Спосіб роботи двигуна внутрішнього згоряння

1 Спосіб роботи двигуна внутрішнього згоряння, який полягає втому, що два поршні, зв'язані за допомогою шатунів, ВІДПОВІДНО З двома колінчастими валами, рухаються в одному циліндрі, при цьому один поршень працює по двотактному робочому циклу з золотниковим газообміном, який відрізняється тим, що двигун внутрішнього згоряння працює по змішаному робочому циклу, при якому другий поршень виконує повний робочий хід, а наступне переміщення, відповідне половині змішаного робочого циклу, поршні здійснюють в одному напрямку і утворюють в циліндрі мало Винахід відноситься до області двигунів внутрішнього згоряння і може бути використаний при створенні двигунів внутрішнього згоряння з особистими робочими процесами Важливими та актуальними вимогами до способу роботи двигуна внутрішнього згоряння в цей час є зниження питомої витрати палива, маси та габаритних розмірів, а також, забезпечення широкого його використання на транспортних машинах різного призначення Відомий спосіб роботи двигуна внутрішнього згоряння з протилежно переміщующимися поршнями, описаний, наприклад, в книзі А С Орлин, Д Н Вырубов та др "Конструкция и расчет поршневых и комбинированных двигателей", Машиностроение, 1972 год Ці двигуни являють особливий клас двигунів Головна їх перевага - майже подвійна потужність в циліндрі, висока якість процесів газообміну та сумішезмішування, відсутність головок циліндрів та клапанів Недоліки аналогів - Неефективне використання повного робочого об'єму циліндра та витрати потужності на забезпечення прямоточної продувки додаткового об'єму змінний об'єм, протягом якого перший поршень завершує робочий хід, забезпечує газообмін робочого об'єму в циліндрі петльовою продувкою і має початок процес стискання, та при наступному переміщенні поршнів до загальної верхньої мертвої точки другий поршень інтенсифікує зменшення об'єму в циліндрі, за рахунок відношення частот обертання колінчастих валів, рівного двом 2 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що тривалість робочого ходу першого поршня визначається за умовами отримання оптимальних параметрів процесів розширення та газообміну в циліндрі та обмежується рівнянням крутних моментів колінчастих валів 3 Спосіб за п 1 який відрізняється тим, що величина відхилення об'єму в циліндрі в процесі газообміну, відносно робочого об'єму циліндра, визначається відношенням радіусів кривошипів колінчастих валів за умовами отримання оптимальних параметрів процесів розширення та газообміну в циліндрі циліндра, утвореного загубленими ходами обох поршнів, - Циліндро-поршневі групи та кривошипношатунні механізми мають складну конструкцію, великі маси та габаритні розміри, - Обмежене використання на транспортних машинах За прототип прийнято засіб роботи двигуна Д100 з протилежно рухаючимися поршнями в одному циліндрі, двома колінчастими валами та золотниковим газообміном з прямоточною продувкою циліндра, описаний, наприклад, в книзі Ю Б Моргулис "Двигатели внутреннего сгорания", Машиностроение, 1972 год В прототипі організується двохтактний робочий цикл за рахунок одинакової частоти обертання колінчастих валів Недоліки прототипу - Повний робочий об'єм циліндра складається із робочого об'єму, утвореного робочими ходами поршнів, та об'єму утвореного загубленими ходами останніх і складаючого близько 40% повного об'єму циліндра, тому що поршні виконують роль плунжерів в золотниковій системі газообміну циліндра прямоточною продувкою Це обмежує питому О ю ю 52754 циліндрову потужність, потребує витрат потужності на газообмін об'єму, утвореного загубленими ходами поршнів, збільшує питомі витрати палива, масу та габаритні розміри двигуна, - Обидві циліндро-поршневі