Шеститактовий двигун внутрішнього згоряння з зубчастою передачею крутного моменту та використанням енергії пари

Реферат: Шеститактовий двигун внутрішнього згоряння з зубчастою передачею крутного моменту та використанням енергії пари містить шестеренно-шатунний (з комплектами шестерень по кількості циліндрів зовнішнього зачеплення, закріплених на валу, з маховиком і внутрішнього зачеплення рамкового типу, шарнірно з'єднаних з шатунами) та газорозподільний (з випускними клапанами у головці блока та у випускному трубопроводі) механізми, системи мащення, запалювання, запуску, живлення паливом, повітрям, водою (з ємністю для води, насосом, форсунками впорскування води у відпрацьовані гази та на гільзи і головки циліндрів), окремий закритий простір кожної гільзи циліндрів та головки блока для такту випуску відпрацьованих газів і впорскування води та створення пари, що додатково забезпечує другий робочий хід (окрім тактів впускання, стискання, робочого ходу, випуску відпрацьованих газів та пари у навколишнє середовище). UA 75364 U (54) ШЕСТИТАКТОВИЙ ДВИГУН ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ З ЗУБЧАСТОЮ ПЕРЕДАЧЕЮ КРУТНОГО МОМЕНТУ ТА ВИКОРИСТАННЯМ ЕНЕРГІЇ ПАРИ UA 75364 U UA 75364 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до джерел та перетворювачів енергії (двигунів внутрішнього згоряння). Застосування шеститактових двигунів внутрішнього згоряння без колінчастого вала з зубчастою передачею крутного моменту та використанням енергії пари, що утворюється від впорскування води у відпрацьовані гази, на зовнішні поверхні гільзи та головки циліндрів, здійснюючи охолодження цих елементів, дає можливість значно зменшити витрати палива та підвищити коефіцієнт корисної дії двигуна внутрішнього згоряння за рахунок використання тепла відпрацьованих газів та тепла, яке у звичайних двигунах внутрішнього згоряння відбиралось системою охолодження і не використовувалось. Відсутність колінчастого вала та стандартних елементів системи охолодження значно зменшує масу та габаритні розміри двигуна. У всіх сучасних двигунах внутрішнього згоряння ефективність згоряння палива складає близько 75 %, термічний коефіцієнт корисної дії становить близько 0,35-40 % і близько 65 % теплової енергії не використовується і відправляється системою охолодження та разом з відпрацьованими газами у атмосферу, механічний коефіцієнт корисної дії становить близько 90 %. Частина енергії витрачається двигуном для приводу насоса та вентилятора системи охолодження, тощо. В результаті коефіцієнт корисної дії сучасного поршневого двигуна складає близько 30 %. Використання колінчастого вала також не дає можливості у повній мірі використати енергію згоряння паливної суміші, так як при згорянні паливної суміші плече сили крутного моменту змінюється від 0 у верхніх та нижніх мертвих точках до розміру радіуса кривошипу під час повороту колінчастого вала на 90° від верхньої мертвої точки під час робочого ходу. Значна частина тиску газів передається на вісь колінчастого вала. Крутний момент збільшується тільки при повороті колінчастого вала на 30°-35°. Під час руху поршня при робочому ході до нижньої мертвої точки тиск газів знижується. Максимальний крутний момент буде тільки тоді, коли кут між напрямом прикладання сили від тиску газів та радіусом кривошипа становитиме близько 90°. При цьому, в цей момент на стінки циліндрів діє значна сила тертя. Використання колінчастого вала призводить до значного збільшення маси двигуна. Всі наведені вище дані приводять до значних витрат палива. Удосконалення конструкції газорозподільних, кривошипно-шатунних механізмів і систем та впровадження електронних систем керування поршневих двигунів внутрішнього згоряння призвели до значного ускладнення конструкції і підвищення собівартості їх виготовлення, але значного підвищення коефіцієнта корисної дії та зниження витрат палива досягнути не вдалось. Впорскування води в камеру згоряння не дозволяє використати тепло відпрацьованих газів і призводить до потрапляння води в систему мащення, що визиває необхідність очищення масла та значно ускладнює роботу шеститактових поршневих двигунів внутрішнього згоряння (були спроби створити двигун з впорскуванням води у циліндр Баюласом, Кроуером). Суть корисної моделі: Пропонується шеститактовий двигун внутрішнього згоряння, який представляє стандартний поршневий чотиритактовий двигун внутрішнього згоряння, але без стандартної системи охолодження та без колінчастого вала, який замінений зубчастою