Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с вспомогательным цилиндром

 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания как карбюраторным, так и к дизельным. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания содержит по меньшей мере одну пару рабочих цилиндров, между которыми установлен один вспомогательный, поршни которых кинематически связаны с коленчатым валом, рабочие цилиндры снабжены выпускными клапанами, перепускными каналами с клапанами, сообщенными со вспомогательным цилиндром, при этом каждый вспомогательный цилиндр снабжен впускным клапаном, связанным с газораспределительным валом посредством кулачка, Изобретение обеспечивает увеличение мощности двигателя без увеличения степени сжатия. 3 ил.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания как карбюраторным, так и к дизельным.

Известен четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере одну пару рабочих цилиндров, между которыми установлен один вспомогательный цилиндр, поршни которых кинематически связаны с коленчатым валом, при этом рабочие цилиндры снабжены выпускными клапанами, перепускными каналами с клапанами, сообщенными со вспомогательным цилиндром (FR, 2477224, F 02 В 33/06, 1981). Это изобретение выбрано в качестве прототипа. Однако такая конструкция не позволяет увеличить мощность двигателя, не повышая степень сжатия.

Технической задачей изобретения является устранение указанного недостатка.

Решение поставленной задачи заключается в том, что четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, карбюраторный или дизельный, содержит по меньшей мере одну пару рабочих цилиндров, между которыми установлен один вспомогательный цилиндр, поршни которых кинематически связаны с коленчатым валом, при этом рабочие цилиндры снабжены выпускными клапанами, перепускными каналами с клапанами, сообщенными со вспомогательным цилиндром, причем каждый вспомогательный цилиндр снабжен впускным клапаном, связанным с газораспределительным валом посредством кулачка.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана принципиальная схема работы такого двигателя, на фиг. 2 - варианты для расчета мощности двигателя, на фиг. 3 - конструкция предлагаемого двигателя.

Двигатель содержит 4 рабочих цилиндра, а также 2 вспомогательных (фиг. 3), поршни которых посредством шатунов связаны с кривошипно-шатунным механизмом (КШМ) и сидят на одной шейке коленчатого вала с шатунами рабочих поршней. Для равномерного вращения коленчатого вала двигателя вспомогательные поршни находятся по фазе под углом 180^o один относительно другого. Введение вспомогательных цилиндров с поршнями дает возможность повысить мощность двигателя без увеличения степени сжатия в 4 и более раз при значительном снижении расхода топлива на единицу мощности и как следствие снизится загрязнение атмосферы выхлопными газами. Мощность двигателя в большой степени зависит от степени сжатия горючей смеси в цилиндре. У современных карбюраторных двигателей степень сжатия (с.ж.) 8-9. Далее ее повышать нельзя, иначе это может привести к поломке двигателя. Для увеличения мощности двигателя, не повышая степени сжатия, предлагается ввести в конструкцию вспомогательные цилиндры, воспламенение горючей смеси в которых происходить не будет. Принципиальная схема работы такого двигателя дана на фиг. 1, где РП - рабочий поршень, а ВП - вспомогательный поршень. Чтобы с.сж. в рабочем цилиндре осталась равной 8-9, необходимо камеру сгорания по объему увеличить в 2 раза по отношению к существующим. В такой конструкции если оба поршня пойдут вниз (фиг. 1), то через впускной клапан горючая смесь поступит в оба цилиндра, а когда оба поршня пойдут вверх, то вся смесь перейдет в основной цилиндр (а так, как камера сгорания в нем увеличена по объему в 2 раза, то степень сжатия останется той же). После этого произойдет воспламенение горючей смеси, но при этом вспомогательный поршень остается на месте - в верхнем положении, а рабочий пойдет вниз, совершая полезную работу, при этом среднеиндикаторное давление в рабочем цилиндре увеличится в 2 раза, а в следствии этого крутящий момент так же увеличится в 2 раза. В результате того, что горючая смесь вынуждена сгорать в объеме в 2 раза меньшем, чем ее было нагнетано в процессе такта всасывания, значит рабочий поршень переместится к нижней мертвой точке (Н. М. Т.) в 2 раза быстрее, тогда коленчатый вал будет вращаться в 2 раза быстрее по сравнению с существующими двигателями и среднеиндикаторное давление газов на поршень при этом будет так же в 2 раза выше, в связи с уменьшением объема где сгорает топливо. При этом расход топлива возрастет в 2 раза, т.к. коленчатый вал будет вращаться в 2 раза быстрее.

Принципиальная схема работы такой конструкции (фиг. 1) будет происходить следующим образом: 1 такт - всасывание, 2 такт - сжатие, 3 такт - раб. ход - основной поршень идет вниз, вспомогательный остается в верхнем положении, 4 такт - выпуск - основной поршень идет вверх, вспомогательный остается на месте (в верхнем положении).

Мощность двигателя равна произведению крут. момента на частоту вращения кол. вала где m_кр = P_кгсC, где C - плечо - расстояние от центра вращения кол. вала до точки нахождения конца шатуна.

Фиг. 2 при среднем положении поршня при движении его по цилиндру.

В этом случае фиг. 2 - вар. 1 мощность возрастет всего в 2 раза, так как величина C уменьшится в 2 раза по сравнению с существующими двигателями. Предлагается уменьшить площадь рабочего поршня в 2 раза.

