четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с вспомогательным цилиндром

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.

Описание изобретения к патенту

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.