передачею крутного моменту, та використанням двох додаткових тактів (другого робочого ходу та випуску пари та відпрацьованих газів) та енергії пари, що утворюється від впорскування води у відпрацьовані гази та на гільзи і головки циліндрів. Температура горіння робочої суміші може сягати до 3000°, а температура відпрацьованих газів до 800°-1100°. Впорскування за допомогою форсунок води у відпрацьовані гази та на гарячі зовнішні поверхні гільзи циліндрів і головки циліндрів приводить до створення пари, який під тиском надходить через два випускні клапани в циліндр, заставляючи поршень рухатись до нижньої мертвої точки, та одночасно забезпечується охолодження цих елементів, що дає можливість значно зменшити витрати палива та підвищити коефіцієнт корисної дії двигуна внутрішнього згоряння за рахунок використання тепла відпрацьованих газів та тепла, яке у звичайних двигунах внутрішнього згоряння відбиралось системою охолодження і не використовувалось. Відсутність колінчастого вала та стандартних елементів системи охолодження значно зменшує масу та габаритні розміри двигуна. Встановлення зубчастої передачі крутного моменту забезпечує постійне плече крутного моменту протягом всього руху поршня від верхньої до нижньої мертвих точок. Відсутність стандартної системи охолодження зменшує витрати енергії двигуна на привод вентилятора та насоса циркуляції охолоджувальної рідини. Система мащення в таких двигунах може не встановлюватися. Для зменшення вібраційних навантажень від поршня та шатуна у нижній частині двигуна у кожному циліндрі є можливість установити пружні елементи (пружинного або ресорного типу). 1 UA 75364 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Привод клапанів здійснюється від удосконалених розподільних валів. Змінено форму кулачків випускного вала та добавлено на розподільний вал кулачки для третього випускного клапана випускного трубопроводу кожного циліндра. Все вище запропоноване може підвищити коефіцієнт корисної дії поршневого двигуна внутрішнього згоряння та зменшити витрати палива до двох разів. Аналоги корисної моделі шеститактового двигуна внутрішнього згоряння без колінчастого вала з зубчастою передачею крутного моменту та використанням енергії пари нам невідомі. Задача корисної моделі - значне підвищення коефіцієнта корисної дії і зменшення витрат палива, маси та габаритних розмірів поршневого двигуна внутрішнього згоряння за рахунок використання тепла відпрацьованих газів та тепла, яке у звичайних двигунах внутрішнього згоряння відбирається системою охолодження та не використовується, забезпечення постійного плеча крутного моменту на всьому шляху руху поршня від верхньої до нижньої мертвих точок за рахунок застосування зубчастої передачі крутного моменту замість колінчастого вала. Перелік фігур креслення: 1. Загальний вигляд у поперечному розрізі шеститактового поршневого двигуна внутрішнього згоряння без колінчастого вала з зубчастим приводом та використанням енергії пари наведено на фіг. 1. На фіг. 1. у статичному стані зображено шеститактовий поршневий двигун внутрішнього згоряння без колінчастого вала з зубчастим приводом та використанням енергії пари при положенні поршня 10 у верхній мертвій точці перед початком горіння паливної суміші та робочого ходу. Колінчастий вал замінено зубчастою передачею, яка складається з рамки 6 з внутрішніми зубцями і закріплена на шатуні та шестірні, що закріплена на валу 4 з маховиком 20. Для забезпечення постійного зачеплення зубців рамки з зубцями шестірні, по центру рамки з обох сторін є по два штифтові виступи 5, які рухаються по фігурним пазам 2 у картері. Навколо кожного циліндра встановлено зовнішні циліндри 19 (приварені до гільз 7), що герметизують простір навколо циліндрів. У кожному зовнішньому циліндрі 19 по колу через 120° встановлені форсунки 9 для впорскування води у навколоциліндровий закритий простір Б. У головці блока циліндрів 18 над камерою згоряння встановлено теж форсунку 9 для впорскування води і теж створено закритий простір А, що з'єднується з закритим простором гільз циліндрів. У випускному трубопроводі 16 встановлено три клапани, з яких перші два клапани 15 герметизують простір над поршнем 10, а клапан 17 випускного трубопроводу 16 герметизує простір над: поршнем 10, навколоциліндровим Б, навколо головки блока А та дають можливість здійснення п'ятого такту (робочого ходу від тиску пари). Випускні клапани 15, що герметизують простір над поршнем 10, відкриваються та закриваються за