групи одного циліндра забезпечують золотниковий процес газообміну його повного об'єму, тому мають складну конструкцію, великі габаритні розміри по висоті поршнів і довжині циліндра, великі маси та збільшену КІЛЬКІСТЬ кілець Це, в цілому, ускладнює конструкцію, збільшує механічні затрати, масу та габаритні розміри двигуна, - Колінчасті вали мають збільшений радіус кривошипів, створюючий робочий та загублений ходи поршнів, отже, збільшені розміри та маси Це збільшує масу та габаритні розміри двигуна в цілому, а разом з попереднім пунктом, збільшує динамічні навантаження на двигун та обмежує частоту обертання колінчастих валів, - Двигун не універсальний, так як має цільове призначення -яктепловозний Все це обмежує можливості збільшення техніко-економічних показників та забезпечення універсальності використання на транспортних машинах двигуна внутрішнього згоряння з двома поршнями, зв'язаними, ВІДПОВІДНО, з двома колінчастими валами, протилежно рухаючимися в одному циліндрі та утворюючими, при цьому, двохтактний робочий цикл Задача Створення способу роботи двигуна внутрішнього згоряння з двома поршнями, рухаючимися в одному циліндрі і з'єднаними, ВІДПОВІДНО, з двома колінчастими валами, забезпечуючого підвищення техніко-економічних показників та універсальність використання на транспортних машинах різного призначення Поставлена задача вирішується по наступному зразку Засіб роботи двигуна внутрішнього згоряння, визначений в тому, що два поршні, зв'язані з допомогою шатунів, ВІДПОВІДНО, З двома колінчастими валами, рухаються в одному циліндрі, при цьому, один поршень працює по двохтактному робочому циклі з золотниковим газообміном, згідно винаходу, двигун внутрішнього згоряння працює по змішаному робочому циклу, при якому, другий поршень виконує повний робочий хід, а послідуюче переміщення, відповідне половинні змішаного робочого циклу, поршні здійснюють в одному напрямку і утворюють в циліндрі мало змінний об'єм, в тривалість якого перший поршень завершує робочий хід, організує газообмін робочого об'єму циліндра петлевою продувкою та має початок процес стискування, а при послідуючому русі поршнів до загальної мертвої точки, другий поршень інтенсифікує зменшення об'єму в циліндрі, за рахунок відношення частоти обертання колінчастих валів рівного двом, при чому, тривалість робочого хода першого поршня визначається за умовами отримання оптимальних параметрів процесів розширення і газообміну в циліндрі та обмежується рівнянням крутячих моментів колінчастих валів, а величина відхилення об'єму в циліндрі в процесі газообміну, відносно робочого об'єму циліндра, визначається відношенням радіусів кривошипів колінчастих валів за умовами отримання оптимальних параметрів процесів розширення та газообміну в циліндрі Суттєві відзнаки Автору невідомі способи роботи двигуна внутрішнього згоряння, працюючого по пропонуючому змішаному робочому циклу, в якому - другий поршень виконує повний робочий хід, - послідуюче переміщення, відповідне половині змішаного робочого цикла, поршні здійснюють в одному напрямку і утворюють в циліндрі мало змінний об'єм, - в мало змінному об'ємі циліндра перший поршень завершує робочий хід, - в мало змінному об'ємі циліндра перший поршень організує газообмін робочого об'єму циліндра петлевою продувкою, - в мало змінному об'ємі циліндра має початок процес стискування робочого тіла, - при послідуючому русі поршнів до загальної верхньої мертвої точки другий поршень інтенсифікує зменшення об'єму в циліндрі в процесі стискування, - відношення частоти обертання колінчастих валів рівне двом, - тривалість робочого хода першого поршня визначається за умовами отримання оптимальних параметрів процесів розширення та