двигатель внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением поршня

Формула изобретения

Двигатель внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением поршня, содержащий цилиндр с головкой, внутри которого герметично передвигается поршень, образуя рабочую камеру между поршнем и головкой цилиндра, отличающийся тем, что преобразование возвратно-поступательных движений поршня во вращательное движение маховика осуществляется посредством зубчатой рейки, жестко соединенной с поршнем, и двух шестерен с неполным количеством зубьев в зоне рабочей ширины рейки, при этом рейка имеет каналы, через которые в поршень подводится и отводится жидкостное охлаждение.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), в частности к рабочим органам поршневых ДВС двойного действия, и может быть также использовано для создания избыточного давления или вакуума.

Двигатель внутреннего сгорания преобразует тепловую энергию топлива в механическую. Известен поршневой двигатель внутреннего сгорания [1], содержащий цилиндр, герметизированный с одной стороны головкой цилиндра с впускными и выпускными клапанами. В цилиндре размещен поршень, соединенный с кривошипно-шатунным механизмом. Горючая смесь или воздух подается (засасывается) в герметизируемую часть цилиндра и сжимается поршнем до некоторого значения, после чего горючая смесь воспламеняется искрой свечи зажигания - карбюраторный двигатель, если всасываемый воздух, то он при сжатии нагревается до необходимой для воспламенения температуры и в него впрыскивается необходимое количество топлива - дизельный двигатель. Сгорание топлива вызывает значительное повышение температуры и, следовательно, давления над поршнем, что заставляет поршень двигаться в обратном направлении с большим усилием и выполнять полезную работу, а также работу по осуществлению вспомогательных циклов: выхлопа, всасывания и сжатия за счет энергии, накопленной в маховике во время рабочего хода. Возвратно-поступательное движение поршней преобразуется во вращательное движение кривошипно-шатунным механизмом.

Недостатком известной конструкции ДВС является наличие больших боковых давлений поршня на стенки цилиндра, обусловленных применением КШМ, что приводит к их износу и потери мощности. Подвод и отвод смазки к местам больших давлений и отвод тепла от поршня, что особенно важно с применением водородного топлива, осуществить сложно.

Наиболее близким техническим решением по сущности и достигаемому техническому результату является четырехтактный или двухтактный поршневой ДВС [2] с возвратно-поступательным движением поршней с преобразованием его во вращательное кривошипно-шатунным механизмом.

Выбор прототипа обусловлен необходимостью доработки наиболее распространенных ДВС, на изготовление которых разработаны самые современные технологии и количество которых, находящихся в эксплуатации, весьма велико, перейти на совершенно новые конструкции ДВС невозможно, необходимо с наименьшими изменениями доработать существующие ДВС.

Недостатками прототипа являются большие боковые давления поршня на стенки цилиндра, сложность подвода и отвода смазки к местам интенсивного трения, сложность подвода охлаждающей жидкости к рабочей поверхности поршня, без чего маловероятна возможность применения водородного топлива. Все эти недостатки в основном возникают вследствие применения КШМ.

Технической задачей изобретение является устранение указанных недостатков.

Проставленная задача решается за счет того, что двигатель внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением поршня, содержащий цилиндр с головкой, внутри которого герметично передвигается поршень, образуя рабочую камеру между поршнем и головкой цилиндра, согласно изобретению преобразование возвратно-поступательных движений поршня во вращательное движение маховика осуществляется посредством зубчатой рейки, жестко соединенной с поршнем, и двух шестерен с неполным количеством зубьев в зоне рабочей ширины рейки, при этом рейка имеет каналы, через которые в поршень подводится и отводится жидкостное охлаждение.

Шатун с пальцем заменяется жестко соединенной рейкой с поршнем, в теле рейки расположены каналы для подвода охлаждающей жидкости в поршень и отвода ее из поршня. К рейке подведены две шестерни с неполным количеством зубьев [3], зубья шестерен расположены таким образом, что зубья только одной шестерни входят в зацепление с рейкой, когда зубья одной шестерни заканчиваются, в зацепление входят зубья второй шестерни, перемещающие рейку в противоположном направлении. Шестерни вне зоны сцепления с рейкой имеют полное количество зубьев и постоянно входят в зацепление между собой. Одна из шестерен находится на одном валу с маховиком. Механизм не имеет мертвых точек, а следовательно, и зон, близких к ним, где рабочее давление поршня в кривошипно-шатунном механизме используется малоэффективно, так как используется на преодоление сил трения без преобразования его в крутящий момент на маховик. Прямолинейное движение рейки исключает появление боковых составляющих давления поршня на стенки цилиндра, что упрощает смазку поршня и цилиндра, позволяет подводить охлаждающую жидкость в поршень и отводить ее.

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, сходные с существенными отличительными признаками в заявляемом двигателе внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением поршня.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлено поперечное сечение предлагаемого двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением поршня.

Двигатель внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением поршня состоит из цилиндра с головкой 1, поршня 2, имеющего полость для охлаждения 7 с уплотнительными кольцами 3, зубчатой рейки 4 с подводящим и отводящим каналами 9, 10, шестерен 5; 6 с неполным количеством зубьев и направляющей 8. На чертеже изображен двухцилиндровый двигатель, что наиболее рационально дает возможность использовать рейку.

Двигатель внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением поршня работает следующим образом: пусковым устройством через реечно-шестеренчатый механизм преобразования поршень с рейкой перемещается из крайнего положения у головки цилиндра к противоположной крайней точке предельного положения вниз - происходит всасывание рабочей смеси или воздуха, в который впрыскивается топливо, при движении поршня от нижнего предельного положения к верхнему происходит сжатие рабочей смеси или воздуха до необходимой степени сжатия, затем рабочая смесь воспламеняется свечой зажигания или в сжатый воздух впрыскивается топливо и самовоспламеняется, давление над поршнем возрастает, и поршень с силой давит на рейку, которая вращает одну из шестерен, которая передает вращение на маховик. Затем поршень перемещается вверх, открывается выхлопной клапан, происходит выталкивание, выхлоп отработавших газов. Выхлопной клапан закрывается, открывается выпускной клапан, поршень движется вниз, происходит всасывание воздуха или горючей смеси - процесс повторяется. Одну рейку реечно-шестеренчатого механизма преобразования можно использовать более рационально, поместив еще один цилиндр с головкой с противоположной стороны. Рейка поршня (поршней) перемещается в направляющей, к которой подведены подводной и отводной каналы жидкостного охлаждения поршня. В направляющей сделаны пазы, с которыми постоянно соединены подводной и отводной каналы рейки, через которые жидкостное охлаждение поступает в поршень и отводится от него в необходимом количестве для поддержания температурного режима.

Использование заявляемого изобретения позволит осуществлять жидкостное охлаждение поршня, что позволит повысить степень сжатия, применить водородное топливо, повысить КПД двигателя на 15-20% и его надежность.

Источники информации

1. В.М.Семенов, В.Н.Власенко. Трактор. Москва, ВО Агропромиздат, 1989 (стр.23-36; 106).

2. С.М.Давыдович. Устройство тракторов и автомобилей. Ленинград, Сельхозиздат, 1960.

3. С.Н.Кожевников, Я.И.Есипенко, Я.М.Раскин. Элементы механизмов. - М., Оборонгиз, 1956.