Фиг. 2 вар. 2. Тогда можно будет рабочий ход поршня оставить таким, как в существующих двигателях. В этом случае величина C уменьшаться не будет. Тогда мощность возрастет в 4 раза т.к. величины P и увеличатся в 2 раза, а величина C останется прежней. При этом удельное давление на поршень возрастет в 2 раза, но общее давление (в момент подачи искры) останется 2Р, как в первом предлагаемом варианте. Фиг. 2 вар. 1. Если уменьшить диаметр рабочего и вспомогательного поршней в 0,8 раза, то их площадь уменьшится примерно в 2 раза. Высота камеры сгорания при этом возрастет незначительно на 2,5-3 мм. Фиг. 2 при с.сж. равном 9. Фиг. 2 вар. 2. Если в дальнейшем площадь поршня уменьшать еще, а его ход пропорционально уменьшению площади увеличивать, то мощность возрастет еще на некоторую величину.

В предлагаемой схеме фиг. 1 вспомогательный поршень в момент тактов рабочего хода и выпуска не должен уходить от своего верхнего положения. На практике это осуществить сложно, поэтому я предлагаю один вспомогательный цилиндр установить на 2 рабочих или как на фиг. 3 два вспомогательных цилиндра с поршнями 2 и 5 на 4 рабочих с поршнями 1, 3, 4, 6. Работа предлагаемого двигателя будет происходить следующим образом: чтобы поршни 1 и 3 работали синхронно с поршнем 2, а поршни 4 и 5 с поршнем 5 в головках вспомогательных цилиндров с поршнями 2, 5 фиг. 3, необходимо установить по одному впускному клапану 11(фиг.3), кулачки которых на газораспределительном валу 8 должны быть установлены под углом 180^o между 1 и 3 и между 4 и 6 перепускными клапанами 12 (фиг.3). На коленчатом валу 7 шейки под шатуны поршней 1, 2, 3 должны быть установлены под углом 180^o относительно шеек под шатуны поршней 4, 5, 6 - это условие равномерного вращения кол. вала 7 предлагаемого двигателя (фиг.3). Когда 1, 2, 3 поршни пойдут вниз, то согласно схеме на фиг. 3 в первом цилиндре будет идти такт всасывания, т.к. впускной 11 и перепускной 12 клапаны будут открыты, а в 3-м цилиндре будет рабочий ход, т. к. клапаны 10 и 12 (выпускной и перепускной) будут закрыты и свеча даст искру. В это время поршни 4, 5, 6 пойдут вверх, тогда в цилиндре с поршнем 4 пойдет такт - сжатия - впускной 11 и выпускной 11 клапаны закрыты, а перепускной 12 открыт. В цилиндре с поршнем 6 пойдет такт выпуска - впускной 11 и перепускной 12 клапаны закрыты, а выпускной 10 - открыт (фиг.3). При правильной регулировке зажигания и клапанов новый двигатель будет работать устойчиво на оборотах в 2 раза больших, чем у существующих двигателях такого же литража при равных эксплуатационных условиях, поэтому маховик нового двигателя может быть уменьшен по массе в 2 раза и его инерционные свойства при этом не уменьшатся. Это приведет к дополнительному снижению веса нового двигателя. Теоретически предлагаемый двигатель с общим объемом цилиндров 1,5 литра будет развивать мощность 320 л.с. Расход топлива при этом увеличится всего в 2 раза. В современных двигателях такого объема мощность доведена до 75-80 л.с. и расход топлива при этом 7,8-8 л на 100 км пробега.

В существующих двигателях расход топлива равен: 0,1 л на 100 км на 1 л.с.

8 л 80 л.с. = 0,1 л 100 км 1 л.с.

В предлагаемом двигателе расход будет равен: 15 л 320 л.с. = 0,05 л 100 км 1 л.с.

Если изготовить двигатель мощностью 75 л.с. по предлагаемой схеме - то его расход составит: 0,05 л 75 л.с. = 3,75 л 100 км пробега Это в 2,5 раза экономичнее, чем у существующих двигателей такого же литража.

Четыре рабочих цилиндра (1, 3, 4, 6) должны быть по объему в 2 раза меньше, чем у существующих, но при этом рабочий ход поршня должен оставаться прежним - 76 мм. Поэтому для увеличения мощности высоту цилиндров необходимо оставить прежней, а площадь основания уменьшить в 2 раза. Тогда из расчетов получаем, что площадь новых поршней (и рабочих и вспомогательных) должна составлять 26,4 см², что соответствует диаметру 58 мм, а у существующих соответственно 52,8 см² и 82 мм. При этом мощность составит 320 л.с.

Объем одного цилиндра составит: 26,4 см² 72 мм = 194 см³; объем рабочих цилиндров составит: 194 см³4 = 776 см³; объем вспомогательных цилиндров: 194 см³2 = 338 см³; тогда общий объем двигателя составит: 776 см³ + 338 см³ = 1164 см³. Новый двигатель по длине будет составлять: 55 мм 6 = 348 мм против существующих 82 мм 4 = 328 мм, что всего лишь на 20 мм больше по длине, но зато мощность при этом составит 320 л.с.

Формула изобретения

Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, карбюраторный или дизельный, содержащий по меньшей мере одну пару рабочих цилиндров, между которыми установлен один вспомогательный цилиндр, поршни которых кинематически связаны с коленчатым валом, при этом рабочие цилиндры снабжены выпускными клапанами, перепускными каналами с клапанами, сообщенными со вспомогательным цилиндром, отличающийся тем, что каждый вспомогательный цилиндр снабжен впускным клапаном, связанным с газораспределительным валом посредством кулачка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3