газообміну в циліндрі та обмежується рівнянням крутячих моментів колінчастих валів, - величина відхилення об'єму в циліндрі в процесі газообміну, відносно робочого об'єму циліндра, визначається відношенням радіусів кривошипів колінчастих валів за умовами отримання оптимальних параметрів процесів розширення та газообміну в циліндрі Сукупність заявлених ознак дозволяє - Другий поршень виконує повний робочий хід Це дозволяє утворений повним його ходом об'єм в циліндрі використати як робочий і виключає участь цього поршня в золотниковому газообміні циліндра, що суттєво спрощує його конструкцію, зменшує масу і габаритні розміри циліндра і поршня та ВІДПОВІДНОГО йому кривошипношатунного механізму, а також, сприяє збільшенню питомої циліндрової потужності, - Послідуюче переміщення, відповідне половині змішаного робочого циклу, поршні здійснюють в одному напрямку і утворюють в циліндрі мало змінний об'єм Тобто, виключають утворення додаткового об'єму, обов'язкового при організації золотникового газообміну в двигуні з двохтактним робочим циклом і складаючого понад 40% повного об'єму циліндра, що сприяє суттєвому збільшенню питомої циліндрової потужності та зменшенню маси і габаритних розмірів двигуна, - В мало змінному об'ємі циліндра перший поршень завершує робочий хід Що збільшує корисну роботу процесу розширення в циліндрі та сприяє більш ефективному використанню параметрів робочого газу, які також мало змінюються в мало змінному об'ємі, - В мало змінному об'ємі циліндра перший поршень організує газообмін робочого об'єму петлевою продувкою Так як в процесі газообміну об'єм в циліндрі мало змінюється від робочого об'єму, то петлева 52754 продувка забезпечує ефективний газообмін останнього при мінімальних витратах потужності, - В малозмінному об'ємі циліндра має початок процес стискання Мало змінний об'єм сприяє теплообміну від стінок в циліндрі до робочого тіла, тобто, збільшенню внутрішньої енергії останнього та зменшенню витрат потужності на стискування робочого тіла в циліндрі, - При послідуючому переміщенні поршнів до загальної верхньої мертвої точки другий поршень інтенсифікує зменшення об'єму в циліндрі Другий поршень починає рухатись від нижньої мертвої точки з наростанням швидкості від нуля, тому об'єм в циліндрі від його руху мало змінюється і продовжується процес теплообміну від стінок циліндра до робочого тіла, який, з наростанням швидкості другого поршня і інтенсифікації, при цьому, збільшення об'єму, поступово змінюється до теплообміну від робочого тіла до стінок в циліндрі Ці обставини зменшують тривалість теплообміну від робочого тіла до стінок в циліндрі та сукупно збільшують внутрішню енергію робочого тіла, зменшують витрати потужності на стискування, а також, зменшують витрати робочого тіла через ущільнення поршнів, - Відношення частот обертання колінчастих валів дорівнює двом Це дозволяє створити універсальним двигун внутрішнього згоряння, який може використовуватись в транспортних машинах різного призначення за рахунок різних крутячих моментів на колінчастих валах при однаковій потужності, - Тривалість робочого ходу першого поршня визначається за умов отримання оптимальних параметрів процесів розширення і газообміну в циліндрі та обмежується рівнянням крутячих моментів колінчастих валів Це дозволяє реалізувати максимальну потужність при мінімальних витратах на газообмін шляхом приближения до оптимальної тривалості відкриття продувочних вікон в циліндрі першим поршнем, - Величина відхилення об'єму в циліндрі в процесі газообміну, відносно робочого об'єму циліндра, визначається відношенням радіусів кривошипів колінчастих валів за умовами отримання оптимальних параметрів процесів розширення та газообміну в циліндрі