с. и 3 з.п.ф-лы. 2 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности, к двигателям внутреннего сгорания.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с поршнем, коленчатый вал и механизм газораспределения, причем поршень связан с коленчатым валом, цилиндр присоединен к механизму газораспределения с возможностью совершения колебательного движения, а механизм газораспределения связан с коленчатым валом и содержит наружную и внутреннюю круглые трубы, образующие впускную полость, внутреннюю выпускную полость во внутренней трубе и впускное отверстие /1/.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий подогрев и гомогенизацию рабочей смеси, последующую подачу ее в цилиндр двигателя, сгорание смеси в цилиндре, расширение продуктов сгорания и выпуск отработавших газов /2/.

Недостаток известных технических решений заключается в недостаточной величине коэффициента полезного действия (КПД), а также низких значения динамичности, мощности, экономичности, ресурса, стоимости.

Задача изобретения заключается в повышении КПД и вышеуказанных характеристик двигателя.

Поставленная задача в части устройства решается тем, что двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр с поршнем, коленчатый вал и механизм газораспределения, поршень связан с коленчатым валом, цилиндр присоединен к механизму газораспределения с возможностью совершения колебательного движения, механизм газораспределения связан с коленчатым валом и содержит наружную и внутреннюю круглые трубы, образующие впускную полость, внутреннюю выпускную полость во внутренней трубе и впускное отверстие, выполненное в наружной трубе, причем поршень соединен с кривошипом коленчатого вала, цилиндр своим глухим торцем, в котором выполнено отверстие, связан с механизмом газораспределения, расположенным снаружи цилиндра, в механизме газораспределения имеется межтрубная полость, в которой размещены впускная полость и выпускной канал, снабженный ребрами жесткости. А внутренняя и наружная трубы соединены между собой при помощи выпускного канала и ребер жесткости. Кроме того, двигатель может быть снабжен несколькими цилиндрами.

Поставленная задача в части способа работы достигается тем, что способ работы двигателя внутреннего сгорания включает подогрев и гомогенизацию рабочей смеси, последующую подачу ее в цилиндр двигателя, сгорание смеси в цилиндре, расширение продуктов сгорания и выпуск отработавших газов, причем подогрев и гомогенизацию рабочей смеси осуществляют в межтрубной полости вращающегося газораспределительного механизма, а сгорание рабочей смеси производят взрывоподобно. Впуск рабочей смеси может осуществляться при повороте коленчатого вала в диапазоне от 0^o до 45 60^o, а выпуск отработавших газов может осуществляться при повороте коленчатого вала в диапазоне от (110 140^o) до 360^o.

На фиг.1 изображен двигатель внутреннего сгорания согласно изобретению, на фиг.2 круговая диаграмма рабочего цикла двигателя согласно изобретению.

Двигатель содержит картер 1, в котором установлены: коленчатый вал 2, цилиндр 3 с поршнем 4, механизм газораспределения 5.

Поршень 4 соединен непосредственно с кривошипом коленчатого вала, а цилиндр 5 своим верхним глухим торцом, в котором выполнено отверстие 6, подвижно закреплен на механизме газораспределения 5. Механизм газораспределения 5 состоит из двух круглых труб различного диаметра: наружной трубы 7 и внутренней трубы 8. Трубы 7 и 8 соосно вставлены одна в другую и образуют внутреннюю выпускную полость 9 и межтрубную впускную полость 10.

В наружной трубе 7 выполнено впускное отверстие 11. В межтрубной впускной полости 10 образован выпускной канал 12.

Для обеспечения механической прочности выпускной канал 12 разделен на секции с помощью продольных ребер 13.

Внутренняя выпускная полость 9 служит выпускным трубопроводом, а межтрубная впускная полость 10 впускным трубопроводом.

Коленчатый вал 2 связан с газораспределительным валом для обеспечения синхронного вращения обоих валов.

Двигатель, изображенный на фиг.1, содержит один цилиндр, но также может иметь несколько цилиндров, например, два, три, четыре и т.п.

Двигатель, согласно изобретению, работает следующим образом.

Из системы питания, которая на показана на чертеже, рабочая смесь, способная быстро воспламеняться в нормальных условиях (без сжатия), поступает в межтрубную впускную полость 10 газораспределительного вала, который вращается со скоростью коленчатого вала 2.

Благодаря вращению рабочая смесь повышает свою однородность, а также одновременно с процессом гомогенизации интенсивно нагревается отработавшими газами, проходящими во внутренней полости 9 газораспределительного вала.