допомогою розподільного випускного вала 13 з удосконаленими кулачками. На розподільному валу 13 для відкриття (закриття) випускного клапана 17 з випускним трубопроводом 16 встановлено додаткові кулачки. Значення позначень фіг. 1: 1 - картер; 2 - фігурні поверхні картера для руху рамки по заданій траєкторії; 3 - шестірня; 4 - вал; 5 - направляючі штифтові виступи для руху рамки по заданій траєкторії; 6 - рамка з внутрішніми зубцями; 7 - гільза циліндра; 8 - шатун; 9 - форсунки для впорскування води; 10 - поршень; 11 - впускний клапан; 12 - впускний трубопровід; 13 розподільні вали; 14 - свічка запалювання; 15 - випускний клапан циліндра; 16 - випускний трубопровід; 17 - випускний клапан випускного трубопроводу; 18 - головка блока циліндрів; 19 зовнішній циліндр, що герметизує гільзу циліндрів; 20 - маховик; А - закритий простір головки блока циліндрів над камерою згоряння, що поєднаний з закритим простором навколо гільзи циліндра, але не поєднаний з простором головки блока над іншими циліндрами; Б - закритий простір навколо гільзи циліндра, що поєднаний з закритим простором головки блока циліндра над камерою згоряння, але не поєднаний з простором інших гільз циліндрів; 2. Загальний вигляд у поперечному розрізі шеститактового поршневого двигуна внутрішнього згоряння без колінчастого вала з зубчастою передачею крутного моменту та використанням енергії пари перед початком випуску відпрацьованих газів (четвертий такт) наведено на фіг. 2. На фіг. 2., коли поршень 10 знаходиться у нижній мертвій точці, показано початок випуску відпрацьованих газів у простір навколо циліндра Б та навколо головки блока циліндра А. Випускні клапани 15 відкриті, випускний клапан 17 закритий. Випуск усіх відпрацьованих газів здійснюється тільки у навколоциліндровий простір. Навколоциліндровий простір А і Б в сумі біля 1,5 раз перевищує суму об'ємів робочого та камери згоряння. Шестірня 3 перемістила рамку 6 ліворуч і права частина зубців рамки 6 контактує з зубцями шестірні 3. 3. Загальний вигляд у поперечному розрізі шеститактового поршневого двигуна внутрішнього згоряння без колінчастого вала з зубчастою передачею крутного моменту та 2 UA 75364 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 використанням енергії пари перед початком другого робочого ходу від тиску пари (п'ятий такт) наведено на фіг. 3. На фіг. 3, коли поршень 10 знаходиться у верхній мертвій точці, здійснюється впорскування чотирма форсунками 9 води на гарячі поверхні та в гази у навколоциліндровому просторі А, Б і створюється пара з великим тиском, яка надходить через відкриті клапани 15 у надпоршневий простір, заставляючи поршень рухатись до нижньої мертвої точки. Клапан 17 в ході робочого ходу від тиску пари (п'ятий такт) закритий. 4. Загальний вигляд у поперечному розрізі шеститактового поршневого двигуна внутрішнього згоряння без колінчастого вала з зубчастою передачею крутного моменту та використанням енергії пари перед початком випуску відпрацьованих газів в атмосферу (шостий такт). На фіг. 4, коли поршень 10 знаходиться у нижній мертвій точці, показано початок випуску відпрацьованих газів у атмосферу. Випускні клапани 15 відкриті, випускний клапан 17 відкритий. Шестірня 3 перемістила рамку 6 ліворуч і права частина зубців рамки контактує з зубцями шестірні. Принцип дії Шеститактовий двигун внутрішнього згоряння без колінчастого вала з зубчастою передачею крутного моменту та використанням енергії пари під час здійснення перших чотирьох тактів працює, як звичайний чотиритактовий поршневий двигун внутрішнього згоряння, тобто здійснюється впускання паливної суміші (повітря), стискання, згоряння та робочий хід, випуск відпрацьованих газів. Далі відпрацьовані гази через перші випускні клапани 15 виштовхуються у навколишній закритий простір навколо циліндрів Б та камери згоряння А, не виходячи у випускний трубопровід 16, за рахунок закритого третього клапана 17 випуску відпрацьованих газів у випускний трубопровід 16. По закінченні виштовхування відпрацьованих газів та закритті випускних клапанів 15 здійснюється впорскування води у виштовхнуті в навколоциліндровий закритий простір відпрацьовані гази та на зовнішні поверхні стінки циліндра 7 і головки блока циліндра (циліндрів) 18, що приводить до створення пари з великим тиском і охолодження циліндра 7 та головки блока 18. Під час знаходження поршня 10 у верхній мертвій точці та початку руху до нижньої мертвої точки відкриваються два випускні клапани 15 і пара під великим тиском