Це відношення дозволяє зменшувати або збільшувати об'єм, який створюється повним ходом першого поршня відносно робочого об'єму циліндра і, тим самим, визначиш мінімальні витрати потужності на ефективний газообмін петлевою продувкою циліндра запропонованого засобу при максимальній питомій циліндровій потужності Функціональне призначення сукупності розглянутих ознак дозволило створити засіб роботи двигуна внутрішнього згоряння з змішаним робочим циклом, який сприяє обмеженню повного об'єму в циліндрі його робочим об'ємом, зменшенню витрат на газообмін ефективним використанням петлевої продувки циліндра, підвищенню літрової потужності, спрощенню конструкції і зменшенню маси та габаритних розмірів циліндропоршневої групи та кривошипно-шатунного меха нізму відносно одного поршня, і в цілому, двигуна, а також, забезпеченню універсальності використання останнього на транспортних машинах різного призначення На Фіг 1 показана принципова схема двигуна внутрішнього згоряння, реалізуючого заявлений засіб На Фіг 2 приведено график переміщення поршнів в циліндрі по заявленому засобі Двигун внутрішнього згоряння для реалізації заявленого засобу включає (Фіг 1) два поршні 1 і 2, зв'язані посередством шатунів 3 і 4 з двома колінчастими валами 5 і 6 і рухаються в циліндрі 7 Колінчасті вали 5 і 6 обертаються з відношенням частот, рівним двом Згідно формулі винаходу та Фіг 1 і 2, колінчастий вал 5 обертається з частотою ги, а колінчастий вал 6 обертається з частотою П 2 = 2пі Сумісне не синхронне переміщення двох поршнів 1 і 2 в одному циліндрі 7 від єдиної верхньої мертвої точки створює змішаний робочий цикл (Фіг 2) Приклад реалізації заявленого засобу Процес розширення в змішаному робочому циклі здійснюється переміщенням поршнів 1 і 2 від загальної верхньої мертвої точки (Фіг 1 і 2) Поршень 2 виконує робочий хід, відповідаючий його повному ходу до нижньої мертвої точки При цьому, його швидкість змінюється циклічно від нуля до максимального значення, та від максимального значення до нуля Поршень 1 працює по двохтактному циклі і виконує, при цьому, робочий хід, відповідаючий 90° кута повороту колінчастого вала 5, а його швидкість змінюється від нуля до максимального значення Абсолютні значення швидкості поршня 2, в дискретних кутах повороту колінчастого вала 6, в інтервалі її зміни від нуля до максимального значення, більші абсолютних значень швидкості поршня 1, ВІДПОВІДНО тих же дискретних кутів повороту колінчастого вала 6 Тому, в указаному інтервалі руху поршень 2 інтенсифікує зростання робочого об'єму в циліндрі 7 відносно кута повороту колінчастого вала 6 на величину, пропорцюнальну різниці швидкостей поршнів 1 і 2 в дискретних точках Це інтенсифікує зростання потужності в циліндрі по куту обертання колінчастих валів 5 і 6, та скорочує тривалість теплообміну робочого тіла з стінками в циліндрі 7, зменшуючи ВІДНОСНІ витрати тепла в систему охолодження, що сприяє більш ефективному використанню параметрів робочого тіла на указаному інтервалі розширення Зменшення швидкості поршня 2 від максимального значення до нуля (Фіг 2) уповільнює відносне зростання робочого об'єму в циліндрі 7 в указаному інтервалі руху поршня 2 Це сприяє покращенню догоряння палива в циліндрі 7 Послідуючий рух поршнів 1 і 2 здійснюється в одному напрямку (Фіг 2), в продовження половини змішаного робочого циклу Хід поршня 1 відповідає, при цьому, ЗМІНІ кута повороту колінчастого вала 5 від 90° до 270°, а його швидкість змінюється від максимальної до нуля в нижній мертвій точці, ВІДПОВІДНІЙ середині змішаного циклу, та від нуля до максимальної Хід поршня 2 відповідає, при цьому, ЗМІНІ кута повороту колінчастого вала 6 на 360°, наприклад, від 180° до 540° Він рухається