При совмещении отверстия 11 газораспределительного вала с отверстием 6 цилиндра 5 осуществляется фаза "впуск". Начинается она сразу за верхней мертвой точкой (ВМТ), когда поршень 4 заполняет весь рабочий объем цилиндра 5, а заканчивается при (45-60)^o угла поворота коленчатого вала 2, как показано на фиг. 2. При этом рабочая смесь заполняет от четверти до трети рабочего объема цилиндра 5.

В конце "впуск" отверстие 6 цилиндра 5 перекрывается сплошной поверхностью газораспределительного вала и происходит воспламенение рабочей смеси. Горение рабочей смеси происходит с ускорением, т.е. взрывоподобно со скоростью горения рабочей смеси до 1000 м/с.

Давление в цилиндре 5 нарастает лавинообразно и происходит полное сгорание топливной смеси, при этом температура газов не превышает 1000^oC. Максимум давления внутри цилиндра 5 достигается при максимуме плеча (=90) кривошипа коленчатого вала.

При дальнейшем повороте коленчатого вала рабочий объем цилиндра уменьшается, что приводит к уменьшению давления и температуры отработавших газов. При достижении угла поворота коленчатого вала (110-140)^o выпускной канал 12 газораспределительного вала совмещается с отверстием 6 цилиндра 5 и начинается фаза "выпуск", как показано на фиг.2.

Давление и температура отработавших газов в цилиндре 5 падают. При движении поршня 4 от нижней мертвой точке (НМТ) к ВМТ осуществляется полная очистка цилиндра 5 от отработавших газов. Рабочий цикл двигателя заканчивается.

Так как цилиндр 5 выполнен подвижным, то при повороте коленчатого вала 2 он совершает синхронные с коленчатым валом колебательные движения. При этом максимальная скорость углового смещения достигается в ВМТ и НМТ, а минимальная скорость (полная остановка и смена направления движения) при максимальном отклонении цилиндра 5 от вертикального положения, т.е. в точках максимального плеча.

При движении цилиндра 5 через ВМТ его отверстие движется навстречу вращению газораспределительного вала. При движении цилиндра 5 через НМТ по ходу вращения. Благодаря этому фаза "впуск" начинается и заканчивается с удвоенной скоростью, что дает хорошее наполнение цилиндра рабочей смесью. Фаза "выпуск", наоборот, очень медленно начинается, что позволяет плавно снять давление в цилиндре.

Таким образом, двигатель, согласно изобретению, является двухтактным, но отсутствует самая энергоемкая фаза "сжатие".

Кроме того, газораспределительный механизм выполняет сразу несколько функций: вал для закрепления с возможностью колебательного движения цилиндра, газораспределитель, впускной трубопровод, выпускной трубопровод, теплообменник, смеситель, глушитель.

Такая конструкция двигателя позволяет исключить систему жидкостного охлаждения и заменить сложный узел, образуемый поршнем и шатуном, простой деталью поршнем.

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с поршнем, коленчатый вал и механизм газораспределения, причем поршень связан с коленчатым валом, цилиндр присоединен к механизму газораспределения с возможностью совершения колебательного движения, а механизм газораспределения связан с коленчатым валом и содержит наружную и внутреннюю круглые трубы, образующие впускную полость, внутреннюю выпускную полость во внутренней трубе и впускное отверстие, выполненное в наружной трубе, отличающийся тем, что поршень соединен с кривошипом коленчатого вала, цилиндр своим глухим торцом, в котором выполнено отверстие, связан с механизмом газораспределения, расположенным снаружи цилиндра, причем в механизме газораспределения имеется межтрубная полость, в которой размещены впускная полость и выпускной канал, снабженный ребрами жесткости, а внутренняя и наружные трубы соединены между собой при помощи выпускного канала и ребер жесткости.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что снабжен несколькими цилиндрами.

3. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий подогрев и гомогенизацию рабочей смеси, последующую подачу ее в цилиндр двигателя, сгорание смеси в цилиндре, расширение продуктов сгорания и выпуск отработавших газов, отличающийся тем, что подогрев и гомогенизацию рабочей смеси осуществляют в межтрубной полости вращающегося газораспределительного механизма, а сгорание рабочей смеси производят взрывоподобно.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что впуск рабочей смеси длится при повороте коленчатого вала в диапазоне от 0 до 45 60^o.

5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что выпуск отработавших газов длится при повороте коленчатого вала от 110 -140 до 360^o.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2