надходить у надпоршневий простір і здійснюється другий робочий хід (п'ятий такт). В цей час третій випускний клапан 17 закритий. При досягненні поршнем 10 нижньої мертвої точки додатково відкривається третій випускний клапан 17 і здійснюється видалення поршнем суміші відпрацьованих газів та пари у навколишнє середовище (шостий такт). Такі такти та процеси здійснюються почергово у кожному циліндрі та позациліндровому закритому просторі. Керування вчасним відкриттям (закриттям) клапанів, впорскуванням палива, запалюванням здійснюють газорозподільні вали та електронна система. Оптимальне значення температури та тиску пару з відпрацьованими газами та подачу палива здійснює електронна автоматична система керування, а встановлені у зовнішній частині навколоциліндрового простору та головки блока, датчики температури та тиску подають сигнали до електронної системи і забезпечують підтримання заданої температури шляхом збільшення (зменшення) кількості води, що впорскується та збільшення (зменшення) подачі палива. Тиск газів під час горіння та робочого ходу через поршень 10 передається на шатун 8, рамку з зубцями, всередині рамки на шестірню 3, що розташована на валу 4 з маховиком. Під час впускання та робочого ходу шестірня 3 переміщає рамку 6 праворуч і зубці лівої частини рамки 6 знаходяться в контакті з зубцями шестірні 3, а під час стискання та випуску відпрацьованих газів рамка 6 пересувається шестірнею 3 ліворуч і зубці правої частини рамки 6 знаходяться у контакті з шестірнею 3. Оскільки зубці лівої та правої частини рамки 6 знаходяться на рівній відстані від осі вала 4, на якому розташовані шестерні 3, то плече крутного моменту майже протягом всього руху поршня від верхньої до нижньої мертвої точки остається постійне. З шестерень 3 через вал 4 та маховик крутний момент передається до зчеплення та коробки передач. Джерела інформації: 1. М.Ю. Основенко, В.П. Сахно. Автомобілі. Навчальний посібник, 1992 р. 2. В.І. Сирота, В.П. Сахно. Автомобілі. Основи конструкції, теорія. Навчальний посібник, 2007 р. 3. В.В. Осепчугов, А.К.Фрумкин. Автомобиль. Анализ конструкции, элементы расчета. Учебник. - Машиностроение, 1989.-304 с. 3 UA 75364 U 5 10 15 20 25 30 4. Н.Н. Вишняков и другие. Автомобиль. Основы конструкции. Учебник. 5. Сахно В.П., Безбородова Г.Б., Маяк М.М., Шарай С.М. Автомобілі. Тягово-швидкісні властивості та паливна економічність: Навч. посібник. - К.: В-во "КВІЦ", 2004.-174 с. 6. Ф.І. Абрамчук, Ю.Ф. Гутаревич, К.Є. Долганов, І.І. Тимченко Автомобільні двигуни. Підручник. - В-во Арістей, 2006.-476 с. 7. О.В. Баженов та інші. Гібридні автомобілі. Монографія. - ХНАДУ, 2008.-327 с. 8. А.С. Орлик и другие. Двигатели внутреннего сгорания. Учебник, 1970.-383 с. 9. В.І. Сирота. Основи конструкції автомобілів. Навчальний посібник. - В-во Арістей, 2006.280 с. 10. Иванов A.M., Солнцев А.И., Гаевский В.В. и др. Основи конструкции автомобиля. Учебное пособие для ВУЗов. - изд. "За рульом", 2005.-336 с. 11. Михайловский У.В., Серебряков К.Б., Тур У.Я. Устройство автомобіля. Учебник. - М.: Машиностроение, 1987.-352 с. 12. Програми самонавчання з вивчення конструкції та принципу дії елементів конструкції автомобіля. Примітка: Всі вище наведені Джерела інформації: не містять інформації про шеститактовий двигун внутрішнього згоряння без колінчастого вала з зубчастою передачею крутного моменту та використанням енергії пари. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Шеститактовий двигун внутрішнього згоряння з зубчастою передачею крутного моменту та використанням енергії пари, який відрізняється тим, що містить шестеренно-шатунний (з комплектами шестерень по кількості циліндрів зовнішнього зачеплення, закріплених на валу з маховиком, і внутрішнього зачеплення рамкового типу, шарнірно з'єднаних з шатунами) та газорозподільний (з випускними клапанами у головці блока та у випускному трубопроводі) механізми, системи мащення, запалювання, запуску, живлення паливом, повітрям, водою (з ємністю для води, насосом, форсунками впорскування води у відпрацьовані гази та на гільзи і головки циліндрів), окремий закритий простір кожної гільзи циліндрів та головки блока для такту випуску відпрацьованих газів і впорскування води та створення пари, що додатково забезпечує другий робочий хід (окрім тактів впускання, стискання, робочого ходу, випуску відпрацьованих газів та пари у навколишнє середовище). 4 UA 75364 U 5 UA 75364 U 6 UA 75364 U 7 UA 75364 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8