від нижньої мертвої точки до верхньої мертвої точ 52754 ки, відповідної середині змішаного циклу, та назад, а його швидкість змінюється, ВІДПОВІДНО, ВІД нуля, в мертвих точках, до максимальної Отже, в указаному інтервалі зміни кута повороту колінчастих валів 5 і 6, текучий об'єм циліндра 7 змінюється незначно (Фіг 2) Абсолютне значення об'єму та характер його зміни залежать від відносних значень швидкостей поршнів 1 і 2 в дискретних кутах повороту колінчастих валів 5 і 6 Тоді, на початку руху поршня 2 від верхньої мертвої точки, його швидкість збільшується від нуля і об'єм в циліндрі 7 продовжує збільшуватись, але його відносне збільшення буде обернено пропорцюнально відносному збільшенню швидкості поршня 2 Це дозволяє продовжити робочий хід поршня 1 з утворенням позитивного крутячого моменту на колінчастому валі 5, та негативного, зростаючого від нуля, на колінчастому валі 6 Обмеженням процесу розширення в циліндрі 7 є досягнення рівняння крутячих моментів на колінчастих валах 5 і 6 між собою В мало змінному об'ємі циліндра 7 мало змінюються параметри робочого тіла, що сприяє ефективному їх використанню в процесі розширення, а також, складаються умови для більш повного згоряння палива На характер зміни малозмінного об'єму в циліндрі 7 впливає відношення радіусів кривошипів колінчастих валів 5 і 6 через швидкість ВІДПОВІДНИХ поршнів, а його гранична зміна визначається об'ємом, створеним повним ходом поршня 1 Наприклад, при відношенні радіуса кривошипа колінчастого вала 5 до радіуса кривошипа колінчастого вала 6, рівному двом або більше, швидкість поршня 2, в певний час його послідуючого руху до верхньої мертвої точки, перевищить швидкість поршня 1 і з цього моменту об'єм в циліндрі 7 почне зменшуватись від робочого об'єму Це дозволяє виконати ефективний газообмін в циліндрі 7 з використанням петлевої продувки через вікна 8 і 9, 8 виконані в циліндрі 7 в області руху поршня 1 Відношення радіусів кривошипів колінчастих валів 5 і 6 та тривалість відкритими продувочних вікон 8 і 9, в межі мало змінного об'єму в циліндрі 7, визначається оптимальними параметрами процесів розширення та газообміну Процес стискування починається після закриття продувочних вікон 8 і 9, на завершенні тривалості мало змінного об'єму в циліндрі 7, де відбувається теплообмін від стінок циліндра до робочого тіла Це сприяє зростанню внутрішньої енергії робочого тіла та зменшенню потужності на стискування на цьому участку Поршні 1 і 2 завершують цикл рухом в протилежному напрямку, до загальної верхньої мертвої точки, при чому, поршень 1 починає рухатись від нижньої мертвої точки (Фіг 2) В циліндрі об'єм зменшується прямо пропорцюнально сумарній ЗМІНІ швидкостей поршнів 1 і 2 Так як швидкість поршня 1 на початку руху від нижньої мертвої точки змінюється від нуля, то зміна об'єму в циліндрі залежить тільки від швидкості поршня 2, тому продовжується теплообмін від стінок в циліндрі до робочого тіла 3 збільшенням швидкості поршня 1 теплообмін в циліндрі поступово змінюється на теплообмін від робочого тіла до стінок Ці обставини зменшують тривалість теплообміну від робочого тіла до стінок в циліндрі та сукупно збільшують внутрішню енергію робочого тіла, зменшують потужність на стискування робочого тіла, а також, зменшують витрати робочого тіла через ущільнення поршнів 1 і 2 в циліндрі 7 Реалізація заявляемого засобу роботи двигуна внутрішнього згоряння з змішаним робочим циклом дозволяє поширити його функціональні можливості для підвищення техніко-економічних показників та для створення універсального двигуна внутрішнього згоряння для транспортних машин різного призначення ФІГ.1 52754 10 о 8МТ зёо О ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24